（流体机械及工程专业论文）反击式水轮机选型设计软件的开发与研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本课题针对水轮机行业发展和工程实践的需要，开发出了反击式水轮机选型 设计软件包。该软件可实现数据库管理，反击式水轮机选型，绘制出真机工作范 围和运转特性曲线，以及模型综合特性曲线的计算机显示等。 本文是在深入研究了反击式水轮机选型设计与特性曲线绘制的基础上，建立 了反击式水轮机选型设计及特性曲线绘制的数学模型，进而将反击式水轮机选型 设计软件系统划分为以下三大部分；第一部分为反击式水轮机选型设计数据库的 创建与管理；第二部分为反击式水轮机选型设计计算；其中包括插值计算：一是 已有模型转轮的规格尺寸相似插值换算；二是比转速相近但目前尚无模型转轮而 为提供新模型转轮方案的插值计算；第三部分为特性曲线的绘制：包括综合特性 曲线的显示和运转特性曲线等的绘制。该软件实现了基本数据管理、综合特性数 据管理、综合特性数据的插值计算和选型设计计算及运转特性曲线绘制等功能。 经过计算实例的验证，表明所编制的软件是可行的、正确的，所编制的软件直观、 简洁、可靠、易于升级维护，达到了预期的目的。 在本课题的研究与软件开发过程中，所完成的主要工作有： 1 结合水轮机行业的发展需要，参阅有关文献资料和前人的研究成果，进行 反击式水轮机选型设计与特性曲线绘制的研究。建立了反击式水轮机选型设计及 特性曲线绘制的数学模型，进而确定软件的功能模块划分 2 采用m i c r o s o f t a c c e s s 数据库管理软件，建立已有优秀水轮机的原始资料数 据库，便于数据的组织、管理与调用。 3 采用v i s u a lc + + 程序设计语言，综合应用软件工程的设计思想和面向对象 技术( 0 0 ) 以及开放数据库互连( o d b c ) 技术，开发了反击式水轮机选型设计 软件包 4 提出了处理复杂曲线( 多值函数) 的新型插值方法，即：将直角坐标系转化为 极坐标系，在极坐标系下进行插值计算，避开了多值函数带来的不便。经过实践 验证，这一插值新方法是可行的、正确的并且能够取得很好的效果 5 提出了利用现有转轮型谱资料和已有优秀转轮数据插值计算出新型号转轮 方案及其模型综合特性曲线等的绘制方法，使反击式水轮机选型设计提高到更符 合工程实际需要并积极促进新水力模型开发的新层次。 关键词：反击式水轮机选型设计：选型设计数据库；综合特性曲线；运转特性曲 线；面向对象( o o ) ；开放数据库互连( o d b c ) ；模块化结构 硕士学位论文 a b s t r a c t a g a i n s tt h ed e v e l o p m e n ti nh y d r a u l i ct u r b i n e sf i e l da n dt h en e e do fe n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，t h er e s e a r c ho ne x p l o i t i n gt h es o f t w a r ep a c k a g ef o rt h et y p e s e l e c t i o nd e s i g no f r e a c t i o nt u r b i n ei sd e v e l o p e d t h ed a t a b a s ef o rt h es o f t w a r ep a c k a g ei sa d o p t e dt o m a n a g et h e s ed a t af o rt h et y p e - s e l e c t i o nd e s i g no f r e a c t i o nt u r b i n e t h es o f t w a r ec a n n o t o n l ym a k ec o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v ed i s p l a yi nc o m p u t e r ss c r e e n , b u ta l s oi tc a n c o m p l e t et h et y p e - s e l e c t i o nd e s i g no f r e a c t i o nt u r b i n e ，a n dd r a wt h eo p e r a t i n gr a n g ea n d p e r f o r m a n c e c u r v eo fr e a lt u r b i n e t h ep a p e ri sb a s e do nt h et h e o r ya b o u tt h et y p e - s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n e a n dd r a w i n gp e r f o r m a n c ec u r v eo fr e a lt u r b i n e t h em a t h e m a t i c sm o d e lo nt h et y p e - s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n ea n dd r a w i n gp e r f o r m a n c ec u