利用選型輔助設計軟件對水輪機選型進行優化設計

高 磊

( 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 概 述

水輪機是水電站發電運行的重要設備，它將水能轉化為機械能，并帶動發電機運轉進而轉化為電能。水輪機機組特性的好壞將直接決定水電站的發電量，因此是影響水電站經濟運行以及效益優越的重要因素。

以往我們根據電站的水文水能等基礎資料進行水輪機的選型工作，并根據工程樞紐的總體布置以及水輪機的綜合特性、制造材料及加工工藝等條件，按照運行高效、經濟合理等設計院原則進行方案比選。這部分工作大多是由設計者人工進行計算的，不但耗時長，而且精度往往也不夠高，并且無法保證選取的是最優工況及方案。而對選定方案中所需要繪制的真機運轉綜合特性曲線，更是由于曲線的繪制主要是依據水輪機轉輪模型綜合特性曲線進行大量的查表、計算、繪制等工作，顯得繁重枯燥，并且難以保證繪制的精度和質量。

如果能夠通過計算機輔助設計軟件來進行這部分繁重的計算工作，便可以將設計者解放出來，將更多的精力投放到方案優化上面，有效的提高設計效率以及工程質量。

本文將結合平時工作中所應用的選型計算輔助軟件來談一下水輪機選型的優化設計。

2 軟件介紹

本文所選用的選型計算輔助軟件適用于混流式、軸流式、貫流式、沖擊式水輪機選型計算，其主要內容有: 水輪機選型;真機參數計算; 模型數據庫查詢; 真機特性曲線繪制;自動生成機組安裝布置圖等。

3 輔助設計軟件選型計算的基本原理

輔助設計軟件根據輸入的水頭、裝機容量或引用流量等基本參數，從轉輪模型庫中自動選出合適的轉輪，并計算出轉輪直徑、轉速等參數，還能對選定的轉輪繪制運轉特性曲線、計算真機性能參數、繪制安裝布置圖等。

3.1 選型計算的原始數據

1) 設計水頭Hr( m) 。

2) 最高水頭Hmax( m) 。

3) 最低水頭Hmin( m) 。

4) 單機額定出力Wr 或根據電站最大流量Qmax 選型確定裝機容量和臺數。

5) 各水頭下加權因子( 計算加權平均效率用) 。

3.2 選型計算的一般原則

1) 選用的水輪機應高效。除了要選擇高效率的轉輪型號，還要根據模型綜合特性曲線及真機運轉特性曲線選擇工況范圍最優的轉輪，以保證水輪機的高效運行。

2) 選定的水輪機轉輪直徑應盡可能小。轉輪直徑越小，機組獲得的轉速越高，因而可以減小機組尺寸，降低機組投資。

3) 選定的水輪機汽蝕性能應盡可能良好，以保證運行穩定( 壓力脈動小) 。

3.3 選型計算的基本原理

1) 根據電站最高水頭Hmax( m) ≤模型轉輪最大使用水頭原則，從轉輪模型庫中篩選出相應轉輪型號，分別計算出轉輪直徑D1和轉速n，取與轉速n 相近的發電機同步轉速，計算工況參數( 單元轉速n10、單元流量q10、效率ηM等) ，繪制模型綜合曲線和真機工作特性曲線。

2) 因真機和模型工況有差別，從模型綜合曲線上插值求得的模型單元轉速n10、單元流量q10、效率ηM等在換算成真機工況參數時應進行修正。

3) 由于反擊型水輪機和沖擊型水輪機的單元工作量計算公式不同，因此在選型計算時必須指明是選反擊型水輪機還是選沖擊型水輪機。

4 利用輔助軟件進行選型設計

首先在水輪機選型計算基本參數界輸入電站各項基本參數，見圖1。

輸入各項基本參數以后，在“選型計算條件設置”中設定好條件后，點選“水輪機選型計算”，軟件會自動篩選出一系列合適的轉輪型號及其參數，篩選結果見圖2。

圖1 選型計算參數示意圖

圖2 生成選型數據庫示意圖

對70 ～100 m的中低水頭來說，海選出來的模型數據庫往往會有很多符合條件的轉輪，因此需對轉輪的選取做精簡。因為轉輪直徑D1與單位流量q1的平方根成反比，因此模型適用的水頭段越高，其轉輪對應的q1越小，從而導致適用于高水頭段的轉輪用于低水頭時，計算出的轉輪直徑D1偏大，設備投資也會因此增大。如果在“選型計算條件設置”除去適用水頭段過高的轉輪在進行計算，生成的數據庫就會精簡很多，更方便比較方案。但對高水頭或沖擊式轉輪的選型而言，就沒必要再設置按水頭段選型了，因為高水頭段轉輪模型本來就不多。

選型計算時，額定工況點在模型曲線上的位置是需要重點考慮的因素，一般情況下要求額定工況點要在模型最優工況點的右側偏下位置較為合理，見圖3。

圖3 模型曲線比較示意圖

除了比較模型曲線外，有時還需要比較額定工況點在運轉特性曲線上的位置，見圖4。

圖4 運轉特性曲線比較圖

經過以上一系列參數的設置，并通過分別對模型曲線以及運轉特性曲線的比較，優選出來的轉輪即可具備優秀的特性參數。

對于選定的轉輪還可以通過輔助軟件進行真機參數的計算，軟件通過關聯AutoCAD 自動繪制出的真機運轉特性曲線見圖5。

圖5 生成的運轉特性曲線圖

通過由輔助設計軟件繪制出的選定機型的真機運轉特性曲線，我們可以進一步得出真機的各項有關參數，來確保所選機型的合理性以及先進性。

5 總 結

通過選型輔助設計軟件的一系列計算以及比選，設計者可以用最基本的參數調整以及篩選數據，最大限度的對設計進行優化，而不是再將大部分精力投入到冗繁的重復計算中。輔助設計軟件自動生成的選型方案比較表、中英文設計說明書以及自動繪制的模型綜合特性曲線、運轉特性曲線、安裝布置圖等設計成果，也最大程度上節約了計算時間，提高了設計效率，優化了設計方案，加深了設計精度。

因此在設計過程中，我們期望可以有更多更好的輔助設計軟件的出現，來進一步為設計工作提供更大力度的支持與幫助，讓我們的設計成果更加完善。

［1］金鐘元. 水力機械［M］. 北京:水利水電出版社，1986

［2］劉大愷. 水輪機［M］. 北京:水利水電出版社，1980.

［3］金鐘元，伏義淑. 水電站［M］. 北京:水利水電出版社，1994.