科技日報記者 朱虹

覃大清，哈電集團首席科學家，主持了三峽水電站、白鶴灘水電站等大型水電站機組的研發(fā)工作。

12月20日，白鶴灘水電站將迎來全部機組投產(chǎn)發(fā)電3周年。這座超級工程是我國“西電東送”骨干電源，其16臺單機容量100萬千瓦的水輪發(fā)電機組的“心臟”——轉輪，由哈電集團首席科學家覃大清及其團隊設計。如今，這位白鶴灘水電站百萬千瓦機組總設計師再攀高峰，帶領團隊研制出全球首臺單機容量500兆瓦的沖擊式轉輪。這朵形如“太陽花”的巨輪，正被運往西藏扎拉水電站，將在700米高落差中綻放光彩。

近日，覃大清接受科技日報記者采訪，講述為大型水電機組注入“心”動力的故事。

樹“百萬千瓦”技術標桿

記者：百萬千瓦是世界水電機組的“珠穆朗瑪峰”。您在白鶴灘水電站機組設計期間，全程參與了機組容量的論證工作。當時為何會提出“百萬千瓦”這一目標？

覃大清：“百萬千瓦”目標，不是拍腦門想出來的。它既是白鶴灘水電站自身的需要，也是我國水電技術發(fā)展到一定階段的必然選擇。白鶴灘的水情、電情、地質條件，決定了單機容量越大，綜合性能指標越優(yōu)。

從技術積累來看，我們是有底氣的。從三峽工程開始，我們用7年時間實現(xiàn)了從30萬千瓦到70萬千瓦機組的自主研發(fā)跨越；隨后通過建設溪洛渡水電站、向家壩水電站，又將國產(chǎn)水電機組單機容量提升至80萬千瓦等級。可以說，80萬千瓦的技術實踐，為我們積累了巨型機組設計、制造的經(jīng)驗，也讓我們看到了向“百萬千瓦”沖擊的可能。

記者：既然有技術積累，為何確定“百萬千瓦”容量目標仍經(jīng)歷了漫長的論證？當時主要存在哪些爭議？

覃大清：論證持續(xù)了整整5年，核心爭議在于“技術跨越是否可行”。當時的背景是，哈電集團的70萬千瓦全空冷技術剛剛成功應用，80萬千瓦等級機組還在研制中尚未投入運行，行業(yè)專家擔心百萬千瓦機組的水輪機穩(wěn)定性、發(fā)電機散熱等問題。

面對質疑，我們沒有急于辯解，而是選擇用技術實力說話。針對水輪機領域的高部分負荷壓力脈動和超寬負荷穩(wěn)定性這兩大亟待解決的問題，我們摒棄傳統(tǒng)設計，創(chuàng)新采用長短葉片轉輪優(yōu)化流道。在發(fā)電機方面，我們大膽嘗試新的冷卻結構與通風方式，解決了大容量帶來的發(fā)熱問題。值得一提的是，我們開發(fā)了世界空冷電壓等級最高的24千伏絕緣系統(tǒng)。要知道三峽工程機組20千伏的電壓已是當時世界最高，而我們的24千伏系統(tǒng)經(jīng)過耐壓擊穿、防暈等一系列嚴苛試驗，符合相關標準。這些技術突破最終打消了專家們的疑慮，讓“百萬千瓦”從設想變成了共識。

記者：在攻堅過程中，哪項技術突破讓您印象深刻？

覃大清：那就要說水輪機轉輪葉片的設計決策。作為發(fā)電機組的“心臟”，轉輪直接決定了機組性能。當時，我們團隊在轉輪葉片設計上出現(xiàn)了分歧。

第一種是常規(guī)葉片方案，技術成熟、成本可控，但缺點也很突出——高水頭時穩(wěn)定性不足，低水頭時超發(fā)能力弱。第二種是長短葉片方案，15長15短的設計能顯著提升性能，彌補常規(guī)方案的短板，但葉片數(shù)量翻倍，制造成本和難度大幅上升。此外，第二種方案在國內(nèi)外沒有任何巨型機組先例可循，風險極高。

到底選哪一種？作為總設計師，我必須拍板。當時，我跟團隊成員說，我們造百萬千瓦機組，不只是造一臺設備，而是要樹起中國水電的技術標桿。最終經(jīng)商議，我們選擇了挑戰(zhàn)更大的長短葉片方案。經(jīng)過無數(shù)次仿真計算和模型試驗，我們研發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權的百萬千瓦混流式水電機組長短葉片轉輪，讓我國巨型混流式水輪機研制達到世界領先水平。

記者：2021年，全球首臺百萬千瓦機組在白鶴灘成功滿負荷并網(wǎng)。那一刻您的心情是怎樣的？

覃大清：當時，我在工作筆記本上寫下一句話：雖然一切都在預料之中，但這一刻還是讓人激動萬分。這種激動，源于對歷史的回望。1951年，我們的前輩在物資匱乏的條件下，造出我國第一臺800千瓦水電機組。如今，我們自主研發(fā)的機組容量達到100萬千瓦，整整提升了1250倍。