r v e ：o fr e a lt u r b i n ei s i n t r o d u c e d a n ds ot h i ss o f t w a r es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：p a r tlc r e a t i o n m a n a g e m e n to f t h ed a t a b a s ef o rt h et y p e - s e l a c t i o nd e s i g no f r e a c t i o nt u r b i n e ；p a r ti i , t h e t y p e - s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n e , i n c l u d i n gt h ei n t e r p o l a t i o n ：o n ei s t ob e i n t e r p o l a t e dt of i g u r eo u te x i s t i n gm o d e lt u r n e rd a t aw h i c hd o n td i r e c t l yf i ei nt h e d a t a b a s ea c c o r d i n gt os i m i l a r i t yt h e o r y , a n o t h e ri st ob ei n t e r p o l a t e dt of i g u r eo u tn 哪 m o d e lt a m e rd a t aa c c o r d i n gt oe x i s t i n gm o d e lt u r n e rd a t aa n ds i m i l a r i t yt h e o r y p a r t d r a w i n gc o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，a n dt h eo p e r a t i n gr a n g ea n dp e r f o r m a n c ec n r v e o fr e a lt u r b i n e t h em a i nf u n c t i o n so ft h i ss o f t w a r ep a c k a g ea r eb a s i cd a t am a n a g e m e n t , c h a r a c t e r i s t i cd a t a m a n a g e m e n t , t h ei n t e r p o l a t i o n o fc h a r a c t e r i s t i cd a t a , t h e t y p e - s e l e c t i o nd e s i g n o fr e a c t i o nt u r b i n e ，c o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n d p e r f o r m a n c ec u r v et od r a w , a n ds oo n t h i ss o f t w a r ep a c k a g ei se x e m p l i f i e dt ob e f e a s i b l ea n dc o r r e c t , a n di si n m i t i o n l s t i c , s i m p l e , r e l i a b l e , a n de a s yt ou p g r a d ea n d m a i n t a i n d u r i n gt h ec o u r s eo ft h er e s e a r c h , t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t si so b t a i n e d ： 1 t h em a t h e m a t i c sm o d e lo i lt h et y p e s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n ea n d d r a w i n gp e r f o r m a n c ec u r v eo fr e a lt u r b i n ei sc r e a t e d , t h e nt h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n d c o m p o s i t i o no f t h i ss o f t w a r ep a c k a g ei sa c q u i r e d 2 t h ed a t a b a s ef o rt h et y p e s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o n t u r b i n ei sb u n ti n m i c r o s o f ta c c e s s t h ed a t a b a s ei sc o n v e n i e n tf o ri n v o k i n ga n dm a n a g