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二十年磨一剑!探寻东方汽轮机系列化减振阻尼叶片获奖背后的故事

2019年1月8日上午,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。习近平、李克强、王沪宁、韩正等党和国家领导人出席会议活动。习近平等为获奖代表颁奖。李克强代表党中央、国务院在大会上讲话。韩正主持大会。


  

 

 

东方电气集团“汽轮机系列化减振阻尼叶片设计关键技术及应用”项目获得2018年度国家科学技术进步奖二等奖。集团公司首席专家、东方汽轮机副总经理方宇,东方汽轮机技术专家范小平代表东方电气集团接受颁奖。


 

二十年磨一剑,攻克叶片设计难关

 

 

“这个成绩的取得真的是‘二十年磨一剑’啊!”范小平手握获奖证书,心中是满满的感慨。“当时,发达国家对减振阻尼叶片的技术封锁可谓是‘滴水不漏’,面对这样的困局,我们的研发设计人员付出了极大的努力,历经20余年艰苦攻关,从661mm末级阻尼叶片,到当时世界最长的1828mm末级阻尼叶片,再到今天国内最长的钛合金1450mm末级叶片,目前东方汽轮机已经掌握了整套具有自主知识产权的系列化减振阻尼叶片设计关键技术,设计制造能力达到了世界先进水平!”

 

 

汽轮机是核电、火电、化工及舰艇动力等的关键设备,叶片更是汽轮机的心脏,其技术水平是汽轮机先进性的重要标志。叶片受高温、高压蒸汽的作用,工作中承受着较大的弯矩,高速运转中的动叶片也要承受很高的离心力和很复杂的激振力;处于湿蒸汽区的叶片,特别是末级,还要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀。而减振阻尼叶片振动应力小、安全性高,是发展先进汽轮机的必然选择。但由于这类叶片振动特性极为复杂,长叶片离心力巨大,设计制造技术难度很大,并且核心技术长期为发达国家垄断。在国家“863”计划等项目的支持下,2003年,怀揣着一颗赤子之心,为了摆脱受制于人的困境,东方汽轮机开始自主进行减振阻尼叶片的研发工作。

 


技术员小范和1828mm叶片的故事

 

 

2006年进厂的范志飞是个年轻的80后技术人员,一进厂就赶上了东方汽轮机开展系列化减振阻尼叶片设计关键技术的研发工作。

“我印象最深刻的还是1828mm末级阻尼叶片的研发,那时候刚进厂没多久,感觉全部心力都放在这件工作上了。”范志飞如今回忆起来还是满怀感慨。“这可真是一块用大家的心血‘磨’出来的叶片啊!”

1828mm叶片正在进行试装 

 

阻尼叶片的振动设计是关键点,为了1828mm叶片的振动设计,范志飞和同事们开始对振动频率进行反复的论证、调整,在保证气动性能的前提下,不断对局部叶型优化,对拉筋的形式、高度、大小和围带减振阻尼结构等进行调整。通过各个关键部件的不同排列组合,不断尝试,就为了寻求最优的振动设计方案。那段时间,范志飞每天要尝试至少几十次的调整,天天如此,这样的日子过了足足有三个多月。功夫不负有心人,历时一年半,年轻的研发人员们终于成功完成了对1828mm叶片详细的气动+强度+振动全流程耦合的三维有限元设计分析,为当时国内最长等级1828mm转子末级叶片的成功自主研发奠定了坚实基础 。同时,他们的研究成果也为后来东方汽轮机减振阻尼叶片强度振动设计自动寻优技术的成功开发和多种应用于叶根、拉筋和围带处的减振阻尼结构的发明打下了基础,为减振阻尼叶片的系列化研发提供了大量的宝贵资料。

 

 范志飞所在的研发团队

 

“从这套设计、分析、验证工作一路走来,我们对阻尼叶片的研发更加有信心了,这实际上也是东方汽轮机叶片设计逐渐成熟的过程和缩影!”提起那段艰辛的岁月,洋溢在范志飞脸上更多的是骄傲和自信。

打造中国“核”名片,让理想照进现实

 

 

1828mm末级叶片的设计、加工、装配极为复杂,经过研发、工艺、制造各个环节的反复努力,2011年10月,1828mm叶片试验件进入东方汽轮机叶片分厂进行加工。叶片分厂年轻的技术团队开始啃“1828”这根硬骨头,技术员曾敬平回忆说 :“接到任务时,我感觉压力特别大,一连好几天都睡不着觉,甚至不知从何入手……”

从图纸到产品,首件试制成功是大家的期盼,却也是摆在制造者面前一道巨大的难题。2011年4月,叶片技术组开始工艺流程攻关,技术员们平均每人每天工作12小时以上。通过调研、类比、头脑风暴,他们拟出了数十个攻关点,提出了3个以上的工艺流程方案。经过三个多月的努力, 2011年7月20日,叶片分厂提交的1828mm叶片加工工艺方案通过专家组评审。

