本報記者 陳景秋
“1000個日夜的奮斗，終于邁出了重要的一步——國產(chǎn)化首臺150兆瓦大型沖擊式轉(zhuǎn)輪下線。”5月16日，150兆瓦大型沖擊式轉(zhuǎn)輪項目研發(fā)人員、東方電機研發(fā)中心副主任何啟源在朋友圈感慨道。
當天，我國自主研制的首臺單機容量最大功率150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪在四川德陽成功下線，標志著我國高水頭大容量沖擊式水電機組關鍵核心技術國產(chǎn)化實現(xiàn)從無到有的歷史性突破。創(chuàng)新的背后有哪些鮮為人知的知識產(chǎn)權故事？
大轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)從無到有
沖擊式水輪機是應用最為廣泛的機型之一，其中，轉(zhuǎn)輪被視為機組的“心臟”，是攻堅克難的關鍵所在。由于轉(zhuǎn)輪可靠性要求極高、制造難度大，此前，核心技術一直掌握在外國少數(shù)廠家手里。
作為電力裝備領域的央企，東方電機堅持面向國家重大需求，從上世紀80年代開始了相關技術研發(fā)，不過囿于當時研發(fā)條件以及核心技術被“卡脖子”，轉(zhuǎn)輪的研發(fā)進展緩慢。自2019年開始，東方電機全力組織開展高水頭大容量沖擊式水電機組關鍵技術研究，力爭解決“卡脖子”技術難題。
沖擊式轉(zhuǎn)輪造型獨特，結(jié)構復雜，每一步調(diào)整都非常精細。使用常規(guī)造型軟件建模，一個水斗模型搭建耗時長達2周，為此，提升造型設計速度成為研發(fā)團隊亟待突破的“第一關”。為了縮短三維造型設計時間，2020年，東方電機研發(fā)團隊開始嘗試自主開發(fā)造型軟件，從源頭上解決快速準確建模難題。原來耗時2周的水斗造型設計，如今自主開發(fā)的造型軟件15分鐘即可完成。
轉(zhuǎn)輪的結(jié)構設計也是團隊攻堅克難的方向。設計團隊驗證分析了一百多個方案，優(yōu)化了轉(zhuǎn)輪三維高階復雜曲面造型，優(yōu)化應力分布，確保轉(zhuǎn)輪循環(huán)疲勞壽命不低于15億次，轉(zhuǎn)輪水斗每秒承受高速水流沖擊范圍37.5次至637.5次，解決了大型沖擊式轉(zhuǎn)輪結(jié)構設計方面的難題。
功夫不負有心人，今年5月16日，國內(nèi)首臺150兆瓦大型沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪在四川德陽成功下線，標志著我國沖擊式水輪機核心部件實現(xiàn)了“零”的突破。依托150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪國產(chǎn)化項目，東方電氣沖擊式轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)、造型設計等實現(xiàn)了完全自主化，填補了多項國內(nèi)技術空白。
“能夠參與這種重大項目，是我輩青年的榮幸，見證轉(zhuǎn)輪下線，令我感到無比驕傲和自豪，這也更加激勵我們加快關鍵核心技術研發(fā)，為大國重器研制奉獻更多青春力量?！睎|方電機焊接工藝高級工程師金寶表示。
核心專利是底氣
在東方電機水力試驗臺的陳列架上，并排放置著7個外形相似的沖擊式機組轉(zhuǎn)輪模型，它們從100余個設計方案中脫穎而出，其中近30件專利證書成為150兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪國產(chǎn)化最直接的印證。
“一種沖擊式水輪機水斗根部造型方法”“一種沖擊式水輪機水斗固有頻率調(diào)整方法及結(jié)構”……沖擊式機組轉(zhuǎn)輪是機組能量轉(zhuǎn)換最核心的部件，也是受力情況最復雜的部件。轉(zhuǎn)輪受到的載荷具有明顯的沖擊特性，對轉(zhuǎn)輪的剛強度、動力特性、動應力控制都提出了更高的要求。
“我們每一步都是摸著石頭過河，一步一步試出來的?！睎|方電機研發(fā)中心強度設計高級工程師周俊鵬說起這些專利背后的故事，如數(shù)家珍。由于沒有設計制造的經(jīng)驗，在初始設計方案中，國產(chǎn)化新轉(zhuǎn)輪的造型設計盡量和國外轉(zhuǎn)輪保持相似。通過仿真分析，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)，新轉(zhuǎn)輪的固有頻率和國外轉(zhuǎn)輪相差不大，但受力最為復雜的水斗根部動應力水平相對較高，與前期的試驗數(shù)據(jù)相差較大，不符合產(chǎn)品的標準要求。
研發(fā)設計從來都不是一帆風順的，從無到有、從“0”到“1”的國產(chǎn)化研發(fā)尤甚。主研人員早已做好了反復失敗的心理準備，但是在經(jīng)過多輪次的結(jié)構優(yōu)化后，動應力水平仍然沒有達到預期。
“新轉(zhuǎn)輪的工期緊張，每個重要的時間節(jié)點都是經(jīng)過多次討論確定下來的，上道工序的完成情況直接影響下道工序的推進，甚至影響整個工期。眼看時間節(jié)點越來越近，我們真是心急如焚?！敝芸※i說。
靈感的噴涌，源自于無數(shù)次探索的積累。經(jīng)過上百次的方案優(yōu)化后，終于在一次綜合評審會議上，主研人員反復討論，決定打破國外設計思維，大膽提出一種新的水斗根部造型方法及水斗背部的設計方案。
新的造型思路是否可行？懷著緊張與期待，主研人員立即進行了仿真分析。數(shù)據(jù)顯示，新轉(zhuǎn)輪水斗根部的動應力水平降幅明顯，應力分布更加均勻，動應力水平及錯頻裕度都達到了產(chǎn)品標準要求?！澳且豢涛覀兏械角八从械妮p松，大半年的努力付出終于有了一個結(jié)果，新轉(zhuǎn)輪研發(fā)終于進入下一階段。”周俊鵬笑著說。
成果不是終點是起點
2022年11月，150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪水力模型通過驗收；2023年5月，150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪成功下線……東方電機水力設計工程師謝可為是親歷者和見證者?！翱吹睫D(zhuǎn)輪下線，就像看到小鳥破殼而出、展翅高飛，心中非常激動和自豪！”
“國產(chǎn)化新轉(zhuǎn)輪的成功研制只是向沖擊式機組邁出的一小步，沖擊式機組還有很多未知的問題等待探索。我們將以此為起點，不斷增強專業(yè)素養(yǎng)，為后續(xù)機組的研制貢獻自己的力量?！敝芸※i表示。
“服務國家戰(zhàn)略，是央企必須承擔的責任與使命?！睎|方電機專業(yè)總師馮濤堅定地說，“150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪的下線，不是終點，而是起點，它使我們邁向更高水平、更大目標的步伐更堅定、更穩(wěn)定?！睎|方電氣將以此為契機，進一步加強聯(lián)合創(chuàng)新，攜手國內(nèi)能源企業(yè)，共同推進具有世界影響力的500兆瓦沖擊式水電機組工程示范應用，接續(xù)開展700至1000兆瓦級高水頭大容量沖擊式水電機組研制，而這背后，專利必將發(fā)揮更重要的作用。