i n go ft h ed a t af o r t h et y p e s e l e c t i o nd e s i g n ；a n dm a k et h et y p e - s e l e c t i o nd e s i g nf e a s i b l e 3 a d o p t i n go r i e n to b j e c tm e t h o d ( o o ) a n do p e nd a t a b a s ee o n n e c t i v i t y ( o d b c ) t e c h n i q u e , t h es o f t w a r ep a c k a g ef o rt h et y p e s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n ei s 反击式水轮机选型设计软件的开发与研究 e x p l o i t e di uv i s u a lc + + 4 t h ei n t e r p o l a t em e t h o dt h a ti si np o l a rc o o r d i n a t es y s t e mi sr e s e a r c h e d ，i ti s l i a b l et od e a lw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i cd a t a ( f o re x a m p l e ，c o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ) t h i sm e t h o di sa c k n o w l e d g e dt ob ef e a s i b l ea n dc o r r e c t a n dg e te x p e c t a n tp u r p o s e 5 t h ei d e at h a tn c wm o d e lt u r n e rd a t a , s u c ha sc o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v c 。a r c i n t e r p o l a t e dt of i g u r eo u ta c c o r d i n gt oe x i s t i n gm o d e lt o m e r d a t ai sp r o p o s e dt om e e tt h e n e e do fp r a c t i c a lc i r c u m s t a n c e si nh y d r o p o w e rs t a t i o n , a n da c t i v e l yp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cm o d e l k e yw o r d s ：t y p e - s e l e c t i o nd e s i g no fr e a c t i o nt u r b i n e ；d a t a b a s ef o rt h et y p e s e l e c t i o n d e s i g n ；c o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ；p e r f o r m a n c ec u r v e ；o r i e n to b j e c t ( 0 l o ) ；o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ( o d b c ) ；m o d u l es t r u c t u r e 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：l ；l 孕碉 日期：枷7 年f 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 瓯夺碉 韵文 e l 期：一年j 月d 日 日期：夕叻7 年r 月刃e t 硕f 。学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 反击式水轮机选型设计软件开发的历史背景 我国蕴藏着极其丰富的水力资源，理论蕴藏量为6 7 6 亿千瓦，可开发利用的 水电资源的装机容量为3 7 8 亿千瓦。丰富的水力资源为我国电力建设提供了可 持续发展的清洁再生能源。但是，到2 0 0 1 年底，我国的水电装机的总容量仅仅为 8 3 0 0 万千瓦，只占可开发容量的2 2 左右”1 ；根据我国电力工业的现状和电力市 场发展的变化，以及世界日益关注的“能源与环境”主题和我国电力结构重新调 整的能源政策，即今后电力发展的方针是：开发与节约并重，优先发展水电，优 化发展火电，适当发展核电，积极发展新能源，促进全国联网。由此看来，大力 发展水电势在必行。而根据我国水电发展中、长期计划，水电建设将迎来一个十 年大发展时期。到2 0 1 0 年，我国的水电装机规模将达到1 2 5 亿千瓦以上，占可开 发装机容量的3 3 1 以上”。由此算来，从2 0 0 0 年到2 0 1 0 年我国平均每年将增加 水电装机容量5 0 0 万千瓦以上，才能完成水电的发展规划。1 。