情系科学 您当前所在位置:力学园地 > 情系科学
回忆三峡百万千瓦水轮机探索研究课题
    时间:2016-12-23     点击率:2978

编者按:2016116日,是力学研究所成立60周年纪念日。在1956年的这一天,由陈毅副总理亲笔签署的国务院批复文件下达,中国科学院力学研究所正式成立,钱学森先生担任首届所长。在力学所走过的一甲子年间,力学人遵循钱学森的工程科学办所思想,为推进中国的近代力学事业、为推动中国的经济国防建设,做出了重要的贡献。力学所离退办和老科协力学分会向在力学所离退休同志征集回忆文章并编辑了纪念文集。老一辈力学人以国家需求为己任、艰苦创业和奋发拼搏的精神,是力学所60年奋斗史的精髓。本刊在“情系科学”栏目里陆续推出这批作品,以展示普通科技人员的风貌。

 

回忆三峡百万千瓦水轮机探索研究课题

--- 我的一堂意外的技术创新启蒙课

徐 复

一、课题组的建立

    1956116日力学研究所成立,现在正是庆祝力学所成立60周年的日子。过去科研工作中有一个课题让我难以忘记,即1958年三峡百万千瓦水轮机探索研究课题。参加这个课题仅仅半年多的时间,却是给我上了一堂意外的技术创新启蒙课。

记得是1958年第二季度,所里成立了“百万千瓦水轮机探索研究”课题组,准备在三峡工程上马以后,将大型水轮机的研究成果应用于三峡水电站。课题组有三个成员:刘曦,徐朝仪和我,我被任命为课题组长。我们学习了水力机械、水力学的书籍,知道了有关水轮机的基础知识;还学习了水力机械的流体力学知识,如三元叶栅理论、空蚀现象等。我出差去了哈尔滨电机厂,一方面参观了加工中的水轮机转子,功率是7.25万千瓦,记得是用于新安江水电站的。另一方面请教了工程师们有关制造一百万千瓦水轮发电机组在机械加工方面的问题。工程师们表示,由于当时加工能力不到10万千瓦,要制造一百万千瓦水轮发电机组,在加工设备、起重、运输、安装等方面,将是困难重重。

由此让我感到,三峡采用百万千瓦水轮机的首要关键问题将是机械加工方面的困难,而不是流体力学等力学学科问题。

二、一堂意外的技术创新启蒙课

记得大约是89月份,水电部的专家来所,讨论钱所长的技术创新方案。我这才知道,钱所长已经提出了百万千万水轮机的技术创新方案。钱所长清楚地看到三峡采用百万千瓦水轮机的首要关键问题,不是力学学科问题,而是机械加工能力的问题。针对这个问题,他提出了解决办法,提出一个技术创新方案。由于至今从未见到过钱所长的原始文稿,仅从讨论会上获悉了一些信息,而且讨论会已经过了半个多世纪,不排除以下内容有某些错误的可能。

如何提高水轮机的功率达到百万千瓦的量级呢?钱所长提出了一个技术创新想法。想法是,模仿燃气涡轮机的转子,让水轮机转子由多级的叶轮组成,串联叠加在一起,从而使水轮机功率加大。这个想法使我感到震撼,因为此前我在1956年上半年参加了力学所的学术报告会,听到吴仲华教授讲授他的燃气涡轮机三元叶栅理论,对于燃气涡轮机的结构、原理和应用,甚至对于燃气在叶片间流动的气体动力学和热力学计算,已有初步了解。而参加水轮机课题组以后,却从来没有将它们加以对比并且联系起来,以及进行技术创新的想法。

今天的创新学书籍中介绍创新技法时,有一种方法叫做移植方法,与钱所长的技术创新想法相似。“移植”就是把燃气涡轮机的做法移植到水轮机上来,设计出新型的多级水轮机(我不知道钱所长原稿中的叫法是什么,只记得会上水电部的专家称作是喷气式水轮机,而我知道喷气式发动机中有一种有压气机就是使用燃气涡轮机的。因此我想称作多级水轮机更为合适)。我理解其优点有以下三点:一是对转子进行机械加工时,由于新转子各级叶轮(包括动叶片)尺寸较小,即是比一个大转子的大叶轮(包括大动叶片)的尺寸要小,从而加工起来应该相对容易得多,这是最主要的。二是在工程技术各个领域,如起重、安装、运输等方面困难也小一些,从而达到采用功率百万千瓦水轮机组的目的。三是可以借助燃气涡轮机的设计经验和实践,迅速完成多级水轮机的设计。

