科技日报记者 朱虹
12月20日，白鹤滩水电站将迎来全部机组投产发电3周年。这座超级工程是我国“西电东送”骨干电源，其16台单机容量100万千瓦的水轮发电机组的“心脏”——转轮，由哈电集团首席科学家覃大清及其团队设计。如今，这位白鹤滩水电站百万千瓦机组总设计师再攀高峰，带领团队研制出全球首台单机容量500兆瓦的冲击式转轮。这朵形如“太阳花”的巨轮，正被运往西藏扎拉水电站，将在700米高落差中绽放光彩。
近日，覃大清接受科技日报记者采访，讲述为大型水电机组注入“心”动力的故事。
登上“珠穆朗玛峰”
记者：百万千瓦是世界水电机组的“珠穆朗玛峰”。您在白鹤滩水电站机组设计期间，全程参与了机组容量的论证工作。当时为何会提出“百万千瓦”这一目标？
覃大清：“百万千瓦”目标，不是拍脑门想出来的。它既是白鹤滩水电站自身的需要，也是我国水电技术发展到一定阶段的必然选择。白鹤滩的水情、电情、地质条件，决定了单机容量越大，综合性能指标越优。
从技术积累来看，我们是有底气的。从三峡工程开始，我们用7年时间实现了从30万千瓦到70万千瓦机组的自主研发跨越；随后通过建设溪洛渡水电站、向家坝水电站，又将国产水电机组单机容量提升至80万千瓦等级。可以说，80万千瓦的技术实践，为我们积累了巨型机组设计、制造的经验，也让我们看到了向“百万千瓦”冲击的可能。
记者：既然有技术积累，为何确定“百万千瓦”容量目标仍经历了漫长的论证？当时主要存在哪些争议？
覃大清：论证持续了整整5年，核心争议在于“技术跨越是否可行”。当时的背景是，哈电集团的70万千瓦全空冷技术刚刚成功应用，80万千瓦等级机组还在研制中尚未投入运行，行业专家担心百万千瓦机组的水轮机稳定性、发电机散热等问题。
面对质疑，我们没有急于辩解，而是选择用技术实力说话。针对水轮机领域的高部分负荷压力脉动和超宽负荷稳定性这两大亟待解决的问题，我们摒弃传统设计，创新采用长短叶片转轮优化流道。在发电机方面，我们大胆尝试新的冷却结构与通风方式，解决了大容量带来的发热问题。值得一提的是，我们开发了世界空冷电压等级最高的24千伏绝缘系统。要知道三峡工程机组20千伏的电压已是当时世界最高，而我们的24千伏系统经过耐压击穿、防晕等一系列严苛试验，符合相关标准。这些技术突破最终打消了专家们的疑虑，让“百万千瓦”从设想变成了共识。
记者：在攻坚过程中，哪项技术突破让您印象深刻？
覃大清：那就要说水轮机转轮叶片的设计决策。作为发电机组的“心脏”，转轮直接决定了机组性能。当时，我们团队在转轮叶片设计上出现了分歧。
第一种是常规叶片方案，技术成熟、成本可控，但缺点也很突出——高水头时稳定性不足，低水头时超发能力弱。第二种是长短叶片方案，15长15短的设计能显著提升性能，弥补常规方案的短板，但叶片数量翻倍，制造成本和难度大幅上升。此外，第二种方案在国内外没有任何巨型机组先例可循，风险极高。
到底选哪一种？作为总设计师，我必须拍板。当时，我跟团队成员说，我们造百万千瓦机组，不只是造一台设备，而是要树起中国水电的技术标杆。最终经商议，我们选择了挑战更大的长短叶片方案。经过无数次仿真计算和模型试验，我们研发出具有完全自主知识产权的百万千瓦混流式水电机组长短叶片转轮，让我国巨型混流式水轮机研制达到世界领先水平。
记者：2021年，全球首台百万千瓦机组在白鹤滩成功满负荷并网。那一刻您的心情是怎样的？
覃大清：当时，我在工作笔记本上写下一句话：虽然一切都在预料之中，但这一刻还是让人激动万分。这种激动，源于对历史的回望。1951年，我们的前辈在物资匮乏的条件下，造出我国第一台800千瓦水电机组。如今，我们自主研发的机组容量达到100万千瓦，整整提升了1250倍。
当然，更多的是感激。我们团队里的年轻人，有的在试验场连续蹲守几个月，有的为了赶进度放弃了春节休假。这份成就，属于每一位默默付出的水电人。
征服700米高落差
记者：白鹤滩工程告捷后，您和团队没有停下脚步，而是向西挺进，研制西藏扎拉水电站的转轮。和白鹤滩水电站的混流式转轮相比，扎拉水电站的冲击式转轮有何不同？为什么要把后者设计成“太阳花”造型？
覃大清：白鹤滩水电站的混流式转轮是“在水中推桨”，靠叶片在水流中旋转做功，适配中低水头、大流量的工况。而扎拉水电站拥有700米的超高落差，水流速度极快，常规混流式转轮无法适配此种工况，因此我们要把转轮设计成“在水面接浪”的冲击式结构。这是两者最核心的不同。
具体来说，超高落差下混流式转轮会面临两大问题：一是水轮机与发电机的参数无法匹配，导致能量转换效率较低；二是高速水流对叶片的冲击力极大，常规结构根本承受不住。
而“太阳花”造型设计，正是针对性解决这两个问题。第一，转轮水斗采用曲面结构，像花瓣一样舒展排布，这种结构的刚强度极佳，能将高速水流的冲击力分散到各个水斗面，避免局部应力过载。第二，冲击式转轮更适配高水头场景，其参数与发电机的匹配度远高于常规混流式转轮，再加上“太阳花”的曲面水斗能更顺畅地承接、引导水流，让水流能量以更高效率转化为机械能。
