世界最大水輪機-

世界最大水輪機——三峽70萬千瓦水輪機組研制概況(上)工程總投資：150億元以上工程期限：1996年——2012年

三峽左岸電站廠房入口

三峽水電站是目前世界最大的水電站，這里安裝著世界最大的水輪發(fā)電機組。在三峽泄洪壩兩側(cè)底部的水電站廠房內(nèi)，共安裝有32臺70萬千瓦級水輪發(fā)電機組；其中左岸廠房14臺，右岸廠房12臺，右岸地下廠房6臺，另外還有2臺5萬千瓦的電源機組，總裝機容量2250萬千瓦；相當于20座百萬千瓦級核電站，比巴西伊泰普水電站多了850萬千瓦。左岸廠房和右岸廠房已建成投產(chǎn)的26臺機組，日均發(fā)電量3.3億度，滿負荷運行可達4億度，年發(fā)電量近1000億度，約占全國發(fā)電量的33分之一。

三峽水電站安裝的32臺70萬千瓦水輪機組是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水輪發(fā)電機組。大型水輪發(fā)電機組是水電站核心設(shè)備，也是制造難度最高的頂尖工業(yè)產(chǎn)品之一，涉及眾多復(fù)雜加工技術(shù)。長期以來，核心技術(shù)一直為少數(shù)發(fā)達國家所把持。

在1996年三峽左岸14臺機組招標前，全世界已建成的70萬千瓦水機組僅有21臺，分別位于美國大古力〔GrandCoulee〕水電站和巴西伊泰普〔Itaipu〕水電站。1970年代，加拿大通用電氣公司〔GECanada〕和美國阿里斯-查爾摩斯公司，為當時世界最大的水電站——美國大古力水電站第三廠房建造了3臺70萬千瓦水輪發(fā)電機，這三臺機組原來按照60萬千瓦水輪機制定，后來改善了水輪機轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪直徑擴大到。首臺機組于1978年4月建成投產(chǎn)，成為世界第一臺額定出力達到70萬千瓦的水輪發(fā)電機組。

1980年代，法國阿爾斯通、瑞士ABB、德國Voith以及加拿大通用電氣、德國西門子等企業(yè)，共同為巴西和巴拉圭兩國合建的伊泰普水電站，制造了18臺兩種規(guī)格的70萬千瓦水輪機組，陸續(xù)于1984年5月至1991年5月間投產(chǎn)發(fā)電，使其一躍成為當時世界最大的水電站。2001年，伊泰普水電站又在預(yù)留機坑位置擴建2臺70萬機組，使裝機總量從1260萬千瓦增加到1400萬千瓦。三峽電站廠房和混流式水輪機結(jié)構(gòu)示意圖

何謂水輪發(fā)電機組

水輪機由古代的水輪、水車演變而來，其工作流程為上游水庫中的水經(jīng)大壩引水管，流入壩體下方發(fā)電廠房的蝸殼、導水機構(gòu)及水輪機轉(zhuǎn)輪中，將勢能轉(zhuǎn)化為推動轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)的動能。轉(zhuǎn)輪通過主軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并切割發(fā)電機定子磁力線圈，利用電磁感應(yīng)原理在發(fā)電機線圈中產(chǎn)生高壓電，再經(jīng)過變壓器升壓通過輸電線路將電力輸出到電網(wǎng)中。水輪機中作完功的水則通過大壩尾水管排向下游。

水輪機按工作方式可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。反擊式水輪機又可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。三峽電站采納的混流式機組是使用最廣泛的一種。1827年法國工程師B.富爾內(nèi)隆制成6馬力的反擊式水輪機，1849年經(jīng)美國工程師J.B.弗朗西斯制定改善，形成了現(xiàn)代混流式水輪機，故稱為弗朗西斯水輪機。1850年出現(xiàn)沖擊式水輪機。1880年美國工程師L.A.佩爾頓取得水斗型沖擊式水輪機的專利，世人稱之為佩爾頓水輪機。1912年奧地利工程師V.卡普蘭制定出第一臺轉(zhuǎn)槳軸流式水輪機，被稱為卡普蘭水輪機。到20世紀40-50年代又相繼出現(xiàn)貫流式和斜流式水輪機，同時水輪機又發(fā)展為水泵水輪機，應(yīng)用于抽水蓄能電站。隨著二戰(zhàn)后水電開發(fā)的進展，水輪機的性能和結(jié)構(gòu)日趨完善，功率有了大幅提升。美國大古力水電站第三廠房745MW水輪機轉(zhuǎn)輪吊裝時的照片，該轉(zhuǎn)輪直徑。

三峽水輪機組引進背景

三峽工程作為超大型水電工程，其水輪機組性能好壞是影響工程效益的關(guān)鍵所在。自孫中山先生提議開始，三峽工程經(jīng)歷了漫長的過程，水輪機組制定方案也一再變更。1944年5月，民國政府邀請美國墾務(wù)局總工程師薩凡奇博士來華查勘三峽，在其撰寫的《揚子江三峽計劃初步報告》中提出安裝96臺11萬千瓦水輪機組用于發(fā)電，裝機總量1056萬千瓦。可當時瀕臨崩潰的國民經(jīng)濟，根本無力支撐這樣龐大的工程。1947年5月，國民黨政府明令中止了三峽水力發(fā)電計劃。

