利用选型辅助设计软件对水轮机选型进行优化设计

高 磊

( 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 概 述

水轮机是水电站发电运行的重要设备，它将水能转化为机械能，并带动发电机运转进而转化为电能。水轮机机组特性的好坏将直接决定水电站的发电量，因此是影响水电站经济运行以及效益优越的重要因素。

以往我们根据电站的水文水能等基础资料进行水轮机的选型工作，并根据工程枢纽的总体布置以及水轮机的综合特性、制造材料及加工工艺等条件，按照运行高效、经济合理等设计院原则进行方案比选。这部分工作大多是由设计者人工进行计算的，不但耗时长，而且精度往往也不够高，并且无法保证选取的是最优工况及方案。而对选定方案中所需要绘制的真机运转综合特性曲线，更是由于曲线的绘制主要是依据水轮机转轮模型综合特性曲线进行大量的查表、计算、绘制等工作，显得繁重枯燥，并且难以保证绘制的精度和质量。

如果能够通过计算机辅助设计软件来进行这部分繁重的计算工作，便可以将设计者解放出来，将更多的精力投放到方案优化上面，有效的提高设计效率以及工程质量。

本文将结合平时工作中所应用的选型计算辅助软件来谈一下水轮机选型的优化设计。

2 软件介绍

本文所选用的选型计算辅助软件适用于混流式、轴流式、贯流式、冲击式水轮机选型计算，其主要内容有: 水轮机选型;真机参数计算; 模型数据库查询; 真机特性曲线绘制;自动生成机组安装布置图等。

3 辅助设计软件选型计算的基本原理

辅助设计软件根据输入的水头、装机容量或引用流量等基本参数，从转轮模型库中自动选出合适的转轮，并计算出转轮直径、转速等参数，还能对选定的转轮绘制运转特性曲线、计算真机性能参数、绘制安装布置图等。

3.1 选型计算的原始数据

1) 设计水头Hr( m) 。

2) 最高水头Hmax( m) 。

3) 最低水头Hmin( m) 。

4) 单机额定出力Wr 或根据电站最大流量Qmax 选型确定装机容量和台数。

5) 各水头下加权因子( 计算加权平均效率用) 。

3.2 选型计算的一般原则

1) 选用的水轮机应高效。除了要选择高效率的转轮型号，还要根据模型综合特性曲线及真机运转特性曲线选择工况范围最优的转轮，以保证水轮机的高效运行。

2) 选定的水轮机转轮直径应尽可能小。转轮直径越小，机组获得的转速越高，因而可以减小机组尺寸，降低机组投资。

3) 选定的水轮机汽蚀性能应尽可能良好，以保证运行稳定( 压力脉动小) 。

3.3 选型计算的基本原理

1) 根据电站最高水头Hmax( m) ≤模型转轮最大使用水头原则，从转轮模型库中筛选出相应转轮型号，分别计算出转轮直径D1和转速n，取与转速n 相近的发电机同步转速，计算工况参数( 单元转速n10、单元流量q10、效率ηM等) ，绘制模型综合曲线和真机工作特性曲线。

2) 因真机和模型工况有差别，从模型综合曲线上插值求得的模型单元转速n10、单元流量q10、效率ηM等在换算成真机工况参数时应进行修正。

3) 由于反击型水轮机和冲击型水轮机的单元工作量计算公式不同，因此在选型计算时必须指明是选反击型水轮机还是选冲击型水轮机。

4 利用辅助软件进行选型设计

首先在水轮机选型计算基本参数界输入电站各项基本参数，见图1。

输入各项基本参数以后，在“选型计算条件设置”中设定好条件后，点选“水轮机选型计算”，软件会自动筛选出一系列合适的转轮型号及其参数，筛选结果见图2。

图1 选型计算参数示意图

图2 生成选型数据库示意图

对70 ～100 m的中低水头来说，海选出来的模型数据库往往会有很多符合条件的转轮，因此需对转轮的选取做精简。因为转轮直径D1与单位流量q1的平方根成反比，因此模型适用的水头段越高，其转轮对应的q1越小，从而导致适用于高水头段的转轮用于低水头时，计算出的转轮直径D1偏大，设备投资也会因此增大。如果在“选型计算条件设置”除去适用水头段过高的转轮在进行计算，生成的数据库就会精简很多，更方便比较方案。但对高水头或冲击式转轮的选型而言，就没必要再设置按水头段选型了，因为高水头段转轮模型本来就不多。

选型计算时，额定工况点在模型曲线上的位置是需要重点考虑的因素，一般情况下要求额定工况点要在模型最优工况点的右侧偏下位置较为合理，见图3。

图3 模型曲线比较示意图

除了比较模型曲线外，有时还需要比较额定工况点在运转特性曲线上的位置，见图4。

图4 运转特性曲线比较图

经过以上一系列参数的设置，并通过分别对模型曲线以及运转特性曲线的比较，优选出来的转轮即可具备优秀的特性参数。

对于选定的转轮还可以通过辅助软件进行真机参数的计算，软件通过关联AutoCAD 自动绘制出的真机运转特性曲线见图5。

图5 生成的运转特性曲线图

通过由辅助设计软件绘制出的选定机型的真机运转特性曲线，我们可以进一步得出真机的各项有关参数，来确保所选机型的合理性以及先进性。

5 总 结

通过选型辅助设计软件的一系列计算以及比选，设计者可以用最基本的参数调整以及筛选数据，最大限度的对设计进行优化，而不是再将大部分精力投入到冗繁的重复计算中。辅助设计软件自动生成的选型方案比较表、中英文设计说明书以及自动绘制的模型综合特性曲线、运转特性曲线、安装布置图等设计成果，也最大程度上节约了计算时间，提高了设计效率，优化了设计方案，加深了设计精度。

因此在设计过程中，我们期望可以有更多更好的辅助设计软件的出现，来进一步为设计工作提供更大力度的支持与帮助，让我们的设计成果更加完善。

［1］金钟元. 水力机械［M］. 北京:水利水电出版社，1986

［2］刘大恺. 水轮机［M］. 北京:水利水电出版社，1980.

［3］金钟元，伏义淑. 水电站［M］. 北京:水利水电出版社，1994.