□四川日报全媒体记者 曹凘源

●冲击式水轮机是通过高速射流冲击水斗带动转轮发电，转轮内，类似于“导水机构”的部件被几个“喷嘴”代替。从喷嘴喷出的水流流速可以达到100米/秒，换算下来差不多为360公里/小时，和高铁行驶的速度相差无几

●本次下线的冲击式转轮，重约20吨，最大直径约4米，未来将在雅安市田湾河流域金窝水电站投运，从工艺结构设计到材料应用等关键核心制造技术，均实现国产化

●和三峡工程、金沙江下游梯级电站的巨型混流式水电机组相比，高水头大容量冲击式水电机组面对的挑战更大，对材料、结构要求更高，是我国水电装备发展的新方向之一

●我国现有高水头冲击式水电技术为国外进口，为弥补差距，我国在四川省田湾河流域梯级电站启动水斗式转轮国产化研究

5月16日，由东方电气集团东方电机有限公司自主研制的国内首台单机容量最大功率150兆瓦级大型冲击式转轮成功下线。作为我国自主研发制造的高水头大容量冲击式水电机组关键核心部件，攻关团队从设计到制造全流程克服了多项技术难点，特别是在制造阶段，首次将机器人电弧增材制造技术应用于大型冲击式转轮制造。

这台冲击式转轮有何特点？设计和制造环节遭遇了哪些挑战？记者走进东方电机有限公司，听攻关团队成员讲述这台“中国心”究竟有多牛。

看设计

自主开发三维造型软件 100多个方案造就“钢筋铁骨”

记者来到冲击式水力试验台，只见四四方方的架子正下方摆放着一台冲击式模型水轮机，通过设备上的透明玻璃孔洞可看到高速喷射的水流正在带动转轮全力运转。

“这种类型的转轮可以承受连续不断的射流冲击，并具有灵活的负荷调节能力！”东方电机水力开发工程师周恒特向记者介绍了这台设备的“过人之处”。

相较于常见的反击式水轮机，冲击式水轮机是通过高速射流冲击水斗带动转轮发电，转轮内，类似于反击式水轮机里“导水机构”的部件被几个“喷嘴”代替。从喷嘴喷出的水流流速可以达到100米/秒，换算下来差不多为360公里/小时，和高铁行驶的速度相差无几。

如何能承受得住高强度的水流冲击还保持稳定？这对转轮的设计工艺和选用材料提出了挑战。

“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，我们只有摸着石头过河，大胆创新、严谨求证。”周恒特介绍，为了解决自主化设计的建模难题，攻关团队从设计之初就创新应用了由东方电机自主开发的具有完全知识产权的水斗三维造型设计软件，采用先进的仿真分析方法，并通过高精度智能化的模型试验台进行验证，大大推进了水力设计优化的进程。

建模工作敲定，亟待解决的就是应力控制、激振频率等技术难题。这让负责产品结构设计和强度设计的两位工程师熊建军、周俊鹏犯了难。

“这种类型的转轮叶片呈斗状，所以也叫水斗，受到水流冲击后就会产生应力，我们要做的就是不断调整水斗的基本参数，确保结构安全可靠。”熊建军告诉记者，想要实现最佳应力控制并不容易，必须要通过实验一次次修正。为此，设计团队验证分析了100多个方案，前后进行多轮次水斗优化，不断优化应力分布，最终优中选优，确保转轮循环疲劳寿命满足要求。

“和反击式水轮机转轮上的导叶不同，水斗和中心体只有一个固定连接点，运行过程中的交替变换必须综合考虑振形与激振频率、转轮固有频率在不同介质中的差异。”周俊鹏介绍，设计团队通过对不同频率进行校验检查，结合试验反复检验后确定了最终参数，并选择马氏体不锈钢作为制造材料，造就了冲击式转轮一身“钢筋铁骨”。

看制造

40余天完成2.7吨金属增材 机器人焊接为转轮穿上“软猬甲”

熬过艰难的设计研发环节，接踵而至的生产制造阶段也困难重重——大型发电设备零部件成为趋势，体积也随之增大的零部件对锻造技术提出新的挑战。

“以我们这台冲击式转轮为例，锻件厚度大、重量大，传统的焊接锻造无法一次成型。”东方电机焊接工艺高级工程师金宝介绍，为降低锻件厚度，东方电机依托智能制造转型，自主开发了机器人电弧增材制造技术，并在国内首次投用于冲击式转轮的制造。

为方便记者理解增材制造，金宝打开手机里的一段视频。视频以3D动画的形式介绍了冲击式转轮的整个制造过程。简而言之，机器人电弧增材制造技术类似于3D打印技术，就是将一个圆柱形的转轮中心体采用锻件与复合增材结构进行加工，先锻造出大致主体，然后通过增加金属材料一点点锻造出转轮最终的模样。

3台机器人历时40余天协同作业，完成2.7吨金属增材。“机器人电弧增材制造技术高度适用于冲击式转轮外部水斗复杂型面结构部件的制造，实现了远程操控与多机器人无人值守作业。通过这项技术可以实现所焊即所得，不需要二次加工，不仅降低了锻坯制造难度，还提高了材料利用率，开创了行业先例。”金宝介绍，在制造过程中，转轮还应用了高精度数控加工工艺，实现转轮水斗异形深腔高效铣削、水斗型面高精度铣削，有效减少后期机械加工量。

“锻造成型”并不意味着产品的制造阶段完成。为增加转轮的耐磨损度，还要进行激光熔覆改性，也就是通过机器人焊接技术在其表面焊接一层特殊涂层，相当于为转轮穿上一层“软猬甲”，以应对各类磨损和腐蚀。

“技术创新和试验并非只为了生产这一件产品，而是为后续的研发制造积累经验，所以转轮外部水斗我们采用了增材制造、传统锻件和铸件三种制造方式，有效验证了不同制造方式的适用性，为更高水头更大容量冲击式转轮研制奠定了基础。”金宝表示，150兆瓦级大型冲击式转轮成功下线只是起点，以此为契机，东方电机正接续开展更高水头更大容量冲击式水电机组的研制工作。