7月2日，
全球首臺(tái)單機(jī)容量最大500兆瓦、
轉(zhuǎn)輪尺寸最大6.23米的
沖擊式水輪機(jī)核心部件——轉(zhuǎn)輪
在哈電集團(tuán)自主研制成功并發(fā)運(yùn)，
標(biāo)志著我國(guó)在高水頭、大容量沖擊式水輪機(jī)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(gè)精密水斗構(gòu)成，
整輪厚度1.34米、重量約80噸，
是國(guó)家“藏電外送”骨干電站
扎拉水電站水輪發(fā)電機(jī)組的“心臟”，
為發(fā)電機(jī)發(fā)出500兆瓦額定功率提供源動(dòng)力。
跟著小新坐上轉(zhuǎn)輪發(fā)運(yùn)貨車，
探秘扎拉水電站這一核心部件。
水電機(jī)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(dòng)工。
作為世界在建綜合難度最大的
沖擊式水電項(xiàng)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(guó)高落差水能開發(fā)能力，
如何制造出代表中國(guó)水電裝備頂尖智慧的
沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的難題
擺在科研人員面前。
難點(diǎn)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(jí)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(shí)易產(chǎn)生偏心，
鍛造過程中需同時(shí)滿足高強(qiáng)度、
高韌性和抗疲勞性能，
傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)。
難點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(gè)水斗焊接成整體，
焊縫總長(zhǎng)度超300米，
且需承受700米水頭下的高頻動(dòng)態(tài)載荷。
馬氏體不銹鋼焊接易產(chǎn)生冷裂紋，
同時(shí)超大尺寸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致焊接變形難以控制。
難點(diǎn)四：
高海拔地區(qū)運(yùn)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(dá)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(yùn)輸難以實(shí)現(xiàn)。
難點(diǎn)五：
水力性能優(yōu)化與穩(wěn)定性驗(yàn)證難題。
在扎拉項(xiàng)目機(jī)組700米水頭的工況下，
機(jī)組噴灌的水流射流速度
將超過100米每秒，
水斗需承受瞬時(shí)沖擊力
約為兩節(jié)重載貨車的重量，
轉(zhuǎn)輪上的6個(gè)水斗同時(shí)都承受
相當(dāng)于約兩節(jié)重載貨車重量的沖擊力，
推動(dòng)轉(zhuǎn)輪以每小時(shí)210千米的速度運(yùn)行，
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以兼顧效率與穩(wěn)定性，
易出現(xiàn)壓力脈動(dòng)和振動(dòng)超標(biāo)。
橘子引發(fā)的技術(shù)革命
哈電集團(tuán)電機(jī)公司針對(duì)
扎拉轉(zhuǎn)輪500兆瓦級(jí)
大型鍛焊結(jié)構(gòu)的特殊要求，
統(tǒng)籌最優(yōu)資源，
嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管控體系，
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備、焊接工藝
及精密加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全面突破。
針對(duì)超大尺寸馬氏體不銹鋼鍛件制造難題，
哈電集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)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(duì)復(fù)雜曲面水斗模鍛成形難題，
哈電集團(tuán)與中國(guó)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(jìn)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(jì)多向分流式模具，
最終實(shí)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(xiàng)目的研發(fā)歷程中，
扎拉轉(zhuǎn)輪的水斗設(shè)計(jì)曾陷入瓶頸，
國(guó)家卓越工程師、
哈電集團(tuán)首席科學(xué)家覃大清
在一次午餐時(shí)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(shí)現(xiàn)的“射流精準(zhǔn)切割”異曲同工。
他立即拍攝橘子的照片發(fā)送給團(tuán)隊(duì)，
并提出“橘子瓣型水斗”概念。
經(jīng)過三維建模與多輪試驗(yàn)，
比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高3個(gè)百分點(diǎn)。
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(jiān)韌，
又有海納百川的胸懷”，
覃大清在華中科技大學(xué)演講時(shí)說。
為優(yōu)化扎拉轉(zhuǎn)輪的水力性能，
覃大清團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了6輪模型試驗(yàn)，
制造了12個(gè)不同設(shè)計(jì)方向的轉(zhuǎn)輪模型。
在一次關(guān)鍵試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)連續(xù)72小時(shí)駐留實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù)，
他們找到了“黃金夾角”。
從2019年啟動(dòng)扎拉轉(zhuǎn)輪研發(fā)工作以來，
哈電集團(tuán)依托
水力發(fā)電設(shè)備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的
沖擊式水力試驗(yàn)臺(tái)，
以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shì)，
為扎拉水電站沖擊式機(jī)組量身定制了
高性能水斗式轉(zhuǎn)輪的大國(guó)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(jī)組的“卡脖子”難題，
為世界能源裝備技術(shù)發(fā)展
注入了強(qiáng)勁的“中國(guó)動(dòng)力”。