1956年，在是否興建三峽工程大爭辯中，長江水利委員會設(shè)定的單機裝機容量提升到了30-40萬千瓦。1984年4月，國務(wù)院檢察的三峽150米低壩方案，計劃安裝26臺50萬千瓦機組，裝機容量1300萬千瓦。到1989年3月，長江水利委員會重新編制的175米方案，計劃安裝26臺68萬千瓦機組，裝機容量提升到1768萬千瓦。當時美國大古力電站70萬千瓦機組已經(jīng)運行，巴西伊泰普18臺70萬千瓦機組也陸續(xù)投入運行。因此到1993年7月，國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會決定將單臺機組額定容量由68萬千瓦增加到70萬千瓦，總裝機容量提升到1820萬千瓦。2008年9月，又獲批在三峽右岸白巖尖地下廠房增設(shè)6臺70萬千瓦機組和2臺5萬千瓦電源機組，使裝機總量提升到2250萬千瓦。

70萬千瓦水輪發(fā)電機組關(guān)于基礎(chǔ)薄弱的中國水電設(shè)備制造行業(yè)提出了挑戰(zhàn)。1949年新中國成立時，我國僅有上海、重慶等地生產(chǎn)過幾百馬力的小型臥軸混流式水輪機。1951年組建的哈爾濱電機廠制成我國第一臺800kW立軸混流式機組。1959年為新安江水電站制成7.25萬千瓦混流式機組。此后相繼成立了德陽東方電機廠、重慶水輪機廠、杭州發(fā)電設(shè)備廠、天津發(fā)電設(shè)備廠等一批企業(yè)，為我國水電行業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1968年哈爾濱電機廠為劉家峽水電站制成22.5萬千瓦機組，1972年制成改善型的30萬千瓦機組。

1979年和1980年，東方電機廠和哈爾濱電機廠分別為葛洲壩水電站制成轉(zhuǎn)輪直徑(世界最大轉(zhuǎn)輪直徑)的17萬千瓦機組，以及轉(zhuǎn)輪直徑的12.5萬千瓦轉(zhuǎn)槳式機組。1984年東方電機廠為青海龍羊峽研制了32萬千瓦大型混流式機組，1989年哈爾濱電機廠為廣西巖灘水電站制成轉(zhuǎn)輪直徑8米的30.25萬千瓦混流式機組。

綜上所述，在三峽工程建設(shè)前，我國國產(chǎn)最大的水輪機組是1987年在青海黃河龍羊峽水電站投產(chǎn)的的32萬千瓦水輪機組，與美國、蘇聯(lián)在70年代研制的60-70萬千瓦機組有著相當大的差距。雖然國家從80年代早期就開始對三峽工程機電設(shè)備進行技術(shù)攻關(guān)，但仍缺乏實際制造經(jīng)驗。

在這種狀況下，國家決定以三峽工程為契機，通過國際招標，引進國外先進技術(shù)，提升我國企業(yè)競爭力。以哈爾濱電機廠(哈電)和東方電機廠(東電)牽頭，實現(xiàn)70萬千瓦水輪發(fā)電機組國產(chǎn)化。在90年代全球水電行業(yè)處于低谷的狀況下，三峽工程這筆世界最大水電機組采購項目，對跨國公司無疑具有強大的吸引力。1997年9月2日，三峽電站左岸水電設(shè)備采購合同在北京人民大會堂舉行。三峽水輪機組國際招標過程

1996年6月24日，三峽左岸廠房14臺70萬千瓦水輪發(fā)電機組正式進行國際招標，引起世界矚目。長達2000多頁的招標書中規(guī)定了技術(shù)標準和技術(shù)轉(zhuǎn)讓條款，文件規(guī)定：左岸14臺機組一次招標，責任方為外商，前12臺以外商為主，中方參加制造；后2臺機組以中方為主；要求外商和中方聯(lián)合制定，合作制造。中標企業(yè)必需向中方全面轉(zhuǎn)讓核心技術(shù)，為配合技術(shù)轉(zhuǎn)讓，三峽總公司將支付1635萬美元的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費。

至12月18日截標日，符合競標條件的企業(yè)組成六家聯(lián)合體參加投標。分別是：1、GANP聯(lián)合體〔由法國GEC阿爾斯通Neyrpic和巴西圣保羅金屬公司組成〕；2、VGS聯(lián)合體〔由德國Voith、加拿大GE、德國西門子組成〕；3、瑞士ABB和挪威克瓦納〔Kvaerner〕能源公司聯(lián)合體；4、三峽日本水輪機聯(lián)合體〔由伊藤忠、日立、東芝、三菱重工、三井物產(chǎn)、三菱商社組成〕；5、IMPSA〔銀薩〕公司〔代理烏克蘭TURBOATOM科技工業(yè)公司和美國伍德沃德公司〕；6、俄德聯(lián)合體〔由俄羅斯動力機械出口、列寧金屬加工廠和德國蘇爾壽組成〕。

1997年8月8日，李鵬總理主持召開三峽建委第25次會議，決定由兩個供貨集團中標，8月15日發(fā)出中標通知書。最終由法國阿爾斯通中標8臺〔4-6號和10-14號機組〕水輪機、瑞士ABB中標8臺發(fā)電機，合計4.2億美元，被要求采納挪威克瓦納〔Kvaerner〕能源公司開發(fā)的水力模型，與哈爾濱電機廠合作制造。另外6臺〔1-3號和7-9號機組〕由德國福伊特〔Voith〕、加拿大通用電氣〔GECanada〕與德國Siemens組成的VGS聯(lián)合體中標，總額3.2億美元，采納該聯(lián)合體開發(fā)的水力模型，與東方電機廠合作制造。三峽總公司聘請BV/EDF監(jiān)造。14臺機組總金額7.4億美元，約合60億元人民幣，單臺造價約4.3億元人民幣。

