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二十年磨一劍!探尋東方汽輪機系列化減振阻尼葉片獲獎背后的故事

2019年1月8日上午,中共中央、國務院在北京隆重舉行國家科學技術獎勵大會。習近平、李克強、王滬寧、韓正等黨和國家領導人出席會議活動。習近平等為獲獎代表頒獎。李克強代表黨中央、國務院在大會上講話。韓正主持大會。


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東方電氣集團“汽輪機系列化減振阻尼葉片設計關鍵技術及應用”項目獲得2018年度國家科學技術進步獎二等獎。集團公司首席專家、東方汽輪機副總經理方宇,東方汽輪機技術專家范小平代表東方電氣集團接受頒獎。


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二十年磨一劍,攻克葉片設計難關

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“這個成績的取得真的是‘二十年磨一劍’啊!”范小平手握獲獎證書,心中是滿滿的感慨。“當時,發達國家對減振阻尼葉片的技術封鎖可謂是‘滴水不漏’,面對這樣的困局,我們的研發設計人員付出了極大的努力,歷經20余年艱苦攻關,從661mm末級阻尼葉片,到當時世界最長的1828mm末級阻尼葉片,再到今天國內最長的鈦合金1450mm末級葉片,目前東方汽輪機已經掌握了整套具有自主知識產權的系列化減振阻尼葉片設計關鍵技術,設計制造能力達到了世界先進水平!”

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汽輪機是核電、火電、化工及艦艇動力等的關鍵設備,葉片更是汽輪機的心臟,其技術水平是汽輪機先進性的重要標志。葉片受高溫、高壓蒸汽的作用,工作中承受著較大的彎矩,高速運轉中的動葉片也要承受很高的離心力和很復雜的激振力;處于濕蒸汽區的葉片,特別是末級,還要經受電化學腐蝕及水滴沖蝕。而減振阻尼葉片振動應力小、安全性高,是發展先進汽輪機的必然選擇。但由于這類葉片振動特性極為復雜,長葉片離心力巨大,設計制造技術難度很大,并且核心技術長期為發達國家壟斷。在國家“863”計劃等項目的支持下,2003年,懷揣著一顆赤子之心,為了擺脫受制于人的困境,東方汽輪機開始自主進行減振阻尼葉片的研發工作。

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技術員小范和1828mm葉片的故事

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2006年進廠的范志飛是個年輕的80后技術人員,一進廠就趕上了東方汽輪機開展系列化減振阻尼葉片設計關鍵技術的研發工作。

“我印象最深刻的還是1828mm末級阻尼葉片的研發,那時候剛進廠沒多久,感覺全部心力都放在這件工作上了。”范志飛如今回憶起來還是滿懷感慨。“這可真是一塊用大家的心血‘磨’出來的葉片啊!”

1828mm葉片正在進行試裝?

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阻尼葉片的振動設計是關鍵點,為了1828mm葉片的振動設計,范志飛和同事們開始對振動頻率進行反復的論證、調整,在保證氣動性能的前提下,不斷對局部葉型優化,對拉筋的形式、高度、大小和圍帶減振阻尼結構等進行調整。通過各個關鍵部件的不同排列組合,不斷嘗試,就為了尋求最優的振動設計方案。那段時間,范志飛每天要嘗試至少幾十次的調整,天天如此,這樣的日子過了足足有三個多月。功夫不負有心人,歷時一年半,年輕的研發人員們終于成功完成了對1828mm葉片詳細的氣動+強度+振動全流程耦合的三維有限元設計分析,為當時國內最長等級1828mm轉子末級葉片的成功自主研發奠定了堅實基礎 。同時,他們的研究成果也為后來東方汽輪機減振阻尼葉片強度振動設計自動尋優技術的成功開發和多種應用于葉根、拉筋和圍帶處的減振阻尼結構的發明打下了基礎,為減振阻尼葉片的系列化研發提供了大量的寶貴資料。

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?范志飛所在的研發團隊

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“從這套設計、分析、驗證工作一路走來,我們對阻尼葉片的研發更加有信心了,這實際上也是東方汽輪機葉片設計逐漸成熟的過程和縮影!”提起那段艱辛的歲月,洋溢在范志飛臉上更多的是驕傲和自信。

打造中國“核”名片,讓理想照進現實

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1828mm末級葉片的設計、加工、裝配極為復雜,經過研發、工藝、制造各個環節的反復努力,2011年10月,1828mm葉片試驗件進入東方汽輪機葉片分廠進行加工。葉片分廠年輕的技術團隊開始啃“1828”這根硬骨頭,技術員曾敬平回憶說 :“接到任務時,我感覺壓力特別大,一連好幾天都睡不著覺,甚至不知從何入手……”

從圖紙到產品,首件試制成功是大家的期盼,卻也是擺在制造者面前一道巨大的難題。2011年4月,葉片技術組開始工藝流程攻關,技術員們平均每人每天工作12小時以上。通過調研、類比、頭腦風暴,他們擬出了數十個攻關點,提出了3個以上的工藝流程方案。經過三個多月的努力, 2011年7月20日,葉片分廠提交的1828mm葉片加工工藝方案通過專家組評審。