 水电部的专家、几位高级工程师来所访问时,讨论了上述技术创新方案。所内专家除钱所长外,也有一些专家和业务处领导参加,我也参加了讨论会。由于讨论会时间距离现在已超过半个多世纪,,加上我在这个领域仅仅工作了半年多(1958年底离开这个课题组),一些细节已经记不清楚了。能够回想起来的是,工程师结合三峡大坝的地质条件认为,在采用多级水轮机时,需要向下挖掘岩石层(记得好像是花岗岩),这是不可取的。更具体地说,在大坝内安装水电机组时其中心转轴的方向应该是垂直的,由于多级水轮机总(轴向)长度超过同样功率的单级水轮机,因此,如果保持蜗壳上侧与自由水面之间的高度H --- 设计水头保持不变,则多级水轮机需要向下挖掘。如果多级水轮机的末端位置相同于单级水轮机,则多级水轮机的蜗壳上侧要高于单级水轮机,即减少了设计水头,或即减少了设计功率。显然也不是人们希望看到的。(补充说一句,目前已经使用的三峡水轮机为70万千瓦,是单级的。)由于水电部专家的质疑,多级水轮机的技术创新方案被搁置了。

可以肯定,如果钱所长有充裕的时间来研究水电站的技术问题,他一定会预知水电部专家们的问题,并且提出更为优良的水轮机创新方案。只是当时他太忙碌了。

我感到,这次讨论会是给我上了一堂意外的技术创新启蒙课。

三、我在讨论会上和会后的思考以及分级水轮机的设想

在讨论会上,在多级水轮机这个技术创新想法的启发下,在工程师们质疑想法的启发下,当时我的脑中也闪过一个想法:就是把多级水轮机的各级叶轮拉开,相距数十米,成为分级水轮机,看来更为合理。人们知道,水电站的厂房一般都建在大坝坝址的底部,水库中水的深度就是水轮机的设计水头H。我设想在装备分级水轮机的坝体内,设计两个或三个水深不同的水电站的厂房。单级水轮机(厂房)相应位置的水深从上到下分别是 ,设计水头分别是。这种做法的缺点是:需要增大坝体的体积:在坝体高度,长度不变时,需要增大坝体的厚度,以便于建造厂房安装水轮机组,从而增加了土方工作量。这种做法的好处则是不必向下挖掘花岗岩,同时省去了一部分百万千瓦大型水轮机的研制费用。至于采用的水轮机类型,对于三峡的100左右的水头,通常采用的是混流式水轮机;对于分级水轮机的各个单级水轮机来说,在水头减小以后,可以考虑采用轴流式水轮机。

四、课题组后期工作和无空蚀水轮机

对于这个课题在1958年后期的科研工作,我想补充如下。大约910月份,力学研究所进行了体制调整。原来按学科划分的研究组,改为按任务划分的研究室,这是为了贯彻以任务带学科的方针。此前,力学所领导钱学森所长、郭永怀副所长、杨刚毅书记曾于195876在颐和园开会,给力学所提出了发展方向(或者科研任务)是

上天        入地        下海

当然也包括工农业。依照这个决定,相应地成立了四个研究室。第四研究室的方向是为工农业服务,在这个研究室成立了水轮机研究课题组,下设理论组和实验组。我任理论组组长。由于在这一年,前苏联科学家 Валландер 教授来所讲学,介绍他的水轮机三元叶栅理论,译文刊登在当年的《力学学报》上。理论组的工作设定为研究无空蚀水轮机。11月和12月,我在选取水轮机基本参数以后,根据这个理论列出计算表格,理论组几位成员开始了数值计算,即计算一个叶片的几个剖面形状,目的是得到未来无空蚀水轮机叶片形状。由于当时使用的是电动计算机,需要经常输入数据,而输入数据容易出错,尤其是长时间使用计算机时更是如此。由于有的剖面计算出错,没有很好完成这项工作,使我感到遗憾。1959年初我转到三室,开始下海的研究课题。

