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圖①：我國首臺國產化150兆瓦級大型沖擊式轉輪。
圖②：智能沖擊式水輪機模型試驗臺裝置。
圖③：機械臂正在對500兆瓦沖擊式轉輪的中心體鍛件進行電弧增材作業。
王珍 攝
圖④：沖擊式轉輪機加工作業。
（圖①②④由東方電氣集團提供）
成都平原東北部，坐落著一座歷史悠久的文化名城——四川德陽。這里是古蜀文明之源，也是現代裝備智造之都。
作為中國重大技術裝備制造業基地、聯合國清潔能源技術與再生資源裝備制造業示范城市，這里的發電設備產量居世界第一，同時也創造了諸多“中國第一”和“世界之最”。白鶴灘百萬千瓦水電機組、三峽工程的“中國心”、“華龍一號”核電機組的重要部件、被譽為我國“爭氣機”的首臺國產F級50兆瓦重型燃氣輪機等一批“國之重器”均誕生于此。
記者跟隨“走進新國企·打卡新坐標”采訪團來到這座“重裝之城”，走進素有“中華第一跨”之稱的東方電氣集團東方電機有限公司清潔能源裝備重型制造數字化車間，探訪世界首臺500兆瓦沖擊式水電機組研制，現場感受如何用繡花功夫鍛造“鋼筋鐵骨”。
1智能制造，大圓環“長”出水斗型“花瓣”
德陽城區，綿遠河畔，便是東方電機的廠址所在。
走進廠區大門，右手邊的第一幢建筑，就是“中華第一跨”重跨廠房——東方電機清潔能源裝備重型制造數字化車間。
這個長約400米、寬36米、高33米的廠房，始建于上個世紀90年代，云集了一批中國乃至世界一流的加工設備。之所以被稱為“中華第一跨”，在于其超大的規模和超強的制造能力。
“在這里研制的發電裝備約占全國總裝機容量的四分之一。”東方電機數智部副部長蔣彥坤告訴記者。這意味著，我國每4度電中就有1度來自這里生產的裝備。
走進“中華第一跨”，吊臂穿梭，焊花四濺，機器轟鳴，車間內一片繁忙，又井然有序。與記者想象中制造車間“人聲鼎沸”的場景不同，放眼望去，偌大的車間中可以看到的生產工人屈指可數。
順著一側的步道往里走。在其中一個生產模塊內，記者看到，3臺機械臂正在對一個直徑約5米、高約1米的大圓環上表面進行焊接作業。
這個看起來普普通通的圓環實則并不普通：不僅塊頭大，分量也很“重”，是世界首臺500兆瓦沖擊式水電機組的“心臟”——轉輪的中心體鍛件。而這臺發電機組將用于具有高水頭（水位落差）、大容量、高海拔等特點的西藏玉曲河扎拉水電站項目，也是目前世界在建綜合難度最大的沖擊式水電項目。“這也意味著我國水電設備設計制造水平再攀高峰。”東方電氣集團有關負責同志表示。
今年8月，這個轉輪中心體鍛件全面通過驗收，實現了500兆瓦高水頭大容量沖擊式水電機組研制的里程碑突破。后續經過尾翼激光增材、尾翼電弧增材、數控加工、外部水斗焊接等一系列程序后，將制造出一個直徑6.2米、重約90噸的大轉輪。
為便于記者理解，東方電機焊接工藝高級工程師金寶打開手機里的一段視頻。視頻以3D動畫的形式介紹了沖擊式轉輪的整個制造過程。“目前，機械臂正在進行的就是尾翼電弧增材，也就是我們平時說的3D打印。”金寶告訴記者，“打印”完成后，大圓環就會“長”出一片片水斗型“花瓣”，而這道程序通常被他們稱為“鐵臂繡花”。
“‘鐵臂’就是指機器人的機械臂，‘繡花’則是指精細化焊接。”金寶進一步解釋道，機械臂每焊接一層大約有3毫米厚，大圓環上下面分別要“長高”近300毫米，總體增材將達6.2噸。