由于1828mm葉片的加工程序完全顛覆了東方汽輪機的傳統,試加工調試時,因為怕故障損壞機床進而造成進口葉片毛坯損傷,程序組組長梁鵬帶領技術員駐扎現場,隨時盯著機床運轉,大家一連好幾天都吃著方便面在隆隆的機床聲中度過。

“加工難,測量更難!”現任葉片分廠廠長助理的李啟元回憶道:“加工好的葉片重達256公斤,足足要5個人才能抬得起來!”為了解決這個難題,李啟元專門開發了一款新型量具,采取了從立式改成臥式等一系列新型設計。直至今日,這個重達1噸重的量具還在使用。

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生產工人正在對葉片進行檢測

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生產制造過程中,諸如此類的或大或小的難題比目皆是,如同升級打怪般,東汽的科研工作者和生產制造者們攻克了一個又一個的難關。目前,凝結著無數人心血的1828mm葉片已經成功應用于國家科技重大專項“大型先進壓水堆核電站” CAP1400國家示范項目和我國具有自主知識產權的三代核電項目“華龍一號”,為助力中國清潔能源的發展,助力“中國核電”打造國家新名片貢獻了專屬于東方的力量!


2018年3月13日,東方電氣集團東方汽輪機有限公司自主研制的“華龍一號”汽輪機最后一根低壓轉子進入總裝。

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攻關無止境,科技創新永遠在路上


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2018年11月23日,東方電氣集團與中國大唐集團簽署大唐鄆城630℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目合同,將為全球最高參數煤電項目提供三大主機設備。

看著這條新聞,范志飛開心極了,因為這背后也飽含著他所在團隊的無數心血。

630℃超超臨界二次再熱機組被譽為“燃煤機組的珠穆朗瑪峰”,是當前世界上技術最先進、難度最大的燃煤機組。而范志飛團隊所研發的鈦合金1450mm末級阻尼葉片將應用于此項目。

由于普通的鋼制葉片密度高、離心力大,葉片長度已經達到鋼材強度的極限,而鈦合金是一種低密度金屬,具有強度高、振動頻率與鋼接近、抗腐蝕和抗水沖刷性能好等優點,開發汽輪機鈦合金末級長葉片對大功率汽輪機具有重大意義。

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?東方汽輪機的研發團隊

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范志飛和茍小平、蒲志武、陳濤都是80后技術人員,2015年開始,他們就開始了鈦合金1450mm末級阻尼葉片的強度、振動設計工作。1450mm末葉是柔性葉片,其振動頻率設計特點是“危險點多,頻率敏感性高,影響因素多”。4個人在肩負著其他設計任務的前提下,收集、整理數據,采取各種不同的驗證手段,不斷反復地進行分析,就是為了能進一步提高1450mm葉片的振動頻率的精準預測,從而保證葉片設計可信度,同時也能夠大幅降低設計階段的測試成本。

攻關無止境,在大家的共同努力下,鈦合金1450mm末級阻尼葉片終于研發成功,并將應用于大唐鄆城630℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目和中興電力蓬萊電廠一期2×1000MW燃煤電廠國家示范項目之上,為提高我國燃煤發電技術和大型裝備制造國產化能力發揮積極力量,也為推動我國煤電產業的轉型升級做出更大的貢獻。

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東方汽輪機部分葉片產品


在參評國家科學技術進步獎期間,專家鑒定認為:“(該項目)形成了系列相關核心專利技術。成果整體達到國際先進水平,在汽輪機減振阻尼葉片動頻的高精度計算等方面處于國際領先水平”。


成功的背后,必定飽含著艱辛。“汽輪機系列化減振阻尼葉片設計關鍵技術及應用”項目瞄準振動應力小、安全性高的減振阻尼葉片研發難題,在發達國家嚴密技術封鎖條件下,歷經20余年艱苦攻關,提出了減振阻尼葉片強度、振動設計新方法及系列減振新結構,建立了具有完全自主知識產權的“頻率精準預測-安全性準確評價-強度振動自動尋優設計”的葉片設計關鍵技術體系,完成了20-1700MW等級火電、核電和工業汽輪機調節級葉片到末級葉片的共87種阻尼葉片的自主研發,獲得多項發明專利和軟件著作權,還先后榮獲“中國機械工業科學技術獎”一等獎,“中國好設計”銀獎等獎項。

作為主要完成單位,東方汽輪機有限公司建立了具有自主知識產權的減振阻尼葉片設計關鍵技術體系,掌握了完整設計方法,形成了試驗驗證軟硬件平臺,突破了從調節級到低壓末級的系列化阻尼葉片關鍵設計技術,大幅提升了汽輪機葉片設計水平和產品可靠性,并成功應用于超超臨界1000MW汽輪機全轉速1200mm末級葉片、世界最長濕冷給水泵汽輪機末級630mm葉片等產品中。



“十年磨一劍,礪得梅花香。”多年來,懷揣著“制造強國”的夢想,東方汽輪機始終立足于自主創新和技術進步,堅持在攻堅克難中追求卓越,為振興民族工業而努力拼搏著。未來,東方汽輪機必將繼續秉承“綠色動力,驅動未來”的企業愿景,以創新之魂打造大型發電設備的“中國名片”,再譜高質量發展新篇章!

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