四川在線記者 曹凘源

【資料圖】

5月16日，由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司自主研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪成功下線。作為我國(guó)自主研發(fā)制造的“高水頭、大容量、沖擊式”水電機(jī)組關(guān)鍵核心部件，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)到制造全流程克服了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，特別是在制造階段，首次將機(jī)器人電弧增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）應(yīng)用于大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造。

這臺(tái)沖擊式轉(zhuǎn)輪有何特點(diǎn)？設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)又遭遇了哪些挑戰(zhàn)？日前，四川在線記者走進(jìn)東方電機(jī)有限公司，探訪這臺(tái)國(guó)之重器的“誕生地”，聽攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員講述這臺(tái)“中國(guó)心”究竟有多牛。

國(guó)內(nèi)首臺(tái)單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪。

看設(shè)計(jì)：

自主開發(fā)三維造型軟件

100多個(gè)方案練就“鋼筋鐵骨”

來到?jīng)_擊式水力試驗(yàn)臺(tái)，四四方方的架子正下方擺放著一臺(tái)沖擊式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪，透過設(shè)備上的透明玻璃孔洞，可以看到高速旋轉(zhuǎn)的水流正在帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪全力運(yùn)轉(zhuǎn)。

“別看這個(gè)轉(zhuǎn)輪小，它可以承受連續(xù)不斷的‘高鐵速度’水流沖擊而保持穩(wěn)定性！”參觀途中，東方電機(jī)水力開發(fā)工程師周恒特向記者介紹了這臺(tái)設(shè)備的“過人之處”。

在周恒特的指引下，記者湊上前仔細(xì)觀察，水流是從幾個(gè) “噴嘴”里流出來的。據(jù)周恒特介紹，噴嘴噴出的水流流速可以達(dá)到100米/秒，換算下來約360公里/小時(shí)，和高鐵行駛速度相差無幾。

如何能承受得住高強(qiáng)度的水流沖擊還保持穩(wěn)定？這對(duì)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)工藝和選用材料提出了挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)首臺(tái)單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪正在制造中。

周恒特介紹，為了解決自主化設(shè)計(jì)的建模難題，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)之初就創(chuàng)新應(yīng)用了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的沖擊式轉(zhuǎn)輪三維造型軟件，并采用了先進(jìn)的仿真分析計(jì)算方法進(jìn)行開發(fā)，大大提高了轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)和優(yōu)化的效率。

建模工作敲定，亟待解決的就是應(yīng)力控制、激振頻率、水力效率等技術(shù)難題。這讓負(fù)責(zé)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的兩位工程師熊建軍、周俊鵬犯了難。

“沖擊式轉(zhuǎn)輪的葉片呈斗狀，所以也叫水斗，受到水流沖擊后就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。” 熊建軍告訴記者，所謂應(yīng)力就是水流沖擊葉片后產(chǎn)生的作用力，進(jìn)而導(dǎo)致參數(shù)有變化。一臺(tái)水輪機(jī)組要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，必須保持參數(shù)穩(wěn)定，所以他們要不斷調(diào)整水斗基本參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證分析了一百多個(gè)方案，前后做出了100多個(gè)水斗模型，不斷優(yōu)化應(yīng)力分布，最終優(yōu)中選優(yōu)，確保轉(zhuǎn)輪循環(huán)疲勞壽命不低于15億次。

“而且和反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的導(dǎo)葉不同，水斗和中心體只有一個(gè)固定連接點(diǎn)，運(yùn)行過程中的交替變換必須要綜合考慮振形與激振頻率、轉(zhuǎn)輪固有頻率在不同介質(zhì)中的差異。”周俊鵬介紹，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)不同頻率進(jìn)行校驗(yàn)檢查，并結(jié)合試驗(yàn)反復(fù)檢驗(yàn)后確定了最終參數(shù)，并選擇了馬氏體不銹鋼作為制造材料，練就了沖擊式轉(zhuǎn)輪一身“鋼筋鐵骨”。

看制造：

40天完成2.7噸金屬增材

機(jī)器人焊接為轉(zhuǎn)輪穿上“軟猬甲”

熬過了艱難的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)，接踵而至的生產(chǎn)制造階段也困難重重——大型發(fā)電設(shè)備零部件成為趨勢(shì)，體積增大的零部件對(duì)鍛造技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。

“以我們這臺(tái)沖擊式轉(zhuǎn)輪為例，鍛件厚度大、重量大，傳統(tǒng)的焊接鍛造方法無法一次成型。”東方電機(jī)焊接工藝高級(jí)工程師金寶向記者介紹，為了降低鍛件厚度，東方電機(jī)依托智能制造轉(zhuǎn)型，自主開發(fā)了機(jī)器人電弧增材制造技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)首次投用于沖擊式轉(zhuǎn)輪制造。

國(guó)內(nèi)首臺(tái)單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪成功下線。

為了方便記者理解增材制造，金寶從手機(jī)上打開了一段視頻，視頻中以3D動(dòng)畫的形式介紹了沖擊式轉(zhuǎn)輪的整個(gè)制造過程。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人電弧增材制造技術(shù)類似于3D打印技術(shù)，就是先鍛造出大致主體，然后通過增加金屬材料一點(diǎn)點(diǎn)鍛造出轉(zhuǎn)輪最終的模樣。

3臺(tái)機(jī)器人歷時(shí)40余天協(xié)同作業(yè)，完成2.7噸金屬增材。“通過這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)所焊即所得，不需要二次加工，不僅降低了鍛坯制造難度，還提高了材料利用率，開創(chuàng)了行業(yè)先例。”金寶介紹。

150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪內(nèi)部。

“鍛造成型”并不意味著產(chǎn)品的制造階段完成，為了增加轉(zhuǎn)輪的耐磨損度，還要進(jìn)行激光熔覆改性，也就是通過機(jī)器人焊接技術(shù)，在其表面焊接一層特殊涂層，相當(dāng)于為轉(zhuǎn)輪穿上一層“軟猬甲”應(yīng)對(duì)各類磨損和腐蝕。

“技術(shù)創(chuàng)新和試驗(yàn)并非只為了生產(chǎn)這一件產(chǎn)品，而是為后續(xù)的研發(fā)制造積累經(jīng)驗(yàn)，所以轉(zhuǎn)輪外部水斗我們采用了增材制造、模鍛和電渣熔鑄三種制造方式，有效驗(yàn)證了不同制造方式的適用性，為更高水頭更大容量沖擊式轉(zhuǎn)輪研制奠定了基礎(chǔ)。”金寶表示，150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪成功下線只是個(gè)起點(diǎn)，以此為契機(jī)，東方電機(jī)正在接續(xù)開展更高水頭、更大容量沖擊式水電機(jī)組研制，隨著越來越多數(shù)字化智能制造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，定將更好推動(dòng)我國(guó)水力發(fā)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

東方電機(jī)供圖