由于1828mm叶片的加工程序完全颠覆了东方汽轮机的传统,试加工调试时,因为怕故障损坏机床进而造成进口叶片毛坯损伤,程序组组长梁鹏带领技术员驻扎现场,随时盯着机床运转,大家一连好几天都吃着方便面在隆隆的机床声中度过。

“加工难,测量更难!”现任叶片分厂厂长助理的李启元回忆道:“加工好的叶片重达256公斤,足足要5个人才能抬得起来!”为了解决这个难题,李启元专门开发了一款新型量具,采取了从立式改成卧式等一系列新型设计。直至今日,这个重达1吨重的量具还在使用。

 

 

生产工人正在对叶片进行检测

 

 

生产制造过程中,诸如此类的或大或小的难题比目皆是,如同升级打怪般,东汽的科研工作者和生产制造者们攻克了一个又一个的难关。目前,凝结着无数人心血的1828mm叶片已经成功应用于国家科技重大专项“大型先进压水堆核电站” CAP1400国家示范项目和我国具有自主知识产权的三代核电项目“华龙一号”,为助力中国清洁能源的发展,助力“中国核电”打造国家新名片贡献了专属于东方的力量!


2018年3月13日,东方电气集团东方汽轮机有限公司自主研制的“华龙一号”汽轮机最后一根低压转子进入总装。

 

攻关无止境,科技创新永远在路上


 

 

 

 

 

 

2018年11月23日,东方电气集团与中国大唐集团签署大唐郓城630℃超超临界二次再热国家电力示范项目合同,将为全球最高参数煤电项目提供三大主机设备。

看着这条新闻,范志飞开心极了,因为这背后也饱含着他所在团队的无数心血。

630℃超超临界二次再热机组被誉为“燃煤机组的珠穆朗玛峰”,是当前世界上技术最先进、难度最大的燃煤机组。而范志飞团队所研发的钛合金1450mm末级阻尼叶片将应用于此项目。

由于普通的钢制叶片密度高、离心力大,叶片长度已经达到钢材强度的极限,而钛合金是一种低密度金属,具有强度高、振动频率与钢接近、抗腐蚀和抗水冲刷性能好等优点,开发汽轮机钛合金末级长叶片对大功率汽轮机具有重大意义。

 

 

 东方汽轮机的研发团队

  

范志飞和苟小平、蒲志武、陈涛都是80后技术人员,2015年开始,他们就开始了钛合金1450mm末级阻尼叶片的强度、振动设计工作。1450mm末叶是柔性叶片,其振动频率设计特点是“危险点多,频率敏感性高,影响因素多”。4个人在肩负着其他设计任务的前提下,收集、整理数据,采取各种不同的验证手段,不断反复地进行分析,就是为了能进一步提高1450mm叶片的振动频率的精准预测,从而保证叶片设计可信度,同时也能够大幅降低设计阶段的测试成本。

攻关无止境,在大家的共同努力下,钛合金1450mm末级阻尼叶片终于研发成功,并将应用于大唐郓城630℃超超临界二次再热国家电力示范项目和中兴电力蓬莱电厂一期2×1000MW燃煤电厂国家示范项目之上,为提高我国燃煤发电技术和大型装备制造国产化能力发挥积极力量,也为推动我国煤电产业的转型升级做出更大的贡献。

 

 

 

东方汽轮机部分叶片产品


在参评国家科学技术进步奖期间,专家鉴定认为:“(该项目)形成了系列相关核心专利技术。成果整体达到国际先进水平,在汽轮机减振阻尼叶片动频的高精度计算等方面处于国际领先水平”。


成功的背后,必定饱含着艰辛。“汽轮机系列化减振阻尼叶片设计关键技术及应用”项目瞄准振动应力小、安全性高的减振阻尼叶片研发难题,在发达国家严密技术封锁条件下,历经20余年艰苦攻关,提出了减振阻尼叶片强度、振动设计新方法及系列减振新结构,建立了具有完全自主知识产权的“频率精准预测-安全性准确评价-强度振动自动寻优设计”的叶片设计关键技术体系,完成了20-1700MW等级火电、核电和工业汽轮机调节级叶片到末级叶片的共87种阻尼叶片的自主研发,获得多项发明专利和软件著作权,还先后荣获“中国机械工业科学技术奖”一等奖,“中国好设计”银奖等奖项。

作为主要完成单位,东方汽轮机有限公司建立了具有自主知识产权的减振阻尼叶片设计关键技术体系,掌握了完整设计方法,形成了试验验证软硬件平台,突破了从调节级到低压末级的系列化阻尼叶片关键设计技术,大幅提升了汽轮机叶片设计水平和产品可靠性,并成功应用于超超临界1000MW汽轮机全转速1200mm末级叶片、世界最长湿冷给水泵汽轮机末级630mm叶片等产品中。



“十年磨一剑,砺得梅花香。”多年来,怀揣着“制造强国”的梦想,东方汽轮机始终立足于自主创新和技术进步,坚持在攻坚克难中追求卓越,为振兴民族工业而努力拼搏着。未来,东方汽轮机必将继续秉承“绿色动力,驱动未来”的企业愿景,以创新之魂打造大型发电设备的“中国名片”,再谱高质量发展新篇章!

  

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