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图①：我国首台国產(chǎn)化150兆瓦级大型冲击式转(zhuǎn)轮。
图②：智能冲击式水轮机(jī)模型试验台装置。
图③：机(jī)械臂正在对500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮的中心体锻件进(jìn)行电弧增材作业(yè)。
王珍 摄
图④：冲击式转(zhuǎn)轮机(jī)加工作业(yè)。
（图①②④由东方电气集团(tuán)提供）
成都平原东北部，坐落著一座歷史悠久的文化名城——四川德阳。这里是古蜀文明之源，也是现(xiàn)代装备智造之都。
作为中国重大技术(shù)装备制造业(yè)基地、联(lián)合国清洁能源技术(shù)与再生资源装备制造业(yè)示范城市，这里的发(fā)电设(shè)备產(chǎn)量居世界第一，同时也创(chuàng)造了诸多“中国第一”和“世界之最”。白鹤滩百万千瓦水电机(jī)组、三峡工程的“中国心”、“华龙一號”核电机(jī)组的重要部件、被誉为我国“爭气机(jī)”的首台国產(chǎn)F级50兆瓦重型燃?xì)廨启C(jī)等一批“国之重器”均诞生于此。
记者跟隨“走进(jìn)新国企·打卡新坐標(biāo)”采访团(tuán)来到这座“重装之城”，走进(jìn)素有“中华第一跨”之称的东方电气集团(tuán)东方电机(jī)有限公司清洁能源装备重型制造数(shù)字化车间，探访世界首台500兆瓦冲击式水电机(jī)组研制，现(xiàn)场感受如何用绣花功夫锻造“钢筋铁骨”。
1智能制造，大圆环(huán)“长”出水斗型“花瓣”
德阳城区(qū)，绵远(yuǎn)河畔，便是东方电机(jī)的厂址所在。
走进(jìn)厂区(qū)大门，右手边的第一幢建筑，就是“中华第一跨”重跨厂房——东方电机(jī)清洁能源装备重型制造数(shù)字化车间。
这个长约400米、宽36米、高33米的厂房，始建于上个世纪(jì)90年代，云集了一批中国乃至世界一流的加工设(shè)备。之所以被称为“中华第一跨”，在于其超大的规(guī)模和超强(qiáng)的制造能力。
“在这里研制的发(fā)电装备约占全国总装机(jī)容量的四分之一。”东方电机(jī)数(shù)智部副部长蒋彦坤告诉记者。这意味著，我国每4度电中就有1度来自这里生產(chǎn)的装备。
走进(jìn)“中华第一跨”，吊臂穿梭，焊花四溅，机(jī)器轰鸣，车间內(nèi)一片繁忙，又井然有序。与记者想象中制造车间“人声鼎沸”的场景不同，放眼望去，偌大的车间中可以看到的生產(chǎn)工人屈指可数(shù)。
顺著一侧(cè)的步道往里走。在其中一个生產(chǎn)模块內(nèi)，记者看到，3台机(jī)械臂正在对一个直径约5米、高约1米的大圆环(huán)上表面进(jìn)行焊接作业(yè)。
这个看起来普普通通的圆环(huán)实则并不普通：不仅块头大，分量也很“重”，是世界首台500兆瓦冲击式水电机(jī)组的“心臟”——转(zhuǎn)轮的中心体锻件。而这台发(fā)电机(jī)组將用于具有高水头（水位落差）、大容量、高海拔等特点的西藏玉曲河扎拉水电站项目，也是目前世界在建综合难度最大的冲击式水电项目?！斑@也意味著我国水电设(shè)备设(shè)计制造水平再攀高峰?！睎|方电气集团(tuán)有关(guān)负(fù)责(zé)同志表示。
今年8月，这个转(zhuǎn)轮中心体锻件全面通过验收，实现(xiàn)了500兆瓦高水头大容量冲击式水电机(jī)组研制的里程碑突破。后续(xù)经(jīng)过尾翼激光增材、尾翼电弧增材、数(shù)控加工、外部水斗焊接等一系列程序后，將制造出一个直径6.2米、重约90吨的大转(zhuǎn)轮。
为便于记者理解，东方电机(jī)焊接工艺高级工程师金宝打开手机(jī)里的一段视频。视频以3D动画的形式介绍了冲击式转(zhuǎn)轮的整个制造过程。“目前，机(jī)械臂正在进(jìn)行的就是尾翼电弧增材，也就是我们平时说的3D打印。”金宝告诉记者，“打印”完成后，大圆环(huán)就会“长”出一片片水斗型“花瓣”，而这道程序通常被他们称为“铁臂绣花”。
“‘铁臂’就是指机(jī)器人的机(jī)械臂，‘绣花’则是指精细(xì)化焊接?！苯饘氝M(jìn)一步解释道，机(jī)械臂每焊接一层大约有3毫米厚，大圆环(huán)上下面分別要“长高”近300毫米，总体增材將达(dá)6.2吨。
而这整个过程都可远(yuǎn)程操控，实现(xiàn)多机(jī)器人无人值守作业(yè)。金宝打开重型加工协(xié)同控制中心的机(jī)器人增材制造远(yuǎn)程发(fā)送系统(tǒng)，记者看到，焊接速度、焊接姿態(tài)角等参数(shù)均可在系统(tǒng)中完成设(shè)置，并发(fā)送操作指令。