當然，更多的是感激。我們團隊里的年輕人，有的在試驗場連續(xù)蹲守幾個月，有的為了趕進度放棄了春節(jié)休假。這份成就，屬于每一位默默付出的水電人。

征服700米高落差

記者：白鶴灘工程告捷后，您和團隊沒有停下腳步，而是向西挺進，研制西藏扎拉水電站的轉輪。和白鶴灘水電站的混流式轉輪相比，扎拉水電站的沖擊式轉輪有何不同？為什么要把后者設計成“太陽花”造型？

覃大清：白鶴灘水電站的混流式轉輪是“在水中推槳”，靠葉片在水流中旋轉做功，適配中低水頭、大流量的工況。而扎拉水電站擁有700米的超高落差，水流速度極快，常規(guī)混流式轉輪無法適配此種工況，因此我們要把轉輪設計成“在水面接浪”的沖擊式結構。這是兩者最核心的不同。

具體來說，超高落差下混流式轉輪會面臨兩大問題：一是水輪機與發(fā)電機的參數(shù)無法匹配，導致能量轉換效率較低；二是高速水流對葉片的沖擊力極大，常規(guī)結構根本承受不住。

而“太陽花”造型設計，正是針對性解決這兩個問題。第一，轉輪水斗采用曲面結構，像花瓣一樣舒展排布，這種結構的剛強度極佳，能將高速水流的沖擊力分散到各個水斗面，避免局部應力過載。第二，沖擊式轉輪更適配高水頭場景，其參數(shù)與發(fā)電機的匹配度遠高于常規(guī)混流式轉輪，再加上“太陽花”的曲面水斗能更順暢地承接、引導水流，讓水流能量以更高效率轉化為機械能。

記者：有了白鶴灘水電站轉輪的研發(fā)經(jīng)驗，您和團隊在設計“太陽花”時難度是不是小一些？

覃大清：其實難度一點沒小，甚至在某些關鍵技術上挑戰(zhàn)更大。雖然扎拉水電站機組的發(fā)電功率是白鶴灘水電站的一半，但轉輪轉速卻達到了白鶴灘水電站的2倍，再加上超高水頭沖擊式轉輪的研發(fā)沒有成熟經(jīng)驗可借鑒，我們只能“摸著石頭過河”。

最難“啃”的“骨頭”，是要在抗沖擊與高效做功之間找到平衡：一方面，700米超高落差帶來的沖擊力極大，轉輪必須具備超強的結構強度才能抵御沖擊；另一方面，要讓水流能量高效轉化為機械能，不能因為強調(diào)抗沖擊而犧牲發(fā)電效率。

研發(fā)過程中，一次模擬試驗讓我印象特別深。當時，原本運行平穩(wěn)的數(shù)據(jù)曲線突然毫無征兆地出現(xiàn)異常，這意味著轉輪的水流適配性出了大問題。我們團隊立刻停下手頭工作，像醫(yī)生會診一樣集中攻關，逐一排查流道設計、射流角度、水斗弧度等上百個參數(shù)，最終找到問題根源：我們對康達效應（流體傾向于沿著固體表面一側流動的特性）的影響預判不足，導致水斗弧度與水流夾角的匹配度不夠，進而造成水斗出流受阻。之后一個月，我們基于試驗數(shù)據(jù)一點點優(yōu)化轉輪曲面曲率，校準射流角度，最終讓數(shù)據(jù)曲線恢復平穩(wěn)，徹底解決了這個影響效率和穩(wěn)定性的關鍵問題。

記者：看來試驗驗證是攻關的關鍵環(huán)節(jié)。

覃大清：的確，我們在試驗中意外發(fā)現(xiàn)：沖擊式轉輪竟然會空化，這完全推翻了教科書中“沖擊式轉輪不會出現(xiàn)空化”的說法。

空化是一種流體力學現(xiàn)象。具體在水輪機場景中，它指的是水流在水輪機內(nèi)部流動時，因局部壓力降低至對應水溫的汽化壓力，導致水流中產(chǎn)生大量水蒸氣空泡，這些空泡隨水流移動到高壓區(qū)域后，會瞬間破裂潰滅。

而空化帶來的空蝕危害，對水輪機來說是致命的。我們在試驗中觀察到，高速水流撞擊轉輪水斗表面時，水斗彎曲部位會形成明顯的局部低壓區(qū)，當壓力低至汽化臨界值，常溫下的水流就會像沸騰了一樣產(chǎn)生大量空泡。這些空泡隨水流流至高壓區(qū)后，會瞬間潰滅并釋放出微型高壓水射流，持續(xù)沖擊水斗的金屬表面。這種反復沖擊若長期不解決，會導致機組發(fā)電效率大幅下降、運行振動加劇。

