7月2日，
全球首臺單機容量最大500兆瓦、
轉(zhuǎn)輪尺寸最大6.23米的
沖擊式水輪機核心部件——轉(zhuǎn)輪
在哈電集團自主研制成功并發(fā)運，
標志著我國在高水頭、大容量沖擊式水輪機組
核心裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)歷史性突破。
該自主化研制的沖擊式轉(zhuǎn)輪
由21個精密水斗構(gòu)成，
整輪厚度1.34米、重量約80噸，
是國家“藏電外送”骨干電站
扎拉水電站水輪發(fā)電機組的“心臟”，
為發(fā)電機發(fā)出500兆瓦額定功率提供源動力。
跟著小新坐上轉(zhuǎn)輪發(fā)運貨車，
探秘扎拉水電站這一核心部件。
水電機組“心臟”的鑄造難題
2021年10月，
在西藏自治區(qū)怒江支流的玉曲河上，
扎拉水電站破土動工。
作為世界在建綜合難度最大的
沖擊式水電項目，
電站落差近700米。
為了更好地開發(fā)水能，
滿足水電站特殊工況要求，
提升我國高落差水能開發(fā)能力，
如何制造出代表中國水電裝備頂尖智慧的
沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的難題
擺在科研人員面前。
難點一：
超大尺寸馬氏體不銹鋼鍛件制造難題。
扎拉轉(zhuǎn)輪輪轂鍛件需采用
300噸級馬氏體不銹鋼鋼錠，
鍛造重量超160噸，
外圓直徑近5米、最大厚度1.2米，
成品重量107噸，
是全球最大規(guī)格馬氏體不銹鋼鍛件。
此類材料在冶煉時易產(chǎn)生偏心，
鍛造過程中需同時滿足高強度、
高韌性和抗疲勞性能，
傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)。
難點二：
復(fù)雜曲面水斗模鍛成形技術(shù)瓶頸問題。
扎拉轉(zhuǎn)輪的21個水斗
均為大型深腔復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，
毛坯重量超3噸，斗寬1.5米，
壁厚30～300毫米，鍛件復(fù)雜系數(shù)高；
傳統(tǒng)鑄造工藝難以滿足
表面粗糙度和型線精度要求，
且易出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷。
難點三：
超大超厚鍛件焊接變形控制難題。
該轉(zhuǎn)輪焊接需將107噸輪轂
與21個水斗焊接成整體，
焊縫總長度超300米，
且需承受700米水頭下的高頻動態(tài)載荷。
馬氏體不銹鋼焊接易產(chǎn)生冷裂紋，
同時超大尺寸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致焊接變形難以控制。
難點四：
高海拔地區(qū)運輸安裝挑戰(zhàn)。
扎拉水電站位于西藏昌都，
海拔3000米以上，道路蜿蜒陡峭，
最大坡度達18度，
且年平均氣溫零下2攝氏度，
冬季積雪厚度超50厘米。
轉(zhuǎn)輪單件重量80噸，
傳統(tǒng)運輸難以實現(xiàn)。
難點五：
水力性能優(yōu)化與穩(wěn)定性驗證難題。
在扎拉項目機組700米水頭的工況下，
機組噴灌的水流射流速度
將超過100米每秒，
水斗需承受瞬時沖擊力
約為兩節(jié)重載貨車的重量，
轉(zhuǎn)輪上的6個水斗同時都承受
相當(dāng)于約兩節(jié)重載貨車重量的沖擊力，
推動轉(zhuǎn)輪以每小時210千米的速度運行，
傳統(tǒng)設(shè)計方法難以兼顧效率與穩(wěn)定性，
易出現(xiàn)壓力脈動和振動超標。
橘子引發(fā)的技術(shù)革命
哈電集團電機公司針對
扎拉轉(zhuǎn)輪500兆瓦級
大型鍛焊結(jié)構(gòu)的特殊要求，
統(tǒng)籌最優(yōu)資源，
嚴格執(zhí)行質(zhì)量管控體系，
在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料制備、焊接工藝
及精密加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)全面突破。
針對超大尺寸馬氏體不銹鋼鍛件制造難題，
哈電集團聯(lián)合中國一重開展技術(shù)攻關(guān)，
開發(fā)了“三階段控溫鍛造法”，
通過多向鐓拔消除鋼錠內(nèi)部疏松，
確保鍛件內(nèi)部應(yīng)力均勻；
通過噴丸工藝使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，
提高抗疲勞壽命。
針對復(fù)雜曲面水斗模鍛成形難題，
哈電集團與中國一重聯(lián)合研發(fā)，
采用“數(shù)字化模鍛+近凈成形”技術(shù)路線。
通過逆向工程獲取最優(yōu)水斗型線，
利用專業(yè)軟件進行過程仿真，
確定最佳模具結(jié)構(gòu)和鍛造參數(shù)，
創(chuàng)新設(shè)計多向分流式模具，
最終實現(xiàn)了水斗鍛件的精確成型。
值得一提的是，
在扎拉水電站項目的研發(fā)歷程中，
扎拉轉(zhuǎn)輪的水斗設(shè)計曾陷入瓶頸，
國家卓越工程師、
哈電集團首席科學(xué)家覃大清
在一次午餐時觀察橘子瓣的弧度，
突然靈感迸發(fā)——
橘子瓣的曲面結(jié)構(gòu)能高效導(dǎo)流，
這與水斗需實現(xiàn)的“射流精準切割”異曲同工。
他立即拍攝橘子的照片發(fā)送給團隊，
并提出“橘子瓣型水斗”概念。
經(jīng)過三維建模與多輪試驗，
比傳統(tǒng)設(shè)計提高3個百分點。
這一故事被哈電員工稱為
“橘子引發(fā)的技術(shù)革命”，
至今仍在行業(yè)內(nèi)流傳。
“水電人要像水一樣，
既有水滴石穿的堅韌，
又有海納百川的胸懷”，
覃大清在華中科技大學(xué)演講時說。
為優(yōu)化扎拉轉(zhuǎn)輪的水力性能，
覃大清團隊進行了6輪模型試驗，
制造了12個不同設(shè)計方向的轉(zhuǎn)輪模型。
在一次關(guān)鍵試驗中，
他發(fā)現(xiàn)射流與水斗的干涉效應(yīng)超出預(yù)期，
便帶領(lǐng)團隊連續(xù)72小時駐留實驗室，
像“神農(nóng)嘗百草”般逐一調(diào)整噴嘴角度、
水斗間距等參數(shù)。
最終通過融合高速攝影與流態(tài)觀測技術(shù)，
他們找到了“黃金夾角”。
從2019年啟動扎拉轉(zhuǎn)輪研發(fā)工作以來，
哈電集團依托
水力發(fā)電設(shè)備全國重點實驗室的
沖擊式水力試驗臺，
以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料制備、焊接工藝、
精密加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的資源優(yōu)勢，
為扎拉水電站沖擊式機組量身定制了
高性能水斗式轉(zhuǎn)輪的大國重器，
其核心部件輪轂鍛件更是
目前世界最大的馬氏體不銹鋼鍛件，
這一成果破解了高水頭大容量
沖擊式機組的“卡脖子”難題，
為世界能源裝備技術(shù)發(fā)展
注入了強勁的“中國動力”。
