科技日?qǐng)?bào)記者 朱虹

12月20日，白鶴灘水電站將迎來全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電3周年。這座超級(jí)工程是我國(guó)“西電東送”骨干電源，其16臺(tái)單機(jī)容量100萬千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組的“心臟”——轉(zhuǎn)輪，由哈電集團(tuán)首席科學(xué)家覃大清及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)。如今，這位白鶴灘水電站百萬千瓦機(jī)組總設(shè)計(jì)師再攀高峰，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出全球首臺(tái)單機(jī)容量500兆瓦的沖擊式轉(zhuǎn)輪。這朵形如“太陽(yáng)花”的巨輪，正被運(yùn)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?qǐng)?bào)記者采訪，講述為大型水電機(jī)組注入“心”動(dòng)力的故事。

樹“百萬千瓦”技術(shù)標(biāo)桿

記者：百萬千瓦是世界水電機(jī)組的“珠穆朗瑪峰”。您在白鶴灘水電站機(jī)組設(shè)計(jì)期間，全程參與了機(jī)組容量的論證工作。當(dāng)時(shí)為何會(huì)提出“百萬千瓦”這一目標(biāo)？

覃大清：“百萬千瓦”目標(biāo)，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(guó)水電技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然選擇。白鶴灘的水情、電情、地質(zhì)條件，決定了單機(jī)容量越大，綜合性能指標(biāo)越優(yōu)。

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

記者：既然有技術(shù)積累，為何確定“百萬千瓦”容量目標(biāo)仍經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的論證？當(dāng)時(shí)主要存在哪些爭(zhēng)議？

覃大清：論證持續(xù)了整整5年，核心爭(zhēng)議在于“技術(shù)跨越是否可行”。當(dāng)時(shí)的背景是，哈電集團(tuán)的70萬千瓦全空冷技術(shù)剛剛成功應(yīng)用，80萬千瓦等級(jí)機(jī)組還在研制中尚未投入運(yùn)行，行業(yè)專家擔(dān)心百萬千瓦機(jī)組的水輪機(jī)穩(wěn)定性、發(fā)電機(jī)散熱等問題。

面對(duì)質(zhì)疑，我們沒有急于辯解，而是選擇用技術(shù)實(shí)力說話。針對(duì)水輪機(jī)領(lǐng)域的高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)和超寬負(fù)荷穩(wěn)定性這兩大亟待解決的問題，我們摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新采用長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪優(yōu)化流道。在發(fā)電機(jī)方面，我們大膽嘗試新的冷卻結(jié)構(gòu)與通風(fēng)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(jí)最高的24千伏絕緣系統(tǒng)。要知道三峽工程機(jī)組20千伏的電壓已是當(dāng)時(shí)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(yán)苛試驗(yàn)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)突破最終打消了專家們的疑慮，讓“百萬千瓦”從設(shè)想變成了共識(shí)。

記者：在攻堅(jiān)過程中，哪項(xiàng)技術(shù)突破讓您印象深刻？

覃大清：那就要說水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計(jì)決策。作為發(fā)電機(jī)組的“心臟”，轉(zhuǎn)輪直接決定了機(jī)組性能。當(dāng)時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了分歧。

第一種是常規(guī)葉片方案，技術(shù)成熟、成本可控，但缺點(diǎn)也很突出——高水頭時(shí)穩(wěn)定性不足，低水頭時(shí)超發(fā)能力弱。第二種是長(zhǎng)短葉片方案，15長(zhǎng)15短的設(shè)計(jì)能顯著提升性能，彌補(bǔ)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(guó)內(nèi)外沒有任何巨型機(jī)組先例可循，風(fēng)險(xiǎn)極高。

到底選哪一種？作為總設(shè)計(jì)師，我必須拍板。當(dāng)時(shí)，我跟團(tuán)隊(duì)成員說，我們?cè)彀偃f千瓦機(jī)組，不只是造一臺(tái)設(shè)備，而是要樹起中國(guó)水電的技術(shù)標(biāo)桿。最終經(jīng)商議，我們選擇了挑戰(zhàn)更大的長(zhǎng)短葉片方案。經(jīng)過無數(shù)次仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)，我們研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦混流式水電機(jī)組長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，讓我國(guó)巨型混流式水輪機(jī)研制達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

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

覃大清：當(dāng)時(shí)，我在工作筆記本上寫下一句話：雖然一切都在預(yù)料之中，但這一刻還是讓人激動(dòng)萬分。這種激動(dòng)，源于對(duì)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(guó)第一臺(tái)800千瓦水電機(jī)組。如今，我們自主研發(fā)的機(jī)組容量達(dá)到100萬千瓦，整整提升了1250倍。

