本報記者 陳景秋
“1000個日夜的奮斗，終于邁出了重要的一步——國產化首臺150兆瓦大型沖擊式轉輪下線。”5月16日，150兆瓦大型沖擊式轉輪項目研發人員、東方電機研發中心副主任何啟源在朋友圈感慨道。
當天，我國自主研制的首臺單機容量最大功率150兆瓦級大型沖擊式轉輪在四川德陽成功下線，標志著我國高水頭大容量沖擊式水電機組關鍵核心技術國產化實現從無到有的歷史性突破。創新的背后有哪些鮮為人知的知識產權故事？
大轉輪實現從無到有
沖擊式水輪機是應用最為廣泛的機型之一，其中，轉輪被視為機組的“心臟”，是攻堅克難的關鍵所在。由于轉輪可靠性要求極高、制造難度大，此前，核心技術一直掌握在外國少數廠家手里。
作為電力裝備領域的央企，東方電機堅持面向國家重大需求，從上世紀80年代開始了相關技術研發，不過囿于當時研發條件以及核心技術被“卡脖子”，轉輪的研發進展緩慢。自2019年開始，東方電機全力組織開展高水頭大容量沖擊式水電機組關鍵技術研究，力爭解決“卡脖子”技術難題。
沖擊式轉輪造型獨特，結構復雜，每一步調整都非常精細。使用常規造型軟件建模，一個水斗模型搭建耗時長達2周，為此，提升造型設計速度成為研發團隊亟待突破的“第一關”。為了縮短三維造型設計時間，2020年，東方電機研發團隊開始嘗試自主開發造型軟件，從源頭上解決快速準確建模難題。原來耗時2周的水斗造型設計，如今自主開發的造型軟件15分鐘即可完成。
轉輪的結構設計也是團隊攻堅克難的方向。設計團隊驗證分析了一百多個方案，優化了轉輪三維高階復雜曲面造型，優化應力分布，確保轉輪循環疲勞壽命不低于15億次，轉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輪結構設計方面的難題。
功夫不負有心人，今年5月16日，國內首臺150兆瓦大型沖擊式水輪機轉輪在四川德陽成功下線，標志著我國沖擊式水輪機核心部件實現了“零”的突破。依托150兆瓦級大型沖擊式轉輪國產化項目，東方電氣沖擊式轉輪水力開發、造型設計等實現了完全自主化，填補了多項國內技術空白。
“能夠參與這種重大項目，是我輩青年的榮幸，見證轉輪下線，令我感到無比驕傲和自豪，這也更加激勵我們加快關鍵核心技術研發，為大國重器研制奉獻更多青春力量。”東方電機焊接工藝高級工程師金寶表示。
核心專利是底氣
在東方電機水力試驗臺的陳列架上，并排放置著7個外形相似的沖擊式機組轉輪模型，它們從100余個設計方案中脫穎而出，其中近30件專利證書成為150兆瓦沖擊式轉輪國產化最直接的印證。
“一種沖擊式水輪機水斗根部造型方法”“一種沖擊式水輪機水斗固有頻率調整方法及結構”……沖擊式機組轉輪是機組能量轉換最核心的部件，也是受力情況最復雜的部件。轉輪受到的載荷具有明顯的沖擊特性，對轉輪的剛強度、動力特性、動應力控制都提出了更高的要求。
“我們每一步都是摸著石頭過河，一步一步試出來的。”東方電機研發中心強度設計高級工程師周俊鵬說起這些專利背后的故事，如數家珍。由于沒有設計制造的經驗，在初始設計方案中，國產化新轉輪的造型設計盡量和國外轉輪保持相似。通過仿真分析，研發團隊發現，新轉輪的固有頻率和國外轉輪相差不大，但受力最為復雜的水斗根部動應力水平相對較高，與前期的試驗數據相差較大，不符合產品的標準要求。
研發設計從來都不是一帆風順的，從無到有、從“0”到“1”的國產化研發尤甚。主研人員早已做好了反復失敗的心理準備，但是在經過多輪次的結構優化后，動應力水平仍然沒有達到預期。
“新轉輪的工期緊張，每個重要的時間節點都是經過多次討論確定下來的，上道工序的完成情況直接影響下道工序的推進，甚至影響整個工期。眼看時間節點越來越近，我們真是心急如焚。”周俊鵬說。
靈感的噴涌，源自于無數次探索的積累。經過上百次的方案優化后，終于在一次綜合評審會議上，主研人員反復討論，決定打破國外設計思維，大膽提出一種新的水斗根部造型方法及水斗背部的設計方案。
新的造型思路是否可行？懷著緊張與期待，主研人員立即進行了仿真分析。數據顯示，新轉輪水斗根部的動應力水平降幅明顯，應力分布更加均勻，動應力水平及錯頻裕度都達到了產品標準要求。“那一刻我們感到前所未有的輕松，大半年的努力付出終于有了一個結果，新轉輪研發終于進入下一階段。”周俊鵬笑著說。
成果不是終點是起點
2022年11月，150兆瓦級大型沖擊式轉輪水力模型通過驗收；2023年5月，150兆瓦級大型沖擊式轉輪成功下線……東方電機水力設計工程師謝可為是親歷者和見證者。“看到轉輪下線，就像看到小鳥破殼而出、展翅高飛，心中非常激動和自豪！”
“國產化新轉輪的成功研制只是向沖擊式機組邁出的一小步，沖擊式機組還有很多未知的問題等待探索。我們將以此為起點，不斷增強專業素養，為后續機組的研制貢獻自己的力量。”周俊鵬表示。
“服務國家戰略，是央企必須承擔的責任與使命。”東方電機專業總師馮濤堅定地說，“150兆瓦級大型沖擊式轉輪的下線，不是終點，而是起點，它使我們邁向更高水平、更大目標的步伐更堅定、更穩定。”東方電氣將以此為契機，進一步加強聯合創新，攜手國內能源企業，共同推進具有世界影響力的500兆瓦沖擊式水電機組工程示范應用，接續開展700至1000兆瓦級高水頭大容量沖擊式水電機組研制，而這背后，專利必將發揮更重要的作用。