而這整個過程都可遠程操控，實現多機器人無人值守作業。金寶打開重型加工協同控制中心的機器人增材制造遠程發送系統，記者看到，焊接速度、焊接姿態角等參數均可在系統中完成設置，并發送操作指令。
“焊接技術與5G、自動化控制、物聯網等技術融合，高度適用于沖擊式轉輪外部水斗復雜型面結構部件的制造，能夠實現定制化設計和制造的‘近凈成形’，也就是‘所焊即所得’。”金寶告訴記者，使用這一技術，不僅降低了鍛坯制造難度，還提高了材料利用率，開創了行業先例。
不僅是沖擊式轉輪的制造，在“中華第一跨”的不同生產模塊，都能看到機器人的身影。
“在這里，我們打造了一個機器人智能焊接集群，實現了焊接過程中的集群控制、數據驅動。”金寶介紹。目前，該車間的機器人智能焊接集群已廣泛應用于實際生產，完成了白鶴灘等重大項目核心部件的焊接，且焊接質量優異。
不僅如此，該車間的重型機加控制還實現了數字孿生功能，機臺操作者可以通過現場終端完成開工、報工、質檢、圖紙技術資料查閱、起吊呼叫、刀具配送呼叫等作業環節。水輪機實現數字化裝配，上面掉一根頭發絲都能被識別出來，裝配效率提升了4倍……而這些技術后期也將應用于500兆瓦沖擊式水電機組的加工裝配。
2精雕細琢，確保轉輪循環疲勞壽命不低于150億次
從制造到智造，數字化改造升級不僅大幅改善了工人的工作環境，還提高了生產效率和產品質量，將制造水平推向了新的高度。
數據最具說服力。以500兆瓦沖擊式轉輪的加工精度為例，記者了解到，常規情況下，加工如此大尺寸的轉輪，精度可能達到8毫米；而機器人電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，轉輪經納米化處理后，其表面加工光潔度則可達到0.2微米，而一根頭發絲的直徑就有六七十微米。
“這樣的加工精度是機械制造行業的最優水平。”業內人士介紹。在500兆瓦沖擊式轉輪中心體鍛件的一旁，記者看到了一組“花瓣”——沖擊式轉輪的水斗，表面光潔度達到了鏡面效果。
不過，于世界首臺500兆瓦沖擊式水電機組而言，其“精”不僅僅體現在制造工藝上，更體現在核心技術、結構設計上。
熊建軍，東方電機水輪機設計工程師，從事水輪機設計工作20年，一大半時間都在研究沖擊式水輪機，深知其難。雖然500兆瓦沖擊式轉輪目前已經進入進一步制造加工階段，但他和同事們針對該機組各部件的驗證優化仍在進行中。在智能沖擊式水輪機模型試驗臺，記者看到工作人員正在開展相關試驗。
“不到最后一刻，優化就不會止步。”熊建軍告訴記者，扎拉水電站項目是藏東南清潔能源一體化基地核心電站，也是現階段國內唯一可開展500兆瓦級高水頭大容量沖擊式機組研制及應用示范的水電項目，對實現國家能源安全和“藏電外送”能源發展戰略意義重大。但扎拉水電站水頭高、海拔高、溫差高、地震帶和斷裂帶多，這些特點對水輪機尤其是轉輪的材料選用、結構設計、生產工藝，提出極高的要求。
記者了解到，沖擊式水輪機是通過高速射流沖擊水斗帶動轉輪發電，轉輪內，類似“導水機構”的部件被幾個“噴嘴”代替。由于水頭高，從“噴嘴”噴出的水流流速大，對轉輪的沖擊力也大。加之水流流速多變、泥沙沖擊等因素，對轉輪的要求更高。