當(dāng)然，更多的是感激。我們團(tuán)隊(duì)里的年輕人，有的在試驗(yàn)場(chǎng)連續(xù)蹲守幾個(gè)月，有的為了趕進(jìn)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(tuán)隊(duì)沒有停下腳步，而是向西挺進(jìn)，研制西藏扎拉水電站的轉(zhuǎn)輪。和白鶴灘水電站的混流式轉(zhuǎn)輪相比，扎拉水電站的沖擊式轉(zhuǎn)輪有何不同？為什么要把后者設(shè)計(jì)成“太陽(yáng)花”造型？

覃大清：白鶴灘水電站的混流式轉(zhuǎn)輪是“在水中推槳”，靠葉片在水流中旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪無法適配此種工況，因此我們要把轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)成“在水面接浪”的沖擊式結(jié)構(gòu)。這是兩者最核心的不同。

具體來說，超高落差下混流式轉(zhuǎn)輪會(huì)面臨兩大問題：一是水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的參數(shù)無法匹配，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低；二是高速水流對(duì)葉片的沖擊力極大，常規(guī)結(jié)構(gòu)根本承受不住。

而“太陽(yáng)花”造型設(shè)計(jì)，正是針對(duì)性解決這兩個(gè)問題。第一，轉(zhuǎn)輪水斗采用曲面結(jié)構(gòu)，像花瓣一樣舒展排布，這種結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度極佳，能將高速水流的沖擊力分散到各個(gè)水斗面，避免局部應(yīng)力過載。第二，沖擊式轉(zhuǎn)輪更適配高水頭場(chǎng)景，其參數(shù)與發(fā)電機(jī)的匹配度遠(yuǎn)高于常規(guī)混流式轉(zhuǎn)輪，再加上“太陽(yáng)花”的曲面水斗能更順暢地承接、引導(dǎo)水流，讓水流能量以更高效率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

記者：有了白鶴灘水電站轉(zhuǎn)輪的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，您和團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)“太陽(yáng)花”時(shí)難度是不是小一些？

覃大清：其實(shí)難度一點(diǎn)沒小，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)上挑戰(zhàn)更大。雖然扎拉水電站機(jī)組的發(fā)電功率是白鶴灘水電站的一半，但轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速卻達(dá)到了白鶴灘水電站的2倍，再加上超高水頭沖擊式轉(zhuǎn)輪的研發(fā)沒有成熟經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)輪必須具備超強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度才能抵御沖擊；另一方面，要讓水流能量高效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，不能因?yàn)閺?qiáng)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(yàn)讓我印象特別深。當(dāng)時(shí)，原本運(yùn)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(zhuǎn)輪的水流適配性出了大問題。我們團(tuán)隊(duì)立刻停下手頭工作，像醫(yī)生會(huì)診一樣集中攻關(guān)，逐一排查流道設(shè)計(jì)、射流角度、水斗弧度等上百個(gè)參數(shù)，最終找到問題根源：我們對(duì)康達(dá)效應(yīng)（流體傾向于沿著固體表面一側(cè)流動(dòng)的特性）的影響預(yù)判不足，導(dǎo)致水斗弧度與水流夾角的匹配度不夠，進(jìn)而造成水斗出流受阻。之后一個(gè)月，我們基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)一點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪曲面曲率，校準(zhǔn)射流角度，最終讓數(shù)據(jù)曲線恢復(fù)平穩(wěn)，徹底解決了這個(gè)影響效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。

記者：看來試驗(yàn)驗(yàn)證是攻關(guān)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

覃大清：的確，我們?cè)谠囼?yàn)中意外發(fā)現(xiàn)：沖擊式轉(zhuǎn)輪竟然會(huì)空化，這完全推翻了教科書中“沖擊式轉(zhuǎn)輪不會(huì)出現(xiàn)空化”的說法。

空化是一種流體力學(xué)現(xiàn)象。具體在水輪機(jī)場(chǎng)景中，它指的是水流在水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，因局部壓力降低至對(duì)應(yīng)水溫的汽化壓力，導(dǎo)致水流中產(chǎn)生大量水蒸氣空泡，這些空泡隨水流移動(dòng)到高壓區(qū)域后，會(huì)瞬間破裂潰滅。