1997年9月2日，中國長江三峽工程開發(fā)總公司與外商分別簽訂合同，中方分包份額為總價的31%，約2.3億美元，技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議和分包合同相繼生效。1999年9月14日，三峽工程左岸電站高壓電氣設(shè)備采購合同在北京人民大會堂簽字，合同總額達2.056億美元，由德國西門子中標15臺550kV主變壓器，瑞士ABB中標39臺間隔GIS高壓開關(guān)及相關(guān)附屬設(shè)備。并向保定天威、沈陽變壓器廠、沈陽高壓開關(guān)廠、西安高壓開關(guān)廠等分包企業(yè)轉(zhuǎn)讓技術(shù)。2000年5月，與左岸機組配套的控制設(shè)備簽訂國際招標合同，同樣轉(zhuǎn)讓技術(shù)并分包制造。14套勵磁系統(tǒng)由德國西門子中標，與東電合作；14套調(diào)速系統(tǒng)由法國阿爾斯通中標，與哈電合作。梯級調(diào)度計算機監(jiān)控系統(tǒng)由瑞士ABB提供，北京水電科學研究院分包，三峽總公司和南瑞公司參加聯(lián)合開發(fā)。左岸電站14臺水輪機制定制造合同分別授予了兩個制造集團，因而出現(xiàn)了兩個不同的水力制定和結(jié)構(gòu)制定。為了有利于機組安裝維護，在投標前曾商討幾家中標企業(yè)采納一套圖紙的可能性。由于投標商都是世界知名水電企業(yè)，各有優(yōu)勢，很難放棄自己的制定；同時，這些企業(yè)之間都是競爭對手，也不愿意拿出自己的成果與人共享，因此未能實現(xiàn)14臺機組采納一套圖紙的愿望。另一方面，兩套制定也有其有利的一面，可使國內(nèi)分包廠商通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓，更全面地學習和了解國際先進技術(shù)，對國內(nèi)發(fā)電設(shè)備技術(shù)發(fā)展有更好的促進作用。2004年3月27日，三峽工程右岸電站12臺70萬千瓦機組采購合同簽訂儀式在湖北宜昌舉行。從左岸到右岸的歷史性跨越

從1997年起，國內(nèi)以哈電、東電為主的企業(yè)開始對70萬千瓦機組進行技術(shù)轉(zhuǎn)化，此時距2004年三峽右岸電站12臺機組招標只剩下7年時間，除非中國企業(yè)在這7年里縮短與國際同行30多年的技術(shù)差距，否則下一次招標，仍然只能眼睜睜看著幾家國際巨頭來分這塊大蛋糕。而且除三峽工程外，中國規(guī)劃在建的70萬千瓦以上機組就有120臺以上，這塊價值數(shù)百億元的龐大市場絕不能拱手讓人。為此，哈電、東電等企業(yè)投入巨資進行技術(shù)改造，派出數(shù)百人次去國外學習，接受國外水電制定軟件，掌握了水輪機水力制定與模型試驗、發(fā)電機電磁制定、大部件強度剛度計算、推力軸承計算與試驗、軸系穩(wěn)定性計算、發(fā)電機通風冷卻計算等核心技術(shù)。

2004年3月27日，三峽工程右岸電站12臺70萬千瓦機組采購合同簽訂儀式在湖北宜昌舉行。在投標階段的水力模型試驗中，阿爾斯通總體評價第一，哈電和東電緊隨其后；由哈電、東電研制的機組轉(zhuǎn)輪空化性能與左岸轉(zhuǎn)輪相當，而水力穩(wěn)定性顯然優(yōu)于左岸機組。通過與國際巨頭同臺競爭，哈電、東電和阿爾斯通各獲得4臺機組的制造合同。國產(chǎn)機組平均每臺價格約3.75億元，比外商價格低4450萬元，12臺機組就節(jié)約了5億多元，這標志著國產(chǎn)化戰(zhàn)略取得了重大成果。2007年9月13日，三峽右岸地下電站6臺70萬機組簽訂采購合同，哈電、東電和天津阿爾斯通又獲得各承建2臺的合同。

2008年8月28日，中國三峽總公司在北京簽訂金沙江向家壩、溪洛渡水電站26臺水輪發(fā)電機組招標采購合同，總金額達110多億元。這是迄今為止世界最大一宗水電機組采購活動，包括溪洛渡電站18臺單機容量77萬千瓦機組，和向家壩電站8臺單機容量80萬千瓦機組。它們將取代三峽70萬千瓦機組，成為世界最大水輪發(fā)電設(shè)備。

最終哈爾濱電機廠中標10臺，包括溪洛渡電站左岸6臺77萬千瓦機組和向家壩電站左岸4臺80萬千瓦機組，合同金額達44.27億元。東方電氣廠中標溪洛渡電站右岸9臺77萬千瓦機組。天津阿爾斯通中標向家壩電站右岸4臺80萬千瓦機組。上海福伊特西門子公司中標溪洛渡左岸電站3臺77萬千瓦機組。

在這場國際化競爭中，通過三峽工程，我國企業(yè)不僅掌握了核心技術(shù)，完成了從分包商到主承包商的地位轉(zhuǎn)換，更找到了新的跳板，站到了世界電機制造業(yè)的制高點。使我們在一些原先落后的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域迅速趕上了世界先進水平。三峽右岸電站15號機組于2008年10月29日并網(wǎng)發(fā)電，是左岸和右岸26臺機組中最后一臺投產(chǎn)的機組。