“扎拉水電站水頭近700米，水流轉換速度約120米/秒。”熊建軍說。這意味著，每一次水流沖擊水斗產生的能量，大約相當于一輛1.5噸的汽車以450公里的時速撞擊產生的能量，而每個水斗至少要承受150億次這樣的撞擊。任何細微的內部型線調整，都會對轉輪的抗變形、抗斷裂、抗泥沙磨蝕性能帶來影響。
如何在如此高強度的水流沖擊下保持穩定？攻關團隊從設計之初就創新應用了由東方電機自主開發的具有完全知識產權的水斗三維造型設計軟件，采用先進的仿真分析方法，并通過高精度智能化的模型試驗臺進行驗證，大大推進了水力設計優化的進程。
“對比驗證了100多個方案，終于造就了500兆瓦沖擊式轉輪的‘鋼筋鐵骨’。”熊建軍介紹。轉輪采用基于低應力分布的分瓣方式，同時優化了轉輪三維高階復雜曲面造型，加上高質量焊接和高精度數控加工工藝、激光熔覆、表面納米化改性技術的應用，有效提升了轉輪抗泥沙磨蝕性能，增強了轉輪抗變形、抗斷裂的能力，可確保轉輪循環疲勞壽命不低于150億次。
3探索創新，給大型沖擊式水電機組裝上“中國心”
最近，金寶和同事們一起來到四川雅安田灣河流域金窩水電站。今年6月初，500兆瓦沖擊式轉輪的“縮小版”——國內首臺自主研發的單機容量最大功率150兆瓦級大型沖擊式轉輪正式在這里投用，給150兆瓦級大型沖擊式水電機組裝上了“中國心”。
他們此行的目的就是去看看這臺“中國心”的水力效率、泥沙磨蝕情況等，為高水頭大容量巨型沖擊式水電機組的研制提供數據參考。
記者了解到，水電機組種類很多，包括混流式、軸流式、抽水蓄能式、貫流式、沖擊式等。其中，混流式水輪機最為常見，我國著名的三峽、白鶴灘、溪洛渡水電站使用的都是混流式水輪機，最大單機容量高達百萬千瓦（1000兆瓦）。沖擊式水電機組是服務國家“加快西南水電基地建設”重大戰略需求的主力機型，但受應用市場缺乏等因素影響，我國沖擊式水電機組一些關鍵核心技術還存在“卡脖子”問題。
“轉輪的優化設計是第一個需要攻克的難題。”熊建軍說，轉輪是水電機組最核心的部件，被譽為水電機組的“心臟”。
關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。如何在沖擊式領域闖出一片天？我國科研人員一直在探索攻關。針對高水頭大容量巨型沖擊式水輪機研制，東方電機聯合科研院所、上下游企業，針對涉及水力、電機、工藝等方面的70多項課題開展聯合技術攻關，踏上了攀登沖擊式水電裝備技術新高峰的征程。
記者了解到，150兆瓦級大型沖擊式轉輪在金窩水電站實現工程應用，為接續開展更高水頭更大容量沖擊式轉輪的研制工作奠定了良好基礎。500兆瓦級巨型沖擊式轉輪研制當前也已取得重大階段性成果。
不過，容量的增加，帶來的并不是簡單的等比例難度遞增。“我們從150兆瓦到500兆瓦，再到更高水頭更大容量，是‘越級跳’，每一‘跳’的難度都非常大。”熊建軍介紹。以鍛件的體積和重量為例，150兆瓦沖擊式轉輪整體只有20多噸，而500兆瓦的沖擊式轉輪將達約90噸，更大容量的沖擊式轉輪也將更大更重。“這對材料的選用和鍛造工藝制定、結構設計等提出了挑戰，最好的辦法就是繼續推進技術創新。”
“路雖遠，行則將至；事雖難，做則必成。我們有信心！”從無到有、從有到優、從優到強……中國水電人用實際行動推動更多關鍵核心技術取得新突破，不斷攀登水電裝備技術新高峰，持續為經濟社會發展全面綠色轉型助力賦能。
