本報(bào)記者 陳景秋
“1000個(gè)日夜的奮斗，終于邁出了重要的一步——國(guó)產(chǎn)化首臺(tái)150兆瓦大型沖擊式轉(zhuǎn)輪下線?！?月16日，150兆瓦大型沖擊式轉(zhuǎn)輪項(xiàng)目研發(fā)人員、東方電機(jī)研發(fā)中心副主任何啟源在朋友圈感慨道。
當(dāng)天，我國(guó)自主研制的首臺(tái)單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪在四川德陽(yáng)成功下線，標(biāo)志著我國(guó)高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組關(guān)鍵核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的歷史性突破。創(chuàng)新的背后有哪些鮮為人知的知識(shí)產(chǎn)權(quán)故事？
大轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有
沖擊式水輪機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)型之一，其中，轉(zhuǎn)輪被視為機(jī)組的“心臟”，是攻堅(jiān)克難的關(guān)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(shù)一直掌握在外國(guó)少數(shù)廠家手里。
作為電力裝備領(lǐng)域的央企，東方電機(jī)堅(jiān)持面向國(guó)家重大需求，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始了相關(guān)技術(shù)研發(fā)，不過(guò)囿于當(dāng)時(shí)研發(fā)條件以及核心技術(shù)被“卡脖子”，轉(zhuǎn)輪的研發(fā)進(jìn)展緩慢。自2019年開(kāi)始，東方電機(jī)全力組織開(kāi)展高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究，力爭(zhēng)解決“卡脖子”技術(shù)難題。
沖擊式轉(zhuǎn)輪造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一步調(diào)整都非常精細(xì)。使用常規(guī)造型軟件建模，一個(gè)水斗模型搭建耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)2周，為此，提升造型設(shè)計(jì)速度成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)亟待突破的“第一關(guān)”。為了縮短三維造型設(shè)計(jì)時(shí)間，2020年，東方電機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始嘗試自主開(kāi)發(fā)造型軟件，從源頭上解決快速準(zhǔn)確建模難題。原來(lái)耗時(shí)2周的水斗造型設(shè)計(jì)，如今自主開(kāi)發(fā)的造型軟件15分鐘即可完成。
轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難的方向。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證分析了一百多個(gè)方案，優(yōu)化了轉(zhuǎn)輪三維高階復(fù)雜曲面造型，優(yōu)化應(yīng)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(gòu)設(shè)計(jì)方面的難題。
功夫不負(fù)有心人，今年5月16日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)150兆瓦大型沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在四川德陽(yáng)成功下線，標(biāo)志著我國(guó)沖擊式水輪機(jī)核心部件實(shí)現(xiàn)了“零”的突破。依托150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目，東方電氣沖擊式轉(zhuǎn)輪水力開(kāi)發(fā)、造型設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)了完全自主化，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。
“能夠參與這種重大項(xiàng)目，是我輩青年的榮幸，見(jiàn)證轉(zhuǎn)輪下線，令我感到無(wú)比驕傲和自豪，這也更加激勵(lì)我們加快關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，為大國(guó)重器研制奉獻(xiàn)更多青春力量。”東方電機(jī)焊接工藝高級(jí)工程師金寶表示。
核心專(zhuān)利是底氣
在東方電機(jī)水力試驗(yàn)臺(tái)的陳列架上，并排放置著7個(gè)外形相似的沖擊式機(jī)組轉(zhuǎn)輪模型，它們從100余個(gè)設(shè)計(jì)方案中脫穎而出，其中近30件專(zhuān)利證書(shū)成為150兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪國(guó)產(chǎn)化最直接的印證。
