探秘“藏电外送”骨干电站核心转轮：橘子灵感引发技术突破

7月2日，全球首台单机容量最大500兆瓦、转轮尺寸最大6.23米的冲击式水轮机核心部件——转轮，在哈电集团自主研制成功并发运，这标志着我国在高水头、大容量冲击式水轮机组核心装备领域实现历史性突破。

该自主化研制的冲击式转轮由21个精密水斗构成，整轮厚度1.34米、重量约80吨，是国家“藏电外送”骨干电站扎拉水电站水轮发电机组的“心脏”，能为发电机发出500兆瓦额定功率提供源动力。现在，让我们跟着小新坐上转轮发运货车，一起探秘扎拉水电站这一核心部件。

水电机组“心脏”的铸造难题

2021年10月，扎拉水电站在西藏自治区怒江支流的玉曲河上破土动工。作为世界在建综合难度最大的冲击式水电项目，电站落差近700米。为更好开发水能，满足特殊工况要求，提升我国高落差水能开发能力，制造代表中国水电装备顶尖智慧的冲击式水轮机转轮难题摆在科研人员面前。

难点主要有以下几个方面：

一是超大尺寸马氏体不锈钢锻件制造难题。扎拉转轮轮毂锻件需采用300吨级马氏体不锈钢钢锭，锻造重量超160吨，外圆直径近5米、最大厚度1.2米，成品重量107吨，是全球最大规格马氏体不锈钢锻件。此类材料冶炼易偏心，锻造要同时满足高强度、高韧性和抗疲劳性能，传统工艺难以实现。

二是复杂曲面水斗模锻成形技术瓶颈问题。扎拉转轮的21个水斗均为大型深腔复杂曲面结构，毛坯重量超3吨，斗宽1.5米，壁厚30 - 300毫米，锻件复杂系数高。传统铸造工艺难满足表面粗糙度和型线精度要求，还易出现缩孔、裂纹等缺陷。

三是超大超厚锻件焊接变形控制难题。该转轮焊接需将107吨轮毂与21个水斗焊接成整体，焊缝总长度超300米，且要承受700米水头下的高频动态载荷。马氏体不锈钢焊接易产生冷裂纹，超大尺寸结构使焊接变形难以控制。

四是高海拔地区运输安装挑战。扎拉水电站位于西藏昌都，海拔3000米以上，道路蜿蜒陡峭，最大坡度达18度，年平均气温零下2摄氏度，冬季积雪厚度超50厘米。转轮单件重量80吨，传统运输难以实现。

五是水力性能优化与稳定性验证难题。在扎拉项目机组700米水头工况下，机组喷灌水流射流速度超100米每秒，水斗承受瞬时冲击力约为两节重载货车重量，转轮上6个水斗同时承受此冲击力推动转轮以每小时210千米速度运行。传统设计方法难兼顾效率与稳定性，易出现压力脉动和振动超标。

橘子引发的技术革命

哈电集团电机公司针对扎拉转轮500兆瓦级大型锻焊结构特殊要求，统筹资源，严格执行质量管控体系，在结构设计、材料制备、焊接工艺及精密加工等关键环节实现全面突破。

针对超大尺寸马氏体不锈钢锻件制造难题，哈电集团联合中国一重开展技术攻关，开发“三阶段控温锻造法”，通过多向镦拔消除钢锭内部疏松，确保锻件内部应力均匀，用喷丸工艺使表层产生压应力，提高抗疲劳寿命。

针对复杂曲面水斗模锻成形难题，哈电集团与中国一重联合研发，采用“数字化模锻 + 近净成形”技术路线。通过逆向工程获取最优水斗型线，利用专业软件进行过程仿真，确定最佳模具结构和锻造参数，创新设计多向分流式模具，实现水斗锻件精确成型。

值得一提的是，在扎拉水电站项目研发中，扎拉转轮水斗设计曾遇瓶颈。国家卓越工程师、哈电集团首席科学家覃大清在一次午餐时受橘子瓣弧度启发，提出“橘子瓣型水斗”概念。他发现橘子瓣曲面结构能高效导流，与水斗“射流精准切割”原理相似，便拍照发给团队。经过三维建模与多轮试验，新设计比传统设计效率提高3个百分点。这一故事被哈电员工称为“橘子引发的技术革命”，在行业内流传。覃大清曾在华中科技大学演讲时说：“水电人要像水一样，既有水滴石穿的坚韧，又有海纳百川的胸怀”。

为优化扎拉转轮水力性能，覃大清团队进行6轮模型试验，制造12个不同设计方向的转轮模型。一次关键试验中，他发现射流与水斗干涉效应超出预期，便带领团队连续72小时驻留实验室，像“神农尝百草”般调整喷嘴角度、水斗间距等参数，最终通过融合高速摄影与流态观测技术找到“黄金夹角”。

从2019年启动扎拉转轮研发工作以来，哈电集团依托水力发电设备全国重点实验室冲击式水力试验台及自身资源优势，为扎拉水电站冲击式机组量身定制高性能水斗式转轮这一大国重器，其核心部件轮毂锻件是目前世界最大的马氏体不锈钢锻件。这一成果破解了高水头大容量冲击式机组“卡脖子”难题，为世界能源装备技术发展注入强劲“中国动力”。

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