2008年5月14日，三名工作人員在三峽左岸電站中控室工作

三峽左岸電站廠房內(nèi)景和三峽右岸地下電站蝸殼安裝工程。

三峽右岸廠房安裝工程

工程總投資：150億元以上工程期限：1996年——2012年

三峽左岸電站廠房，總長度，跨度39米，高度，相鄰發(fā)電機組中心距。總面積相當于兩艘航空母艦甲板面積，足夠戰(zhàn)斗機在里面起降。

三峽水電站32套70萬千瓦發(fā)電機組由水輪機、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主變壓器及附屬設(shè)備組成，設(shè)備總重超過20萬噸，多數(shù)為超重型特大部件。左岸廠房14套機組有Alstom和VGS兩種構(gòu)型，右岸廠房12套機組和地下廠房6套機組，經(jīng)過Alstom、哈電、東電完善制定，成功消除了對空化敏感的特別壓力脈動區(qū)，使水輪機運行穩(wěn)定性有了進一步提升。

三峽工程最早建設(shè)的左岸14臺機組，中標外商都是國際一流企業(yè)，但實際制造供貨分散在17個國家100多個工廠，又逢制造企業(yè)兼并改組，富有經(jīng)驗的原產(chǎn)地只生產(chǎn)一些關(guān)鍵部件，其他部件轉(zhuǎn)移到子公司，甚至關(guān)鍵的定子線棒德國Siemens公司交給巴西生產(chǎn)〔2號機組1941個水接頭返廠重焊)，瑞士ABB磁極裝配在西班牙生產(chǎn)(5號機組磁極返修后，轉(zhuǎn)子才耐壓通過)，ABB推力頭和鏡板在意大利生產(chǎn)〔5號機組推力頭止口與軸領(lǐng)偏心，需要修磨擴大止口間隙〕，出現(xiàn)不少質(zhì)量問題，經(jīng)過返修最終達到了技術(shù)要求。左岸還有55%的部件由國內(nèi)企業(yè)制造，這批機組質(zhì)量責任在總供貨外商，在運行期間逐步進行升級改造。右岸電站12臺機組有8臺實現(xiàn)國產(chǎn)，地下電站6臺機組全部實現(xiàn)國產(chǎn)?？傮w來說，機組制定制造代表了當今國際先進水平。三峽水電站由于自然條件和以防洪為主的需要，初期水頭61-94米，后期水頭為71-113米，每年汛前水庫水位降到145米高程，防洪庫容221.5億立方米，水頭變幅很大，額定水頭.427m.9m三峽右岸電站12根直徑的特大型壓力引水鋼管，和大壩下方的右岸發(fā)電廠房12臺水輪發(fā)電機組。

1、水輪機進水機構(gòu)

每臺機組有一根直徑的特大型鋼制引水管，由壩體進水口延伸到下游電站水輪機蝸殼前部，被澆筑在混凝土壩體中，是永久不修復(fù)部件。由72個管節(jié)組成，分上斜直段、下彎段、下平段、和錐管漸變段四部分，采納壁厚26-60mm的60kgf/mm2級高強度鋼板卷制而成。單節(jié)重量在20-50噸之間。

三峽上游水庫的水經(jīng)大壩引水口鋼制閘門進入引水管，以每秒1020立方米的流量傾瀉而下，再流入蝸殼做圓周旋轉(zhuǎn)運動，形成雷霆萬鈞般的強大沖擊力，經(jīng)導水機構(gòu)調(diào)節(jié)，將水流均勻、軸對稱地送入水輪機轉(zhuǎn)輪，推動轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)。引水管還要承受來自水庫內(nèi)393億立方米水形成的龐大壓力，一旦鋼管爆裂，澆筑在管道上面2-3米厚的混凝土根本難以抵擋這萬鈞之力。而大壩進水口鋼制閘門至少需要3.5分鐘才干關(guān)閉，在這期間下游廠房早已發(fā)生機毀人亡的事故。因此對引水管鋼材的屈服強度、抗拉強度、延伸性能和沖擊韌性等4大指標有嚴格的要求。

2000年5月，湖北出入境檢驗檢疫局對從日本三井物產(chǎn)進口，住友金屬株式會社生產(chǎn)的669.408噸低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼板進行3次檢測，均顯示沖擊韌性不合格，迫使日方全部退貨。該批鋼板主要用于卷制左岸7-14號機組引水管，從而避免了一樁因鋼材品質(zhì)缺陷而可能造成引水管爆裂的重大事故隱患。2005年12月7日，三峽右岸電站吊裝完成的一臺機組蝸殼，與大壩引水管相連，蝸殼中間是座環(huán)固定導葉。

2、水輪機引水機構(gòu)

蝸殼是引水機構(gòu)的關(guān)鍵部件，外型如同蝸牛殼，進口最大直徑，從進口開始斷面逐漸縮小，截面半徑從最到不等，尺寸及重量均為國內(nèi)之最。而且兩家供貨商的結(jié)構(gòu)制定也不一樣，VGS的蝸殼有33節(jié)，總重690噸，阿爾斯通的蝸殼有30節(jié)，總重739噸。采納60kg/mm2級高強鋼板卷制，板厚24-120毫米，制定時合計了3mm腐蝕余量。左岸機組蝸殼現(xiàn)場安裝的二類以上焊縫總長度超過12.6公里，耗用焊條超過185噸。