“焊接技术(shù)与5G、自动化控制、物联(lián)网(wǎng)等技术(shù)融合，高度適用于冲击式转(zhuǎn)轮外部水斗復(fù)杂型面结(jié)构(gòu)部件的制造，能够?qū)崿F(xiàn)定制化设(shè)计和制造的‘近凈成形’，也就是‘所焊即所得’?！苯饘毟嬖V记者，使用这一技术(shù)，不仅降低了锻坯制造难度，还提高了材料利用率，开创(chuàng)了行业(yè)先例。
不仅是冲击式转(zhuǎn)轮的制造，在“中华第一跨”的不同生產(chǎn)模块，都能看到机(jī)器人的身影。
“在这里，我们打造了一个机(jī)器人智能焊接集群，实现(xiàn)了焊接过程中的集群控制、数(shù)据(jù)驱(qū)动?！苯饘毥榻B。目前，该车间的机(jī)器人智能焊接集群已广泛应(yīng)用于实际生產(chǎn)，完成了白鹤滩等重大项目核心部件的焊接，且焊接质(zhì)量优(yōu)异。
不仅如此，该车间的重型机(jī)加控制还实现(xiàn)了数(shù)字孪生功能，机(jī)台操作者可以通过现(xiàn)场终端完成开工、报工、质(zhì)检、图纸技术(shù)资料查阅、起吊呼叫、刀具配送呼叫等作业(yè)环(huán)节(jié)。水轮机(jī)实现(xiàn)数(shù)字化装配，上面掉一根头发(fā)丝都能被识別出来，装配效率提升了4倍……而这些技术(shù)后期也將应(yīng)用于500兆瓦冲击式水电机(jī)组的加工装配。
2精雕细(xì)琢，確保转(zhuǎn)轮循环(huán)疲劳寿命不低于150亿次
从制造到智造，数(shù)字化改造升级不仅大幅改善了工人的工作环(huán)境，还提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品质(zhì)量，將制造水平推向了新的高度。
数(shù)据(jù)最具说服力。以500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮的加工精度为例，记者了解到，常规(guī)情况下，加工如此大尺寸的转(zhuǎn)轮，精度可能达(dá)到8毫米；而机(jī)器人电弧增材的加工精度提高到了2毫米，激光增材的加工精度更高，可小于1毫米。精益求精，转(zhuǎn)轮经(jīng)纳米化处理后，其表面加工光洁度则可达(dá)到0.2微米，而一根头发(fā)丝的直径就有六七十微米。
“这样的加工精度是机(jī)械制造行业(yè)的最优(yōu)水平?！睒I(yè)內(nèi)人士介绍。在500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮中心体锻件的一旁，记者看到了一组“花瓣”——冲击式转(zhuǎn)轮的水斗，表面光洁度达(dá)到了镜面效果。
不过，于世界首台500兆瓦冲击式水电机(jī)组而言，其“精”不仅仅体现(xiàn)在制造工艺上，更体现(xiàn)在核心技术(shù)、结(jié)构(gòu)设(shè)计上。
熊建军，东方电机(jī)水轮机(jī)设(shè)计工程师，从事水轮机(jī)设(shè)计工作20年，一大半时间都在研究冲击式水轮机(jī)，深知其难。虽然500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮目前已经(jīng)进(jìn)入进(jìn)一步制造加工阶段，但他和同事们针对该机(jī)组各部件的验证优(yōu)化仍在进(jìn)行中。在智能冲击式水轮机(jī)模型试验台，记者看到工作人员正在开展相关(guān)试验。
“不到最后一刻，优(yōu)化就不会止步。”熊建军告诉记者，扎拉水电站项目是藏东南清洁能源一体化基地核心电站，也是现(xiàn)阶段国內(nèi)唯一可开展500兆瓦级高水头大容量冲击式机(jī)组研制及应(yīng)用示范的水电项目，对实现(xiàn)国家能源安全和“藏电外送”能源发(fā)展战(zhàn)略意义重大。但扎拉水电站水头高、海拔高、温差高、地震带和断裂带多，这些特点对水轮机(jī)尤其是转(zhuǎn)轮的材料选用、结(jié)构(gòu)设(shè)计、生產(chǎn)工艺，提出极高的要求。
记者了解到，冲击式水轮机(jī)是通过高速射流冲击水斗带动转(zhuǎn)轮发(fā)电，转(zhuǎn)轮內(nèi)，类似“导(dǎo)水机(jī)构(gòu)”的部件被几个“喷嘴”代替。由于水头高，从“喷嘴”喷出的水流流速大，对转(zhuǎn)轮的冲击力也大。加之水流流速多变、泥沙冲击等因素，对转(zhuǎn)轮的要求更高。