    我还想补充一点,即这次讨论会时间不长,只有两个小时左右,却给我留下深刻印象。流体力学作为一门技术科学,其研究课题主要来源于工程技术。过去熟悉研究方法的是当一个工程技术问题提出以后,将其转化为流体力学课题,然后解决这个流体力学学科问题,最后把研究结果用到工程技术上去。这次讨论会让我学习了另外一种研究方法。钱所长直接从工程技术问题着手,提出一个技术创新方案,直接解决采用大型水轮机的设计问题。这种做法很有启发性,也很吸引人。它也是流体力学课题重要研究方法之一。学习这种方法,需要在工程技术一般层面上有着广博的知识,并在具体技术层面上有着比较深入的理解。记得在文革期间,我曾经在一个技术革新展览会上看到一个新产品:“无空蚀水泵”。当时中国尚未实行专利制度,因此,新产品研制厂家对于观众提出的问题,都是有问必答。这样,我大体知道了技术创新的具体措施。这个创新措施也是具有启发性的。如果把无空蚀水泵的技术措施应用到大型水轮机上来,当年设想的无空蚀水轮机应该可以通过技术创新方法来实现,或许还可能作些改进。不清楚的问题是:目前水电站是否仍然存在水轮机空蚀问题,以及由于空蚀现象引起的整个水电站结构振动问题。当前有没有研制和使用优良的无空蚀水轮机?

五、专利制度的建立和今天技术创新的迅猛发展

我想谈一点感想。随着1985年施行了中国专利法,成立知识产权局,随着国民经济的快速发展,中国在技术创新领域的发展也日新月异,在世界各国发明专利数量的排名中,日益靠前。甚至在2011年中国专利申请量已跃居世界各国之首。2012年媒体报道了北京初中学生申请专利的事迹。2014年海淀图书城更名为中关村创业大街。今天,“大众创业,万众创新”已经成为引领广大群众就业的方向。目前,中国已经步入世界专利大国的行列。这是我在1958年一点都没有想到的。

六、结束语  难忘的智慧源泉的三峡水

对于我来说,在遇到一个工程技术的研究课题时,除了从传统的方法,将工程技术问题转化为流体力学,磁流体力学和等离子体动力学等学科问题来加以思考,并找出解决方法,再回到工程技术上去之外,也逐渐养成习惯开始从另外一种研究方法进行思考,即遇到一个工程技术的研究课题时,从工程技术本身寻找技术创新想法。学习这第二种研究方法的起点,就是1958年的三峡百万千瓦水轮机的探索研究课题。

难忘的1958年,难忘的智慧源泉的三峡水。

最后,想以一首散曲小令作为结束,以庆祝力学研究所建所六十周年(1956-2016)。

《 越调·天净沙》    回忆1958年的力学研究所

新楼深院花开*

仪器风洞随来。

上天入地下海”。

创新称快,

水轮机“喷气”牌+

注:* 1958年春节前后,力学研究所从原来三层小楼搬迁到刚刚建成的五层新大楼,同时有了一个宽敞的院落,院内树木花草丛生,环境优美。给修建大型实验设备提供了可能。

        + 钱所长对于三峡百万千瓦水轮机探索研究课题已经有了一个技术创新方案,即模仿燃气涡轮机,将水轮机由多个小转子串联而成,以减轻机械加工的困难,并且提交给了三峡工程相关领导部门。记得是89月份,水电部几位专家来所讨论钱所长的技术创新方案,专家们把创新的水轮机称作“喷气式水轮机”。我参加了这次讨论会。会前对于钱所长方案一无所知,会后感到这是我的一堂意外的技术创新启蒙课。

                  

关于作者——徐复

简介:徐复,男,19355月出生于北京,北京市人。1949-1950年,重庆大学机械工程系;1950-1952年,清华大学数学系;1952-1953年,北京大学数学力学系数学专业,毕业;1953-1956年,北京大学数学力学系气体动力学研究生,毕业;1956-1993年,中国科学院力学研究所工作,1993年退休。因课题尚未结束,回聘两年多,工作到19962月。科研工作领域:流体力学,等离子体力学。在1958年大跃进运动期间,从事“三峡百万千瓦水轮机探索研究”课题。