℃，在高溫季節(jié)和低溫季節(jié)保壓澆混凝土的效果相差很大。因此澆筑蝸殼周邊混凝土時既要控制內(nèi)水壓力，又要控制水溫，還要合計周邊混凝土上升過程中產(chǎn)生的熱量對蝸殼變形的影響。座環(huán)位于水輪機底部蝸殼內(nèi)側(cè)，上部安裝水輪機轉(zhuǎn)輪，為平板式組焊結(jié)構(gòu)，由上、下環(huán)板、固定導葉、導流板、過渡板、大舌板等部件組成。VGS供貨的環(huán)座總重382噸，合計到運輸需要，分為6瓣，單瓣最重約70.5噸，組裝后最大外徑約，高。ALSTOM供貨的環(huán)座總重345.5噸，單瓣最重約65噸，組裝后最大外徑約15米。座環(huán)分6瓣在工廠制作并退火，在現(xiàn)場機坑內(nèi)用預(yù)應(yīng)力螺栓把合后組焊成整體，所有焊縫需磁粉和超聲波探傷，相關(guān)尺寸精度要求高，制造裝配難度較大。三峽水輪機座環(huán)，重達300多噸，豎立的是座環(huán)固定導葉，內(nèi)側(cè)安裝活動導葉，座環(huán)中間安裝水輪機轉(zhuǎn)輪。三峽水庫上游來水經(jīng)引水管流入蝸殼，在座環(huán)固定導葉和活動導葉調(diào)整水流形態(tài)后，沖擊水輪機轉(zhuǎn)輪，將勢能轉(zhuǎn)化為推動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的機械能。3、水輪機導水機構(gòu)

導水機構(gòu)位于蝸殼內(nèi)部，通過活動導葉調(diào)節(jié)水輪機進水流量從而控制水輪機工況的部件。三峽水輪機導水機構(gòu)由底環(huán)、頂蓋、24片導葉、控制環(huán)及導葉操作機構(gòu)等大小千余個零件組成，總重近千噸。底環(huán)直徑，高，重達112噸，由4瓣28噸的構(gòu)件組裝而成。頂蓋直徑，高，重達380噸，分4瓣在工廠制作并作消除應(yīng)力處理。24片導葉每片長約3米，重達11噸。

導葉是水輪發(fā)電機組導水機構(gòu)中最重要的鑄鍛件之一，它的制造一直是大型水輪機組制造面臨的一大難題。導葉以往多采納砂型鑄造生產(chǎn)，由于金屬結(jié)晶過程中，先四邊后中間的順序，大型鋼錠冷卻后往往體積變小，導致中間部分質(zhì)地疏松，加上鋼水補充得不及時，就會形成晶粒碩大，強度不好。易于產(chǎn)生縮松、縮孔、氣孔、夾雜、裂痕等常見鑄造缺陷。這種狀況有點類似于“冰棍成形〞過程：水在模具里冷卻成冰，其外部先開始凝固凍結(jié)，因熱脹冷縮原理，容易造成外部堅硬，內(nèi)部空洞不實。

為解決這個問題，沈陽鑄造研究所采納電渣熔鑄技術(shù)，把電渣重熔精煉與鑄件凝固成型兩道工序結(jié)合，攻克了電渣熔鑄大型水輪機導葉的材料、工藝工裝及設(shè)備等方面的關(guān)鍵技術(shù)。先后為東方電機廠、哈爾濱電機廠生產(chǎn)了10臺份三峽水輪機導葉鑄件，產(chǎn)品造價降低30%，壽命提升了30%，改變了我國此類高端部件依賴進口的局面。哈電制造的水輪機轉(zhuǎn)輪是水輪機核心部件之一，直徑，高約5米，重達450噸，造價超過3000萬元人民幣，制造難度極高。

4、水輪機超大型轉(zhuǎn)輪整體加工

轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機組的心臟，由上冠、下環(huán)、葉片、泄水錐等部分組成；其質(zhì)量、性能直接影響到發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定和效率。由于水中含有泥沙時，泥沙經(jīng)常與空蝕磨損聯(lián)合作用，導致水輪機過流部件，別是轉(zhuǎn)輪葉片表面快速破壞，不僅會降低水輪機運行效率，嚴重時甚至危及部件的結(jié)構(gòu)安全。葉片出水邊由于應(yīng)力過大而造成疲憊裂痕，也是影響國內(nèi)外大型混流式水輪機可靠性的較普遍現(xiàn)象。因此轉(zhuǎn)輪對材質(zhì)、形線及尺寸精度等要求均十分嚴格。

三峽左岸Alstom供貨的水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、高、喉口直徑，凈重450噸，由上冠、下環(huán)、15塊葉片、上下止漏環(huán)和泄水錐焊接而成，是目前世界最大的水電鑄鋼焊接件。上冠不銹鋼鑄件重達112噸，下環(huán)重達58噸，輪機葉片最大尺寸為4537×4951×2300毫米，凈重17.49噸，VOD精煉鋼水，探傷要求為CCH70-3，其尺寸、重量、技術(shù)含量、制造難度都堪稱當今世界同類產(chǎn)品之最，每片造價高達200萬元，僅數(shù)控機床加工費就達30萬元以上，切削下來的鐵屑重達數(shù)噸。VGS機組的水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)略有不同，直徑，高，喉口直徑，由上冠、下環(huán)和13塊葉片焊接而成，單塊葉片重22.2噸，轉(zhuǎn)輪總重473噸，加工周期長達一年多時間，造價超過3000萬元人民幣。

三峽水輪機轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片，是水輪機中技術(shù)含量最高，制造難度最大，制造周期最長的部件。由于采納ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，對溫度非常敏感，高溫柔低溫都極易產(chǎn)生裂痕。多包鋼水同時澆注時，每包化學成份必需均勻。鑄件在凝固和熱處理過程中極易變形，工藝參數(shù)和熱處理裝窯方式不易掌握。轉(zhuǎn)輪葉片屬于三維扭曲變斷面結(jié)構(gòu)的大型板狀不銹鋼鑄件，也是水輪機中質(zhì)量要求最高、制造難度最大的代表性鑄件，其制造精度對機組的效率等水力性能有直接的影響。

