高 磊

( 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 概 述

水輪機(jī)是水電站發(fā)電運(yùn)行的重要設(shè)備，它將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。水輪機(jī)機(jī)組特性的好壞將直接決定水電站的發(fā)電量，因此是影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及效益優(yōu)越的重要因素。

以往我們根據(jù)電站的水文水能等基礎(chǔ)資料進(jìn)行水輪機(jī)的選型工作，并根據(jù)工程樞紐的總體布置以及水輪機(jī)的綜合特性、制造材料及加工工藝等條件，按照運(yùn)行高效、經(jīng)濟(jì)合理等設(shè)計(jì)院原則進(jìn)行方案比選。這部分工作大多是由設(shè)計(jì)者人工進(jìn)行計(jì)算的，不但耗時(shí)長(zhǎng)，而且精度往往也不夠高，并且無法保證選取的是最優(yōu)工況及方案。而對(duì)選定方案中所需要繪制的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線，更是由于曲線的繪制主要是依據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線進(jìn)行大量的查表、計(jì)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(zhì)量。

如果能夠通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行這部分繁重的計(jì)算工作，便可以將設(shè)計(jì)者解放出來，將更多的精力投放到方案優(yōu)化上面，有效的提高設(shè)計(jì)效率以及工程質(zhì)量。

本文將結(jié)合平時(shí)工作中所應(yīng)用的選型計(jì)算輔助軟件來談一下水輪機(jī)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 軟件介紹

本文所選用的選型計(jì)算輔助軟件適用于混流式、軸流式、貫流式、沖擊式水輪機(jī)選型計(jì)算，其主要內(nèi)容有: 水輪機(jī)選型;真機(jī)參數(shù)計(jì)算; 模型數(shù)據(jù)庫(kù)查詢; 真機(jī)特性曲線繪制;自動(dòng)生成機(jī)組安裝布置圖等。

3 輔助設(shè)計(jì)軟件選型計(jì)算的基本原理

輔助設(shè)計(jì)軟件根據(jù)輸入的水頭、裝機(jī)容量或引用流量等基本參數(shù)，從轉(zhuǎn)輪模型庫(kù)中自動(dòng)選出合適的轉(zhuǎn)輪，并計(jì)算出轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，還能對(duì)選定的轉(zhuǎn)輪繪制運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線、計(jì)算真機(jī)性能參數(shù)、繪制安裝布置圖等。

3.1 選型計(jì)算的原始數(shù)據(jù)

1) 設(shè)計(jì)水頭Hr( m) 。

2) 最高水頭Hmax( m) 。

3) 最低水頭Hmin( m) 。

4) 單機(jī)額定出力Wr 或根據(jù)電站最大流量Qmax 選型確定裝機(jī)容量和臺(tái)數(shù)。

5) 各水頭下加權(quán)因子( 計(jì)算加權(quán)平均效率用) 。

3.2 選型計(jì)算的一般原則

1) 選用的水輪機(jī)應(yīng)高效。除了要選擇高效率的轉(zhuǎn)輪型號(hào)，還要根據(jù)模型綜合特性曲線及真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線選擇工況范圍最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪，以保證水輪機(jī)的高效運(yùn)行。

2) 選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑應(yīng)盡可能小。轉(zhuǎn)輪直徑越小，機(jī)組獲得的轉(zhuǎn)速越高，因而可以減小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組投資。

3) 選定的水輪機(jī)汽蝕性能應(yīng)盡可能良好，以保證運(yùn)行穩(wěn)定( 壓力脈動(dòng)小) 。

3.3 選型計(jì)算的基本原理

1) 根據(jù)電站最高水頭Hmax( m) ≤模型轉(zhuǎn)輪最大使用水頭原則，從轉(zhuǎn)輪模型庫(kù)中篩選出相應(yīng)轉(zhuǎn)輪型號(hào)，分別計(jì)算出轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n，取與轉(zhuǎn)速n 相近的發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，計(jì)算工況參數(shù)( 單元轉(zhuǎn)速n10、單元流量q10、效率ηM等) ，繪制模型綜合曲線和真機(jī)工作特性曲線。