而空化帶來的空蝕危害，對(duì)水輪機(jī)來說是致命的。我們?cè)谠囼?yàn)中觀察到，高速水流撞擊轉(zhuǎn)輪水斗表面時(shí)，水斗彎曲部位會(huì)形成明顯的局部低壓區(qū)，當(dāng)壓力低至汽化臨界值，常溫下的水流就會(huì)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(huì)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(fù)沖擊若長(zhǎng)期不解決，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率大幅下降、運(yùn)行振動(dòng)加劇。

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

打造水電科研“鐵軍”

記者：您認(rèn)為一支優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)，不可或缺的要素是什么？

覃大清：我覺得兩點(diǎn)至關(guān)重要：一是負(fù)責(zé)人的擔(dān)當(dāng)，二是團(tuán)隊(duì)成員的合力。負(fù)責(zé)人不能是“甩手掌柜”，必須業(yè)務(wù)精湛、敢于決斷，更要能靠人格魅力凝聚人心。而團(tuán)隊(duì)成員不僅要專業(yè)扎實(shí)、能打硬仗，而且要有主動(dòng)思考、敢于創(chuàng)新的精神，不能等著領(lǐng)導(dǎo)布置任務(wù)。

記者：您怎樣培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)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(tái)、壓擔(dān)子、給信任。既要讓他們?cè)趯?shí)戰(zhàn)中積累經(jīng)驗(yàn)，也要允許他們?cè)囧e(cuò)、鼓勵(lì)他們創(chuàng)新。比如，針對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，但只要在科學(xué)原理上站得住腳，我就全力支持他們?nèi)プ龇抡妗⒆鲈囼?yàn)，哪怕最后沒達(dá)到預(yù)期也沒關(guān)系。失敗的過程本身就是學(xué)習(xí)成長(zhǎng)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(jìn)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(shí)面廣、思維活躍，但也容易遇到三個(gè)“坎”。一是知識(shí)驗(yàn)證坎：現(xiàn)在信息獲取太容易，但很多知識(shí)是有適用條件的，甚至夾雜錯(cuò)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(shí)融合坎：水電是系統(tǒng)工程，只懂機(jī)械不懂電氣不行，只懂設(shè)計(jì)不懂制造也不行，需要在實(shí)踐中把專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通。三是耐心積累坎：水電工程研發(fā)周期長(zhǎng)，可能幾年都看不到成果，和部分行業(yè)“即時(shí)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(duì)新知識(shí)的敏感，主動(dòng)學(xué)習(xí)人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)；二是平常心，接受研發(fā)中的失敗，把每一次失敗都當(dāng)成成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)；三是責(zé)任心，要知道我們?cè)斓氖恰按髧?guó)重器”，每一個(gè)參數(shù)、每一次試驗(yàn)都容不得半點(diǎn)馬虎。

記者：還有3年您就要退休了，在這個(gè)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(shù)經(jīng)驗(yàn)、攻關(guān)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(shù)高峰”的精神傳下去。只要行業(yè)里人才輩出、精神不滅，中國(guó)水電就一定能在世界舞臺(tái)上持續(xù)領(lǐng)跑，不斷書寫更多“大國(guó)重器”的傳奇。

【記者手記】

采訪結(jié)束已是傍晚，余暉灑在覃大清辦公桌的轉(zhuǎn)輪模型上。他送我到門口時(shí)，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(jī)組的初版圖紙，也裝過‘太陽(yáng)花’的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，舍不得換。”他仿佛在說一位老朋友。

聊起轉(zhuǎn)輪葉片的曲率優(yōu)化時(shí)，他手指在桌面上快速比劃，眼神銳利得像在盯試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可當(dāng)被問起業(yè)余愛好，他從抽屜里翻出一本泛黃的詩(shī)集《北國(guó)之樹》，說“雨雪陽(yáng)光憑天奉，山崗清野任我生”是最喜歡的詩(shī)句。

“人有理想和情懷，就不會(huì)拘泥于眼前。”采訪中，他這句樸實(shí)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(jī)組轉(zhuǎn)向全球首臺(tái)500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪。當(dāng)他說起團(tuán)隊(duì)里的年輕人為了一個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)蹲守試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)月時(shí)，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。“年輕時(shí)想當(dāng)醫(yī)生，沒當(dāng)成，倒把醫(yī)理用在了研究水輪機(jī)上。”他指著書里圈畫的“標(biāo)本兼治”四個(gè)字說，“機(jī)器和人一樣，得找到病根才能治病，急不得。”

分別時(shí)，我看見覃大清背起那個(gè)舊帆布包走向?qū)嶒?yàn)室，里面裝著新圖紙和試驗(yàn)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(qiáng)國(guó)路上書寫詩(shī)篇。