在與外商合作的過程中，哈爾濱電機廠為建造轉(zhuǎn)輪，投資3000多萬元在遼寧葫蘆島建立濱海水電大件加工廠，采納機器人埋弧焊接、大型轉(zhuǎn)輪焊接變位機、鐘罩式退火爐，以及500噸級轉(zhuǎn)輪高精度靜平衡工具等技術(shù)裝備完成了轉(zhuǎn)輪加工焊接任務(wù)。東方電機廠對廠房進行技術(shù)改造，采納脈沖式氣體保護法、多角度超聲波探傷等工藝，轉(zhuǎn)輪一次探傷合格率達96%，沒有裂痕，達到國際先進水平。國內(nèi)目前有一重、二重、鞍鋼重機、華銳鑄鋼、東電、哈電等企業(yè)能生產(chǎn)此類轉(zhuǎn)輪，國外也僅有法國阿爾斯通、挪威克瓦納、加拿大GE、德國Voith、日本日立等跨國巨頭對此項制造工藝比較成熟。2006年10月11日上午，一個有兩層樓高的龐然大物，騎在一輛有256個輪子的平板拖車上，浩浩蕩蕩地開進了成都市區(qū)。這個龐然大物是由東方電機廠生產(chǎn)制造的首臺國產(chǎn)三峽右岸水輪機轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪毛重497噸，加上拖車、平板拖車的重量，車貨總重達到了616.2噸。

5、水輪機超大型轉(zhuǎn)輪運輸

三峽左岸水輪機轉(zhuǎn)輪由于體型龐大，其運輸安裝，曾比較過美國大古力第三電廠水輪機，在現(xiàn)場將上冠、下環(huán)、葉片組焊成整體，加工退火然后在工地交付業(yè)主的方式。不過由于三峽有非常有利的水運條件，因此在三峽電站32臺轉(zhuǎn)輪，每年交付4臺的狀況下，采納了由供貨方將加工好的轉(zhuǎn)輪整體運輸?shù)饺龒{的方式。依據(jù)分包合同和技術(shù)轉(zhuǎn)讓要求、左岸14臺轉(zhuǎn)輪的分配是：VGS供貨的6臺轉(zhuǎn)輪，由加拿大GE制造2臺，整體加工后從蒙特利爾港運到上海再轉(zhuǎn)運至三峽。德國Voith制造2臺，由Voith巴西工廠將上冠、下環(huán)、葉片加工好后，運至上海希科的車間內(nèi)完成組焊、加工、退火等工序，然后由黃埔江碼頭運抵三峽工地。東方電機制造2臺，在其車間內(nèi)完成上冠、下環(huán)、葉片的加工、裝配、退火、靜平衡等工序，由大件運輸公路駛達大渡河肖灣碼頭，轉(zhuǎn)入長江后直接運至三峽工地左岸重件碼頭。三峽斷航期間，采納提前或推后交貨等避開斷航時段的方式進行。

Alstom聯(lián)合體供貨的8臺轉(zhuǎn)輪，業(yè)主指定有3臺分包給挪威克瓦納〔Kvaerner〕公司〔并購后現(xiàn)為通用電氣水電公司挪威公司〕。這3臺轉(zhuǎn)輪曾希望采納質(zhì)量更好的模壓成型葉片，合同中明確有模壓葉片工藝技術(shù)轉(zhuǎn)讓的條款。但由于三峽左岸水輪機葉片的尺寸過大而無法實現(xiàn)，最終還是采納鑄件葉片在KEN羅馬尼亞工廠加工后，運至哈電在葫蘆島的濱海大件工廠，完成組焊、加工、退火等工序，整體轉(zhuǎn)輪由渤海經(jīng)水路運抵三峽工地。法國Alstom分包的3臺轉(zhuǎn)輪，在法國格勒諾布爾〔Grenoble〕將上冠、下環(huán)、葉片加工完成后，由公路運輸?shù)胶＿呅〕抢骷s塔〔LaCiotat〕，在車間內(nèi)完成組焊、加工、退火等工序，再利用船塢起吊設(shè)備，海運到上海港。哈爾濱電機廠分包的2臺轉(zhuǎn)輪，在哈爾濱完成上冠、下環(huán)、葉片的加工后，運到葫蘆島濱海大件工廠。在接受挪威克瓦納組焊加工的技術(shù)轉(zhuǎn)讓后，再加工自己分包的轉(zhuǎn)輪。據(jù)測算，哈電制造的三峽轉(zhuǎn)輪葉片每噸成本11.5萬元，比外商低21%。三峽電站的員工正在水輪機組水車室檢查主軸運轉(zhuǎn)有無異常6、水輪機主軸

三峽水輪機主軸為內(nèi)法蘭式，居世界同類產(chǎn)品之最，主軸直徑達，長，壁厚116mm，重達117噸。水輪機和發(fā)電機要通過主軸連接才干發(fā)電，對軸線的精度要求特別嚴，要求徑向和端面跳動要小于0.05毫米；其尺寸之大和質(zhì)量要求之高，在世界水電設(shè)備制造史上都屬空前。為了滿足這種超大型產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，哈電、東電、二重等企業(yè)引進了20-22米數(shù)控立式車床、16米數(shù)控重型臥車、五坐標數(shù)控銑加工中心等一批處于國際領(lǐng)先水平的設(shè)備，為今后加工此類超大型產(chǎn)品積存了豐富經(jīng)驗。7、發(fā)電機結(jié)構(gòu)概況

