编者按：2025年是钱学森所长归国70周年。本刊特此分四期连载力学研究所徐复研究员撰写的回忆钱所长对他的学术指导的文章。在转载时，对原文的文字、结构标点等做了一些调整。此外，本刊曾在2021年12月9日推送过徐复的回忆文章《从钱所长为我审稿的事情想起》，该文亦属于《回忆钱学森所长的学术指导》系列文章之中，感兴趣的读者可自行“爬楼”阅读之。

我的一堂意外的技术创新启蒙课

徐 复

一、课题组的建立

1955年10月8日钱学森所长回到祖国，1956年1月16日力学研究所成立，现在正是纪念钱所长归国与庆祝力学所成立70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，如三元叶栅理论，空蚀现象等。我还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7万2千5百千瓦，记得是用于新安江水电站。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工程技术方面的困难，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8，9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瓦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？钱所长提出的技术创新想法是：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，我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，只记得会上水电部的专家称作是“喷气式水轮机”，但我想称作“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。

但是，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。他们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，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，那么就减少了设计水头（或者说，减少了设计功率）。这些，显然不是人们希望看到的。

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，为了研制人造卫星的上天任务（代号581）。但是，这次讨论会是给我上了一堂意外的技术创新启蒙课。

三、关于分级水轮机的设想

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，当时我的脑中曾闪过一个想法：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H₁，H₂和 H₃，设计水头分别是H-H₁，H₁-H₂，和H₂-H₃。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米左右的水头，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、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9，10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、郭永怀副所长和杨刚毅书记曾于1958年7月6日在颐和园开会，给力学所提出了科研方向是“上天，入地，下海和工农业”。依照这个决定，相应地成立了四个研究室，其中第四研究室的方向是为工农业服务。当是在四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，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。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，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？当前有没有研制和使用优良的无空蚀水轮机？

五、结束语

记得关于百万千瓦水轮机的讨论会时间不长，只有两个小时左右，却给我留下深刻印象。我认识到，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：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。钱所长的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。

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。

最后，我想以一首散曲作为本文的结束：

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。

附记

近年阅读了我的同事 --- 孔祥言教授撰写的一本传记书籍《钱学森的科技人生》，其中提到 1958年关于三峡百万千瓦水轮机探索研究课题，现抄录如下：“钱学森非常强调力学在国民经济中的应用。作为所长，他也很关心流体、空气动力学组的科研工作。除组长林同骥先生布置本组的课题外，钱所长也布置任务。给作者布置的科研项目是风力发电的风机设计，他对孔祥言说：叶片越多，风机的效率越低。孔祥言当时设计了一种两叶片的风机。他给徐复布置的科研项目是百万千瓦水轮机的研究设计课题，大家都觉得这是一个极具挑战性的任务，昵称徐复为“徐百万” 。还给另一同志安排了小水头发电的课题，足见钱学森对能源问题的高度重视。”

我在百万千瓦水轮机的研究设计课题中的工作情况，已如上述，时间是1958年。文中提到小水头发电课题，记得当时称作低水头发电课题，课题负责人是张厚玫，一位研究生，毕业后离开力学所。所长高度重视能源问题的研究。有一个课题文中没有提到，即另一个风力发电课题。课题负责人是董务民，是我同班同学。1959年董务民率领力学所风能利用组参加中国科学院治沙队赴新疆托克逊试验站，主持风能利用研究，得到成果是研制成功我国几种型式风轮机，1961年2月9日《人民日报》作了报道。