记者：有了白鹤滩水电站转轮的研发经验，您和团队在设计“太阳花”时难度是不是小一些？
覃大清：其实难度一点没小，甚至在某些关键技术上挑战更大。虽然扎拉水电站机组的发电功率是白鹤滩水电站的一半，但转轮转速却达到了白鹤滩水电站的2倍，再加上超高水头冲击式转轮的研发没有成熟经验可借鉴，我们只能“摸着石头过河”。
最难“啃”的“骨头”，是要在抗冲击与高效做功之间找到平衡：一方面，700米超高落差带来的冲击力极大，转轮必须具备超强的结构强度才能抵御冲击；另一方面，要让水流能量高效转化为机械能，不能因为强调抗冲击而牺牲发电效率。
研发过程中，一次模拟试验让我印象特别深。当时，原本运行平稳的数据曲线突然毫无征兆地出现异常，这意味着转轮的水流适配性出了大问题。我们团队立刻停下手头工作，像医生会诊一样集中攻关，逐一排查流道设计、射流角度、水斗弧度等上百个参数，最终找到问题根源：我们对康达效应（流体倾向于沿着固体表面一侧流动的特性）的影响预判不足，导致水斗弧度与水流夹角的匹配度不够，进而造成水斗出流受阻。之后一个月，我们基于试验数据一点点优化转轮曲面曲率，校准射流角度，最终让数据曲线恢复平稳，彻底解决了这个影响效率和稳定性的关键问题。
记者：看来试验验证是攻关的关键环节。
覃大清：的确，我们在试验中意外发现：冲击式转轮竟然会空化，这完全推翻了教科书中“冲击式转轮不会出现空化”的说法。
空化是一种流体力学现象。具体在水轮机场景中，它指的是水流在水轮机内部流动时，因局部压力降低至对应水温的汽化压力，导致水流中产生大量水蒸气空泡，这些空泡随水流移动到高压区域后，会瞬间破裂溃灭。
而空化带来的空蚀危害，对水轮机来说是致命的。我们在试验中观察到，高速水流撞击转轮水斗表面时，水斗弯曲部位会形成明显的局部低压区，当压力低至汽化临界值，常温下的水流就会像沸腾了一样产生大量空泡。这些空泡随水流流至高压区后，会瞬间溃灭并释放出微型高压水射流，持续冲击水斗的金属表面。这种反复冲击若长期不解决，会导致机组发电效率大幅下降、运行振动加剧。
冲击式转轮在高水头工况下出现空化，是此前行业较少关注和验证的问题。由于没有任何现成解决方案可借鉴，团队只能从零开始探索。我们一边开展仿真模拟，一边进行实体试验。前后历经无数次迭代优化，我们最终大幅提升了转轮的抗空蚀性能。
打造水电科研“铁军”
记者：您认为一支优秀的科研团队，不可或缺的要素是什么？
覃大清：我觉得两点至关重要：一是负责人的担当，二是团队成员的合力。负责人不能是“甩手掌柜”，必须业务精湛、敢于决断，更要能靠人格魅力凝聚人心。而团队成员不仅要专业扎实、能打硬仗，而且要有主动思考、敢于创新的精神，不能等着领导布置任务。
记者：您怎样培养团队里的年轻人？
覃大清：我觉得，培养年轻人不是“手把手教”，而是给他们搭平台、压担子、给信任。既要让他们在实战中积累经验，也要允许他们试错、鼓励他们创新。比如，针对年轻工程师提出的创新冷却方案，虽然没有成熟先例可参考，还可能有失败风险，但只要在科学原理上站得住脚，我就全力支持他们去做仿真、做试验，哪怕最后没达到预期也没关系。失败的过程本身就是学习成长的过程。这种信任和包容，能让年轻人放下顾虑、大胆探索。
记者：在您看来，刚进入水电行业的年轻人容易遇到哪些问题？作为前辈，您有什么建议？
覃大清：年轻人大都知识面广、思维活跃，但也容易遇到三个“坎”。一是知识验证坎：现在信息获取太容易，但很多知识是有适用条件的，甚至夹杂错误信息，将其不加辨别地套用在工程上，很容易出问题。二是知识融合坎：水电是系统工程，只懂机械不懂电气不行，只懂设计不懂制造也不行，需要在实践中把专业知识融会贯通。三是耐心积累坎：水电工程研发周期长，可能几年都看不到成果，和部分行业“即时反馈”的节奏完全不同，年轻人容易产生浮躁情绪。
我的建议是“三心”。一是好奇心，保持对新知识的敏感，主动学习人工智能、大数据等新技术；二是平常心，接受研发中的失败，把每一次失败都当成成长的机会；三是责任心，要知道我们造的是“大国重器”，每一个参数、每一次试验都容不得半点马虎。
记者：还有3年您就要退休了，在这个阶段，您最想做的是什么？
覃大清：我最想做的就是“传帮带”。在退休前，我想把毕生积累的技术经验、攻关思路毫无保留地传给年轻人，打造一支水电科研“铁军”。更重要的是，要把水电人“艰苦奋斗、勇攀技术高峰”的精神传下去。只要行业里人才辈出、精神不灭，中国水电就一定能在世界舞台上持续领跑，不断书写更多“大国重器”的传奇。
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