沖擊式轉輪在高水頭工況下出現(xiàn)空化，是此前行業(yè)較少關注和驗證的問題。由于沒有任何現(xiàn)成解決方案可借鑒，團隊只能從零開始探索。我們一邊開展仿真模擬，一邊進行實體試驗。前后歷經(jīng)無數(shù)次迭代優(yōu)化，我們最終大幅提升了轉輪的抗空蝕性能。

打造水電科研“鐵軍”

記者：您認為一支優(yōu)秀的科研團隊，不可或缺的要素是什么？

覃大清：我覺得兩點至關重要：一是負責人的擔當，二是團隊成員的合力。負責人不能是“甩手掌柜”，必須業(yè)務精湛、敢于決斷，更要能靠人格魅力凝聚人心。而團隊成員不僅要專業(yè)扎實、能打硬仗，而且要有主動思考、敢于創(chuàng)新的精神，不能等著領導布置任務。

記者：您怎樣培養(yǎng)團隊里的年輕人？

覃大清：我覺得，培養(yǎng)年輕人不是“手把手教”，而是給他們搭平臺、壓擔子、給信任。既要讓他們在實戰(zhàn)中積累經(jīng)驗，也要允許他們試錯、鼓勵他們創(chuàng)新。比如，針對年輕工程師提出的創(chuàng)新冷卻方案，雖然沒有成熟先例可參考，還可能有失敗風險，但只要在科學原理上站得住腳，我就全力支持他們?nèi)プ龇抡?、做試驗，哪怕最后沒達到預期也沒關系。失敗的過程本身就是學習成長的過程。這種信任和包容，能讓年輕人放下顧慮、大膽探索。

記者：在您看來，剛進入水電行業(yè)的年輕人容易遇到哪些問題？作為前輩，您有什么建議？

覃大清：年輕人大都知識面廣、思維活躍，但也容易遇到三個“坎”。一是知識驗證坎：現(xiàn)在信息獲取太容易，但很多知識是有適用條件的，甚至夾雜錯誤信息，將其不加辨別地套用在工程上，很容易出問題。二是知識融合坎：水電是系統(tǒng)工程，只懂機械不懂電氣不行，只懂設計不懂制造也不行，需要在實踐中把專業(yè)知識融會貫通。三是耐心積累坎：水電工程研發(fā)周期長，可能幾年都看不到成果，和部分行業(yè)“即時反饋”的節(jié)奏完全不同，年輕人容易產(chǎn)生浮躁情緒。

我的建議是“三心”。一是好奇心，保持對新知識的敏感，主動學習人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術；二是平常心，接受研發(fā)中的失敗，把每一次失敗都當成成長的機會；三是責任心，要知道我們造的是“大國重器”，每一個參數(shù)、每一次試驗都容不得半點馬虎。

記者：還有3年您就要退休了，在這個階段，您最想做的是什么？

覃大清：我最想做的就是“傳幫帶”。在退休前，我想把畢生積累的技術經(jīng)驗、攻關思路毫無保留地傳給年輕人，打造一支水電科研“鐵軍”。更重要的是，要把水電人“艱苦奮斗、勇攀技術高峰”的精神傳下去。只要行業(yè)里人才輩出、精神不滅，中國水電就一定能在世界舞臺上持續(xù)領跑，不斷書寫更多“大國重器”的傳奇。

記者手記

采訪結束已是傍晚，余暉灑在覃大清辦公桌的轉輪模型上。他送我到門口時，碰到了掛在門邊的帆布包。那包洗得發(fā)白，邊角磨出毛邊，卻被他打理得干干凈凈。“背十年了，里面裝過白鶴灘機組的初版圖紙，也裝過‘太陽花’的試驗數(shù)據(jù)，舍不得換。”他仿佛在說一位老朋友。

聊起轉輪葉片的曲率優(yōu)化時，他手指在桌面上快速比劃，眼神銳利得像在盯試驗數(shù)據(jù)?？僧敱粏柶饦I(yè)余愛好，他從抽屜里翻出一本泛黃的詩集《北國之樹》，說“雨雪陽光憑天奉，山崗清野任我生”是最喜歡的詩句。

“人有理想和情懷，就不會拘泥于眼前?！辈稍L中，他這句樸實的話語讓我沉思良久。這種情懷支撐著他從白鶴灘走向雪域高原，從百萬千瓦水電機組轉向全球首臺500兆瓦沖擊式轉輪。當他說起團隊里的年輕人為了一個數(shù)據(jù)連續(xù)蹲守試驗場數(shù)月時，聲音里滿是疼惜與自豪。

最讓我意外的，是覃大清桌上竟有一本醫(yī)書?！澳贻p時想當醫(yī)生，沒當成，倒把醫(yī)理用在了研究水輪機上。”他指著書里圈畫的“標本兼治”四個字說，“機器和人一樣，得找到病根才能治病，急不得?！?/p>

分別時，我看見覃大清背起那個舊帆布包走向實驗室，里面裝著新圖紙和試驗資料，也裝著始終未改的初心。這位熱愛生活、心懷理想的科研人，將繼續(xù)在水電強國路上書寫詩篇。