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——國產(chǎn)化首臺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，我國自主研制的首臺單機(jī)容量最大功率150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪在四川德陽成功下線，標(biāo)志著我國高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組關(guān)鍵核心技術(shù)國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)從無到有的歷史性突破。創(chuàng)新的背后有哪些鮮為人知的知識產(chǎn)權(quán)故事？

大轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)從無到有

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)持面向國家重大需求，從上世紀(jì)80年代開始了相關(guān)技術(shù)研發(fā)，不過囿于當(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年開始，東方電機(jī)全力組織開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)開始嘗試自主開發(fā)造型軟件，從源頭上解決快速準(zhǔn)確建模難題。原來耗時(shí)2周的水斗造型設(shè)計(jì)，如今自主開發(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，國內(nèi)首臺150兆瓦大型沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在四川德陽成功下線，標(biāo)志著我國沖擊式水輪機(jī)核心部件實(shí)現(xiàn)了“零”的突破。依托150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪國產(chǎn)化項(xiàng)目，東方電氣沖擊式轉(zhuǎn)輪水力開發(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，見證轉(zhuǎn)輪下線，令我感到無比驕傲和自豪，這也更加激勵(lì)我們加快關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，為大國重器研制奉獻(xiàn)更多青春力量?！睎|方電機(jī)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(jī)水力試驗(yàn)臺的陳列架上，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件專利證書成為150兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪國產(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，對轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度、動力特性、動應(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河，一步一步試出來的?！睎|方電機(jī)研發(fā)中心強(qiáng)度設(shè)計(jì)高級工程師周俊鵬說起這些專利背后的故事，如數(shù)家珍。由于沒有設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)，在初始設(shè)計(jì)方案中，國產(chǎn)化新轉(zhuǎn)輪的造型設(shè)計(jì)盡量和國外轉(zhuǎn)輪保持相似。通過仿真分析，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，新轉(zhuǎn)輪的固有頻率和國外轉(zhuǎn)輪相差不大，但受力最為復(fù)雜的水斗根部動應(yīng)力水平相對較高，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)從來都不是一帆風(fēng)順的，從無到有、從“0”到“1”的國產(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)過多輪次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，動應(yīng)力水平仍然沒有達(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(jìn)，甚至影響整個(gè)工期。眼看時(shí)間節(jié)點(diǎn)越來越近，我們真是心急如焚?！敝芸※i說。

靈感的噴涌，源自于無數(shù)次探索的積累。經(jīng)過上百次的方案優(yōu)化后，終于在一次綜合評審會議上，主研人員反復(fù)討論，決定打破國外設(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)輪水斗根部的動應(yīng)力水平降幅明顯，應(yīng)力分布更加均勻，動應(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。

成果不是終點(diǎn)是起點(diǎn)

2022年11月，150兆瓦級大型沖擊式轉(zhuǎn)輪水力模型通過驗(yàn)收；2023年5月，150兆瓦級大型沖擊式轉(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證者?！翱吹睫D(zhuǎn)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(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題等待探索。我們將以此為起點(diǎn)，不斷增強(qiáng)專業(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)專業(yè)總師馮濤堅(jiān)定地說，“150兆瓦級大型沖擊式轉(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。”東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)開展700至1000兆瓦級高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組研制，而這背后，專利必將發(fā)揮更重要的作用。