□文/攝 王學善 魏子添 本報記者 李愛民
7月2日，凝聚中國水電裝備頂尖智慧的全球首臺單機容量最大500兆瓦、轉輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機核心部件——轉輪，由哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱哈電電機）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域實現(xiàn)歷史性突破。
這一“大國重器”的誕生，不僅刷新了沖擊式水輪機單機容量與轉輪尺寸的世界紀錄，更如利刃破冰，即將一舉突破高水頭、大容量沖擊式機組技術的長期“封印”，實現(xiàn)我國沖擊式水電機組從跟跑到領跑跨越，并使我國水電裝備制造站上新“世界高度”，去迎接即將全面領先世界這一歷史性時刻的到來。
全球首臺單機容量最大沖擊式轉輪。
深耕創(chuàng)新 傳承與突破“雙向奔赴”
采訪中記者了解到，該轉輪將應用于西藏扎拉水電站。扎拉水電站由大唐西藏能源開發(fā)有限公司建設，是國家“藏電外送”骨干工程和世界在建綜合難度最大的沖擊式水電項目，電站裝機兩臺全球單機容量最大、技術難度最高的500兆瓦沖擊式機組。該機組作為國家能源局能源領域首臺（套）重大技術裝備項目，具有高海拔、高水頭、大容量等技術特點，是服務國家“加快西南水電基地建設”戰(zhàn)略的主力機型。
“四年來，我們在白鶴灘水電站的技術基礎上持續(xù)深耕水電領域，不斷探索創(chuàng)新，今天成功研制扎拉水電站機組就是最好的實證。”哈電集團首席科學家覃大清表示，隨著我國水能開發(fā)戰(zhàn)略逐步西移，水電站建設將面臨前所未有的技術挑戰(zhàn)。
“扎拉機組單機容量為500兆瓦，被行業(yè)稱為沖擊式的‘白鶴灘’，但與白鶴灘反擊式機組相比，扎拉的落差更大，需要采用沖擊式這種特殊機型，開發(fā)難度更高。該項目首先面臨的是極限制造問題。如轉輪厚度達1.1米，鍛件制造均達到行業(yè)極限。運輸也是一大難題。最初的設計方案無法直接將重80噸、直徑6.23米的轉輪從哈爾濱運至扎拉電站。我們創(chuàng)新性地調整了運輸策略，使轉輪在運輸過程中可變換姿態(tài)，巧妙地避開了運輸中的極限‘卡脖子’位置，從而省去在項目地建設廠房進行加工制造的成本，同時保證了工期和質量?！瘪笄甯锌?，扎拉機組的設計與研發(fā)、制造均屬前所未有，其成功不僅創(chuàng)造了世界紀錄，更為未來我國重大水電工程的開發(fā)建設和水電裝備制造業(yè)水平的提升準備好了攀登的“天梯”，在高端化、智能化的加持下，我國水電事業(yè)即將迎來一個高質量高速發(fā)展的新時代。
操作者裝焊轉輪水斗。
自主攻堅 尺寸與性能“雙突破”
沖擊式水輪機的水斗式轉輪作為機組核心部件，承擔著將水流動能轉化為機械能的關鍵作用，堪稱水電機組的“心臟”。哈電電機黨委書記、董事長王貴介紹，作為國內沖擊式機組研制的開拓者，哈電電機憑借數(shù)十年的技術積淀，先后參與研制了東川電站、秘魯圣加旺等國內外30座電站67臺套機組，形成了獨具特色的研發(fā)制造體系。從水力開發(fā)到模型試驗，從結構設計到加工制造，哈電在沖擊式機組各環(huán)節(jié)積累了豐富的工程實踐經驗。
扎拉轉輪對結構參數(shù)、水力性能及制造工藝的要求極高，代表著當前沖擊式水電機組的最前沿技術水平。哈電電機為扎拉沖擊式機組量身定制了高性能水斗式轉輪。該轉輪由21個精密水斗構成，外徑達6.23米、整輪高度1.34米、重量約80噸。其核心部件——輪轂鍛件，是目前世界最大的馬氏體不銹鋼鍛件。這些突破性參數(shù)標志著該轉輪在水力性能、高效運行區(qū)間和承壓能力方面均實現(xiàn)行業(yè)顛覆性提升。
作為世界水電技術的巔峰之作，該轉輪的研發(fā)過程堪稱系統(tǒng)工程創(chuàng)新的典范。哈電電機科研團隊從機組安全與性能等維度出發(fā)，綜合考量水斗與噴嘴的精密匹配、射流直徑與效率的一致性、射流與水斗的相互作用、多噴嘴相鄰射流的干涉效應，以及水斗的剛強度指標等，依托水力發(fā)電設備全國重點實驗室的沖擊式水力試驗臺，創(chuàng)新性地將計算流體力學流動分析、高速攝影與流態(tài)觀測技術融合，通過持續(xù)優(yōu)化，最終實現(xiàn)了過流參數(shù)的極致化設計。
整個研發(fā)過程歷時4年，經歷5次評審。研發(fā)團隊對百余種方案進行系統(tǒng)論證，制造了6個不同設計方向的觀測轉輪和6個性能試驗模型轉輪，經高精度沖擊試驗臺驗證，其最優(yōu)效率和加權平均效率均刷新世界紀錄，為機組安全高效穩(wěn)定運行提供了堅實保障。
制造登峰 科技與智造“雙驅動”
哈電電機針對扎拉轉輪500兆瓦級大型鍛焊結構的特殊要求，統(tǒng)籌最優(yōu)資源，嚴格執(zhí)行質量管控體系，在結構設計、材料制備、焊接工藝及精密加工等關鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)全面突破。
哈電電機組織聯(lián)合攻關，采取“化整為零、分散式加工”策略，優(yōu)化數(shù)控程序，從38萬條精簡至27萬條，并提升車序效率21%、鏜序效率27%。面對超大尺寸帶來的應力挑戰(zhàn)，團隊運用數(shù)字仿真技術指導模鍛研究，創(chuàng)新采用鍛焊結合結構，精準設計分瓣位置以避開水斗高應力區(qū)。
焊接環(huán)節(jié)采用三維檢測模擬、焊機群控系統(tǒng)等數(shù)字化手段，實現(xiàn)全程監(jiān)控，優(yōu)化工藝參數(shù)，提升接頭沖擊韌性及耐疲勞性能。同時，構建“7序14檢”全生命周期檢測體系，形成“實體檢測+數(shù)字仿真”雙保障體系，實現(xiàn)焊后尺寸、應力、硬度測試一次合格，探傷合格率達98.04%，確保長期運行可靠性。
加工團隊利用多軸數(shù)控機床，在狹小空間內攻克大深度、多曲面的復雜加工難題，確保轉輪的水斗內型面加工符合精品標準。通過數(shù)字編程、三維掃描儀與攝影測量系統(tǒng)、大型水斗在位檢測技術，實現(xiàn)加工過程實時監(jiān)控與動態(tài)優(yōu)化，為全球最大容量、最大尺寸沖擊式轉輪的研制提供加工保障。
哈電電機成功突破水力設計、材料制備、巨型鍛件、復雜焊接、精密加工、質量管控等全鏈條上的世界級難題，不僅標志著我國水電裝備研制站穩(wěn)世界之巔，更打破了高水頭大容量沖擊式機組的“卡脖子”困境，為世界能源裝備技術發(fā)展注入了強勁的“中國動力”。