三峽70萬機組左岸發(fā)電機由Alstom/ABB和VGS聯(lián)合體供貨，右岸實現(xiàn)國產(chǎn)。采納推力軸承置于下機架的三導軸承半傘式結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子、定子、上機架、下機架、推力軸承、導軸承、空氣冷卻器和永磁機等部分組成。額定容量777.8MVA/700MW，最大容量840MVA，額定電壓20kV，額定電流22453A，額定轉(zhuǎn)速75rpm，推力軸承總負荷5520噸，采納定子繞組水冷、轉(zhuǎn)子空冷的冷卻方式，發(fā)電機總重量達3443噸，是世界最大的水輪發(fā)電機。一臺機組1小時發(fā)電量約為55萬度，足夠10萬戶家庭用一天。三峽水輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行吊裝，該轉(zhuǎn)子直徑，加上吊裝設(shè)備總重近2000噸。

8、發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)側(cè)，是發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部件，通過主軸與下面的水輪機連接，主要作用是產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子中心體、圓盤支臂、磁軛、磁極、扭矩塊、上下壓板、永久螺栓、上下?lián)躏L板、剎車板等部件組成，VGS供貨的轉(zhuǎn)子最大直徑，高，重達1694.5噸。阿爾斯通供貨的轉(zhuǎn)子最大直徑，高，重達1780噸，是當今世界已投產(chǎn)的水輪發(fā)電機組中重量最重的機組。加上吊具，吊裝總重量近2000噸。由發(fā)電廠房內(nèi)安裝的兩臺1200噸級橋式起重機聯(lián)合起吊安裝。

磁軛是轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，用于固定磁極，由13500多片轉(zhuǎn)子磁軛沖片裝配而成，重達1300多噸。每組磁軛沖片上均勻分布著50個孔，孔距誤差在0.05毫米內(nèi)。以前國內(nèi)一直采納沖床加工磁軛沖片，鋼板邊緣易起毛邊，疊加裝配不平整。而國外從上世紀90年代初開始使用激光切割機加工磁軛沖片。2002年，東方電機廠通過國際招標，采納武漢華工科技的激光數(shù)控切割機，順利完成磁軛加工。磁極是產(chǎn)生磁力線的部件，轉(zhuǎn)子掛裝的80個磁極，每個重達5467公斤。當轉(zhuǎn)子通過主軸與水輪機一起旋轉(zhuǎn)時，定子繞組不斷切割磁力線產(chǎn)生電能。三峽右岸22號機組發(fā)電機定子吊裝，該定子外徑達，吊裝重量超過400噸。

9、發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)

，重達326.4噸。定子電流達22453A，在如此大的電流和高電壓作用下，發(fā)電機的定子線圈/線棒，就顯得尤為重要，在發(fā)電機運行及起、停過程中，線棒承受電磁力、熱效應(yīng)和機械應(yīng)力的綜合作用，還有在嚴重的短路狀況下可能發(fā)生的振動和沖擊變形。其是決定發(fā)電機壽命的關(guān)鍵部件。VGS和Alstom提供的三峽發(fā)電機都采納定子繞組水冷、轉(zhuǎn)子空冷的冷卻方式，每臺有1020根線棒，線棒主絕緣采納少膠帶真空浸漬工藝制造。經(jīng)過協(xié)商，外商同意哈電、東電按多膠帶模壓工藝，完成了主絕緣工作場強為2.51KV/mm的絕緣定子線圈制造，工藝精度達到技術(shù)要求，為今后技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。工作人員正在安裝發(fā)電機定子線棒

10、定子線棒冷卻技術(shù)

電機線棒冷卻是大型水輪發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)之一，目前主要有“半水冷〞，即定子線圈直接水冷，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子磁極線圈采納空氣冷卻；和定子、轉(zhuǎn)子線圈全都采納空氣冷卻的“全空冷〞兩種方式。三峽左岸外商制定的機組全部采納“半水冷〞方式。直接水冷的優(yōu)點是可以提升定子線圈電流密度，減少材料消耗量，降低定子線圈溫度，延長絕緣使用壽命；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻定子線圈的水不但需要無雜質(zhì)及合適的酸堿度，而且必需是經(jīng)過去離子處理，要有相當?shù)蛯щ娐实乃?。由一套?nèi)設(shè)水泵、水冷卻器、水過濾器、去離子處理裝置的閉式循環(huán)系統(tǒng)供給。一旦因冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會引起發(fā)電機突然解列跳閘，對電力系統(tǒng)帶來龐大沖擊。

相比“半水冷〞方式，采納全空氣冷卻會更加安全可靠；但隨著發(fā)電機容量的增加，全空冷技術(shù)難度越來越大。哈爾濱電機廠針對三峽水輪發(fā)電機的特點，制造了和真機結(jié)構(gòu)完全仿真的1：5全空冷水輪發(fā)電機通風試驗臺，開展了通風系統(tǒng)的仿真計算，通過近4年的研發(fā)，成功制造出20KV全空冷主絕緣定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣材料，并應(yīng)用到三峽右岸哈電制造的4臺機組上，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全空冷發(fā)電機組。11、6000噸級推力軸承

在大型水輪發(fā)電機電組中，推力軸承是制造難度最大部件之一。三峽電站水輪發(fā)電機下機架中心體油槽內(nèi)的推力軸承，承受軸向總負荷高達5520噸，居世界之最。關(guān)于這種大容量、高負荷機組，推力軸承制定難度是非常大的。