“一種沖擊式水輪機(jī)水斗根部造型方法”“一種沖擊式水輪機(jī)水斗固有頻率調(diào)整方法及結(jié)構(gòu)”……沖擊式機(jī)組轉(zhuǎn)輪是機(jī)組能量轉(zhuǎn)換最核心的部件，也是受力情況最復(fù)雜的部件。轉(zhuǎn)輪受到的載荷具有明顯的沖擊特性，對(duì)轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度、動(dòng)力特性、動(dòng)應(yīng)力控制都提出了更高的要求。
“我們每一步都是摸著石頭過(guò)河，一步一步試出來(lái)的。”東方電機(jī)研發(fā)中心強(qiáng)度設(shè)計(jì)高級(jí)工程師周俊鵬說(shuō)起這些專(zhuān)利背后的故事，如數(shù)家珍。由于沒(méi)有設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)，在初始設(shè)計(jì)方案中，國(guó)產(chǎn)化新轉(zhuǎn)輪的造型設(shè)計(jì)盡量和國(guó)外轉(zhuǎn)輪保持相似。通過(guò)仿真分析，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，新轉(zhuǎn)輪的固有頻率和國(guó)外轉(zhuǎn)輪相差不大，但受力最為復(fù)雜的水斗根部動(dòng)應(yīng)力水平相對(duì)較高，與前期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，不符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。
研發(fā)設(shè)計(jì)從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的，從無(wú)到有、從“0”到“1”的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)尤甚。主研人員早已做好了反復(fù)失敗的心理準(zhǔn)備，但是在經(jīng)過(guò)多輪次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，動(dòng)應(yīng)力水平仍然沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。
“新轉(zhuǎn)輪的工期緊張，每個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)都是經(jīng)過(guò)多次討論確定下來(lái)的，上道工序的完成情況直接影響下道工序的推進(jìn)，甚至影響整個(gè)工期。眼看時(shí)間節(jié)點(diǎn)越來(lái)越近，我們真是心急如焚?！敝芸※i說(shuō)。
靈感的噴涌，源自于無(wú)數(shù)次探索的積累。經(jīng)過(guò)上百次的方案優(yōu)化后，終于在一次綜合評(píng)審會(huì)議上，主研人員反復(fù)討論，決定打破國(guó)外設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真分析。數(shù)據(jù)顯示，新轉(zhuǎn)輪水斗根部的動(dòng)應(yīng)力水平降幅明顯，應(yīng)力分布更加均勻，動(dòng)應(yīng)力水平及錯(cuò)頻裕度都達(dá)到了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(gè)結(jié)果，新轉(zhuǎn)輪研發(fā)終于進(jìn)入下一階段?！敝芸※i笑著說(shuō)。
成果不是終點(diǎn)是起點(diǎn)
2022年11月，150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪水力模型通過(guò)驗(yàn)收；2023年5月，150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪成功下線……東方電機(jī)水力設(shè)計(jì)工程師謝可為是親歷者和見(jiàn)證者?！翱吹睫D(zhuǎn)輪下線，就像看到小鳥(niǎo)破殼而出、展翅高飛，心中非常激動(dòng)和自豪！”
“國(guó)產(chǎn)化新轉(zhuǎn)輪的成功研制只是向沖擊式機(jī)組邁出的一小步，沖擊式機(jī)組還有很多未知的問(wèn)題等待探索。我們將以此為起點(diǎn)，不斷增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為后續(xù)機(jī)組的研制貢獻(xiàn)自己的力量?！敝芸※i表示。
“服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，是央企必須承擔(dān)的責(zé)任與使命?！睎|方電機(jī)專(zhuān)業(yè)總師馮濤堅(jiān)定地說(shuō)，“150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪的下線，不是終點(diǎn)，而是起點(diǎn)，它使我們邁向更高水平、更大目標(biāo)的步伐更堅(jiān)定、更穩(wěn)定?！睎|方電氣將以此為契機(jī)，進(jìn)一步加強(qiáng)聯(lián)合創(chuàng)新，攜手國(guó)內(nèi)能源企業(yè)，共同推進(jìn)具有世界影響力的500兆瓦沖擊式水電機(jī)組工程示范應(yīng)用，接續(xù)開(kāi)展700至1000兆瓦級(jí)高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組研制，而這背后，專(zhuān)利必將發(fā)揮更重要的作用。