“扎拉水电站水头近700米，水流转(zhuǎn)换速度约120米/秒?！毙芙ㄜ娬f。这意味著，每一次水流冲击水斗產(chǎn)生的能量，大约相当(dāng)于一辆1.5吨的汽车以450公里的时速撞击產(chǎn)生的能量，而每个水斗至少要承受150亿次这样的撞击。任何细(xì)微的內(nèi)部型线调(diào)整，都会对转(zhuǎn)轮的抗变形、抗断裂、抗泥沙磨蚀性能带来影响。
如何在如此高强(qiáng)度的水流冲击下保持稳(wěn)定？攻关(guān)团(tuán)队从设(shè)计之初就创(chuàng)新应(yīng)用了由东方电机(jī)自主开发(fā)的具有完全知识產(chǎn)权(quán)的水斗三维造型设(shè)计软件，采用先进(jìn)的仿真分析方法，并通过高精度智能化的模型试验台进(jìn)行验证，大大推进(jìn)了水力设(shè)计优(yōu)化的进(jìn)程。
“对比验证了100多个方案，终于造就了500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮的‘钢筋铁骨’?！毙芙ㄜ娊榻B。转(zhuǎn)轮采用基于低应(yīng)力分布的分瓣方式，同时优(yōu)化了转(zhuǎn)轮三维高阶復(fù)杂曲面造型，加上高质(zhì)量焊接和高精度数(shù)控加工工艺、激光熔覆、表面纳米化改性技术(shù)的应(yīng)用，有效提升了转(zhuǎn)轮抗泥沙磨蚀性能，增强(qiáng)了转(zhuǎn)轮抗变形、抗断裂的能力，可確保转(zhuǎn)轮循环(huán)疲劳寿命不低于150亿次。
3探索创(chuàng)新，给大型冲击式水电机(jī)组装上“中国心”
最近，金宝和同事们一起来到四川雅安田湾河流域金窝水电站。今年6月初，500兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮的“缩小版”——国內(nèi)首台自主研发(fā)的单机(jī)容量最大功率150兆瓦级大型冲击式转(zhuǎn)轮正式在这里投用，给150兆瓦级大型冲击式水电机(jī)组装上了“中国心”。
他们此行的目的就是去看看这台“中国心”的水力效率、泥沙磨蚀情况等，为高水头大容量巨型冲击式水电机(jī)组的研制提供数(shù)据(jù)参考。
记者了解到，水电机(jī)组种类很多，包括混流式、轴流式、抽水蓄能式、贯流式、冲击式等。其中，混流式水轮机(jī)最为常见，我国著名的三峡、白鹤滩、溪洛渡水电站使用的都是混流式水轮机(jī)，最大单机(jī)容量高达(dá)百万千瓦（1000兆瓦）。冲击式水电机(jī)组是服务(wù)国家“加快西南水电基地建设(shè)”重大战(zhàn)略需求的主力机(jī)型，但受应(yīng)用市场缺乏等因素影响，我国冲击式水电机(jī)组一些关(guān)键核心技术(shù)还存在“卡脖子”问题。
“转(zhuǎn)轮的优(yōu)化设(shè)计是第一个需要攻克的难题?！毙芙ㄜ娬f，转(zhuǎn)轮是水电机(jī)组最核心的部件，被誉为水电机(jī)组的“心臟”。
关(guān)键核心技术(shù)是要不来、买不来、討不来的。如何在冲击式领(lǐng)域闯出一片天？我国科研人员一直在探索攻关(guān)。针对高水头大容量巨型冲击式水轮机(jī)研制，东方电机(jī)联(lián)合科研院所、上下游企业(yè)，针对涉及水力、电机(jī)、工艺等方面的70多项课题开展联(lián)合技术(shù)攻关(guān)，踏上了攀登冲击式水电装备技术(shù)新高峰的征程。
记者了解到，150兆瓦级大型冲击式转(zhuǎn)轮在金窝水电站实现(xiàn)工程应(yīng)用，为接续(xù)开展更高水头更大容量冲击式转(zhuǎn)轮的研制工作奠定了良好基础(chǔ)。500兆瓦级巨型冲击式转(zhuǎn)轮研制当(dāng)前也已取得重大阶段性成果。
不过，容量的增加，带来的并不是简单的等比例难度递增。“我们从150兆瓦到500兆瓦，再到更高水头更大容量，是‘越级跳’，每一‘跳’的难度都非常大?！毙芙ㄜ娊榻B。以锻件的体积和重量为例，150兆瓦冲击式转(zhuǎn)轮整体只有20多吨，而500兆瓦的冲击式转(zhuǎn)轮將达(dá)约90吨，更大容量的冲击式转(zhuǎn)轮也將更大更重?！斑@对材料的选用和锻造工艺制定、结(jié)构(gòu)设(shè)计等提出了挑战(zhàn)，最好的办法就是继续(xù)推进(jìn)技术(shù)创(chuàng)新?！?/p>
“路虽远(yuǎn)，行则將至；事虽难，做则必成。我们有信心！”从无到有、从有到优(yōu)、从优(yōu)到强(qiáng)……中国水电人用实际行动推动更多关(guān)键核心技术(shù)取得新突破，不断攀登水电装备技术(shù)新高峰，持续(xù)为经(jīng)济(jì)社会发(fā)展全面绿色转(zhuǎn)型助力赋能。