推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方，由推力頭、鏡板、推力瓦、軸承座(瓦座)及油槽等部件組成。在懸掛式發(fā)電機中，轉(zhuǎn)動部分(包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機轉(zhuǎn)輪、大軸和作用于轉(zhuǎn)輪上的水壓力)的負荷，通過推力頭和推力軸承傳給上機架，上機架傳給定子外殼，定子外殼再把力傳給機墩，整個機組好象用推力軸承懸掛在上機架一樣，因此稱為懸掛式。

三峽推力軸承里的推力頭及鏡板重達68噸，需要承受著轉(zhuǎn)動部分〔包括上端軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機主軸、水輪機轉(zhuǎn)輪、主軸等〕部件重達2600噸的重量，以及水輪機轉(zhuǎn)輪中高達2920噸的水推力負荷，重負荷達5520噸。因此對推力頭及鏡板的光潔度、垂直度要求非常高，同意誤差只有2毫米，是機組的核心部件之一。

三峽電站中，VGS機組采納小螺旋彈簧簇支撐的巴氏合金瓦面材料浸油外循環(huán)結(jié)構(gòu)，鏡板直徑。Alstom采納不同直徑圓柱梢支撐雙層瓦的巴氏合金瓦面材料浸油外循環(huán)結(jié)構(gòu)，鏡板直徑。1970年代，ALSTOM公司為研制巴西伊泰普電站發(fā)電機，針對該機組推力軸承制定負荷高達4700噸，開發(fā)了小支柱雙層瓦推力軸承，并申請了專利。90年代初哈電為研制大負荷推力軸承，專門投資5000萬元建設(shè)了3000噸推力軸承試驗臺，和6000噸級彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗臺，針對三峽不同水頭進行了上千次實驗，所獲得1萬多個數(shù)據(jù)為水輪機制定制造提供了條件和技術(shù)準備。1997年，哈爾濱電機廠研制成功三峽6000噸級彈性金屬塑料瓦推力軸承，并完成了全尺寸模擬試驗。國產(chǎn)彈性金屬塑料瓦材料能夠適應(yīng)三峽機組年啟停500次的運行條件。

經(jīng)過十多年努力，三峽水輪發(fā)電機組設(shè)備通過引進關(guān)鍵技術(shù)、消化汲取革新，國產(chǎn)化率不斷提升，成功實現(xiàn)了從洋品牌到國產(chǎn)化的轉(zhuǎn)變。通過“技術(shù)轉(zhuǎn)讓—消化汲取—自主革新〞，用幾年的時間完成了幾十年的跨越，成為中國重大裝備國產(chǎn)化的強有力助推器。隨著金沙江向家壩水電站80萬千瓦機組和白鶴灘、烏東德水電站單機容量100萬千瓦機組陸續(xù)開始建設(shè)，我國科研人員將持續(xù)向世界水電設(shè)備行業(yè)最高水平發(fā)起沖擊。三峽電站左岸廠房1-6號機組

三峽70萬千瓦水輪發(fā)電機組概況三峽左岸01號機組，VGS總包，2003年11月22日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第6臺機組，東電分包。

三峽左岸02號機組，VGS總包，2003年7月10日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第1臺機組，東電分包。

三峽左岸03號機組，VGS總包，2003年8月18日并網(wǎng)發(fā)電。左岸第3臺機組，東電分包。

三峽左岸04號機組，ALSTOM總包，2003年10月28日并網(wǎng)發(fā)電。左岸第5臺機組，哈電分包。

三峽左岸05號機組，ALSTOM總包，2003年7月16日并網(wǎng)發(fā)電。左岸第2臺機組，哈電分包。

三峽左岸06號機組，ALSTOM總包，2003年8月29日并網(wǎng)發(fā)電。左岸第4臺機組，哈電分包。

三峽左岸07號機組，VGS總包，2004年4月29日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第8臺機組，東電分包。

三峽左岸08號機組，VGS總包，2004年8月24日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第10臺機組，東電分包。

三峽左岸09號機組，VGS總包，2005年9月16日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第14臺機組，東電分包，國產(chǎn)化率85%

三峽左岸10號機組，ALSTOM總包，2004年4月7日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第7臺機組，哈電分包。

三峽左岸11號機組，ALSTOM總包，2004年7月26日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第9臺機組，哈電分包。

三峽左岸12號機組，ALSTOM總包，2004年11月19日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第11臺機組，哈電分包。

三峽左岸13號機組，ALSTOM總包，2005年4月25日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第12臺機組，哈電分包。

三峽左岸14號機組，ALSTOM總包，2005年7月21日并網(wǎng)發(fā)電，左岸第13臺機組，哈電分包，國產(chǎn)化率71%。

三峽右岸15號機組，東電總包，2008年10月29日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第12臺機組，第8臺國產(chǎn)機組

三峽右岸16號機組，東電總包，2008年7月2日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第10臺機組，第6臺國產(chǎn)機組

三峽右岸17號機組，東電總包，2007年12月27日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第7臺機組，第4臺國產(chǎn)機組

三峽右岸18號機組，東電總包，2007年10月22日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第4臺機組，第2臺國產(chǎn)機組

三峽右岸19號機組，ALSTOM總包，2008年6月19日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第9臺機組。

三峽右岸20號機組，ALSTOM總包，2007年12月8日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第6臺機組。

三峽右岸21號機組，ALSTOM總包，2007年8月21日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第3臺機組。

三峽右岸22號機組，ALSTOM總包，2007年6月11日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第1臺機組。

三峽右岸23號機組，哈電總包，2008年8月22日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第11臺機組，第7臺國產(chǎn)機組

三峽右岸24號機組，哈電總包，2008年4月26日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第8臺機組，第5臺國產(chǎn)機組

三峽右岸25號機組，哈電總包，2007年11月6日并網(wǎng)發(fā)電，右岸第5臺機組，第3