2) 因真機(jī)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(zhuǎn)速n10、單元流量q10、效率ηM等在換算成真機(jī)工況參數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正。

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

4 利用輔助軟件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)

首先在水輪機(jī)選型計(jì)算基本參數(shù)界輸入電站各項(xiàng)基本參數(shù)，見圖1。

輸入各項(xiàng)基本參數(shù)以后，在“選型計(jì)算條件設(shè)置”中設(shè)定好條件后，點(diǎn)選“水輪機(jī)選型計(jì)算”，軟件會(huì)自動(dòng)篩選出一系列合適的轉(zhuǎn)輪型號(hào)及其參數(shù)，篩選結(jié)果見圖2。

圖1 選型計(jì)算參數(shù)示意圖

圖2 生成選型數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖

對(duì)70 ～100 m的中低水頭來說，海選出來的模型數(shù)據(jù)庫(kù)往往會(huì)有很多符合條件的轉(zhuǎn)輪，因此需對(duì)轉(zhuǎn)輪的選取做精簡(jiǎn)。因?yàn)檗D(zhuǎn)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(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)的q1越小，從而導(dǎo)致適用于高水頭段的轉(zhuǎn)輪用于低水頭時(shí)，計(jì)算出的轉(zhuǎn)輪直徑D1偏大，設(shè)備投資也會(huì)因此增大。如果在“選型計(jì)算條件設(shè)置”除去適用水頭段過高的轉(zhuǎn)輪在進(jìn)行計(jì)算，生成的數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)精簡(jiǎn)很多，更方便比較方案。但對(duì)高水頭或沖擊式轉(zhuǎn)輪的選型而言，就沒必要再設(shè)置按水頭段選型了，因?yàn)楦咚^段轉(zhuǎn)輪模型本來就不多。

選型計(jì)算時(shí)，額定工況點(diǎn)在模型曲線上的位置是需要重點(diǎn)考慮的因素，一般情況下要求額定工況點(diǎn)要在模型最優(yōu)工況點(diǎn)的右側(cè)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(shí)還需要比較額定工況點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線上的位置，見圖4。

圖4 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線比較圖

經(jīng)過以上一系列參數(shù)的設(shè)置，并通過分別對(duì)模型曲線以及運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的比較，優(yōu)選出來的轉(zhuǎn)輪即可具備優(yōu)秀的特性參數(shù)。

對(duì)于選定的轉(zhuǎn)輪還可以通過輔助軟件進(jìn)行真機(jī)參數(shù)的計(jì)算，軟件通過關(guān)聯(lián)AutoCAD 自動(dòng)繪制出的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線見圖5。

圖5 生成的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖

通過由輔助設(shè)計(jì)軟件繪制出的選定機(jī)型的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，我們可以進(jìn)一步得出真機(jī)的各項(xiàng)有關(guān)參數(shù)，來確保所選機(jī)型的合理性以及先進(jìn)性。

5 總 結(jié)

通過選型輔助設(shè)計(jì)軟件的一系列計(jì)算以及比選，設(shè)計(jì)者可以用最基本的參數(shù)調(diào)整以及篩選數(shù)據(jù)，最大限度的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，而不是再將大部分精力投入到冗繁的重復(fù)計(jì)算中。輔助設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成的選型方案比較表、中英文設(shè)計(jì)說明書以及自動(dòng)繪制的模型綜合特性曲線、運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線、安裝布置圖等設(shè)計(jì)成果，也最大程度上節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，加深了設(shè)計(jì)精度。

因此在設(shè)計(jì)過程中，我們期望可以有更多更好的輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，來進(jìn)一步為設(shè)計(jì)工作提供更大力度的支持與幫助，讓我們的設(shè)計(jì)成果更加完善。

［1］金鐘元. 水力機(jī)械［M］. 北京:水利水電出版社，1986

［2］劉大愷. 水輪機(jī)［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.