丰富的水力资源和优 先大力发展水电的能源结构调整政策与自力更生的建设方针，为我国水电设备制 造业的发展带来了广阔的前景。 电力是国民经济发展的命脉。目前我国有水力发电、火力发电、核电和风力 发电等几种发电形式，其中水力发电不需要燃料，不需运输，运行成本低廉，运 转灵活，速动性高，调度性能好，不污染环境，可以成为电力系统中经济可靠的 备用负荷和担负尖峰负荷的优质电源。近年来，随着我国工农业事业的蓬勃发展， 对电力的需求也随之增大，带动一大批大中型水电站和蓄能电站相继开工和投运。 据初步统计，2 0 0 5 年，我国新投产机组约为6 8 4 0 万7 0 0 0 万k w ，全国总装机容 量将达到5 1 亿5 2 亿k w ，发电量约为2 5 万亿k w h 0 1 。根据2 0 0 5 年经济 社会发展的主要预期目标，预计国民生产总值( g d p ) 将保持8 的增长速度，全国 电力消费的增速将相应达到1 2 左右，全社会用电量将达到2 4 2 2 0 亿k w h 0 1 。随 着三峡电站水轮发电机组的投产和龙滩、小湾、向家坝、溪洛渡等一大批7 0 0 m w 机组的开工建设，标志着我国水电建设迎来了一个大发展时期。但是，巨型常规 机组、大型蓄能机组和大型贯流机组的大量使用是水电发展的大好机遇，同时也 给科研、设计、制造、安装和运行带来许多值得深入研究的课题“。 上述情况充分说明了本课题有着广泛的应用前景。 1 1 2 反击式水轮机选型设计软件开发的必要性和意义 水轮发电机组则是水电站的心脏，是取得水电站经济效益的关键设备。同时， 在水电站工程机电部分造价中水轮发电机组占主导地位。因此，合理选择水轮发 电机组是水电站设计、建设中的重要一环。水轮发电机组选择的核心问题是水轮 机的选型。水轮机的型式与参数的选择是否合理，关系到水电站的运行、管理和 经济效益“1 ；还关系到水电站的厂房建筑结构”1 等。由于水轮机是不定型产品，且 各电站的水头、流量互有差异，工厂不可能为每一个电站设计出适合的水轮机产 品。其次，由于水轮机中流体运动的复杂性及其理论的不完善加之技术水平所限， 目前尚不能用纯理论计算的方法最终确定最优的水轮机方案。目前只能由设计者 通过比较几种不同的方案，确定出较佳的方案。 反击式水轮机选型设计的基本理论是相似理论，主要依据是模型转轮型谱参 数表和模型转轮综合特性曲线。现在的设计大多数是基于手工方式下的水轮机选 型设计。设计师常常利用模型转轮综合特性曲线，采用试凑的办法来确定水轮机 的运行区域，往往需要经过多次试凑彳能找到一个较佳的工况点，而用户要求至 少提供6 个工况点。有时，对于一个给定设计水头有几个甚至十几个模型转轮可 以适用，要从中选定一个最合适的转轮，设计者需要重复几十遍甚至几百遍手工 试凑过程。设计工作相当繁琐，效率也很低，结果精度也较差，企业就难于实现 对市场的快速响应”。 在当今时代，计算机和网络技术得到了飞速发展，自然应该用计算机来解决 这样繁琐的问题，这样就可以将设计师从复杂的重复劳动中解放出来，充分发挥 计算机的优势，缩短设计周期、实现优化设计、提高设计质量和效率。从而使企 业能够跟上市场的变化，使企业在电站的招标中能应对自如。本课题应用计算机 辅助设计技术( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，旨在开发出有较强实用性、通用性的程序 软件来满足生产的需要。一改以往水轮机选型依靠人工计算，速度慢，不能很好 地满足水电站设计的要求，并能大大提高反击式水轮机选型设计的速度和精度及 能选出更适合水电站的水轮机，使水电站设计人员能用更多的时自j 投入到更高层 次的技术经济比较中，提高水电站的设计质量和经济效益。 1 2 课题国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 水轮机选型设计软件开发的国外研究现状 水轮机选型设计软件的研究在国外起步较早，现在已经发展得较为成熟。早 期阶段主要进行水轮机特性曲线的数据库管理系统方面的研究。这一阶段主要是 进行软件开发的基础准备工作，即建立水轮机基本参数和特性参数数据库，将大 量的实验特性数据输入数据库中，建立水轮机特性的数据库管理系统。应用水轮 机特性数据库管理系统，可以很方便地实现数据的组织、管理、录入和查询，实 现水轮机选型设计的半自动化，同时也为后期的研究奠定了基础。现阶段的研究 已经进入面向水电站建设的实用的水轮机计算机辅助设计软件的开发与研究。目 前己经开发出了一些较为综合的设计软件，如t u r b n p r o t mv e r s i o n3 ”1 ，就是美 国h y d r oi n f os y s t e m s 开发的较为完善的水轮机选型设计软件。此软件能够根据用 户输入的电站参数，选择出适当的水轮机的类型和尺寸，并且能够得到所选出的 水轮机的综合特性曲线和运转特性曲线；而且还能够通过水轮机内部流场的计算 进行水轮机性能的预估。应用该软件还能比较出不同结构和布置形式的机组的优 缺点，同时在选择水轮机类型和尺寸的时候也考虑到了空蚀的影响”1 。但是这些软 件一般以国外的标准开发的，与我国的标准不统一，这样就造成了在使用上的困 难。而且价格通常也很高，国内的水轮机制造和研究单位大都负担不起。 1 2 2 水轮机选型设计软件开发的国内研究现状 我国从事这方面的研究工作起步较晚，发展速度也比较慢，主要原因是我国 的软件产业起步晚，国内软件开发的基础相对国外比较薄弱。直到9 0 年代才有人 从事这方面的研究，而且大多数也只停留在国外发展的早期阶段，发表的论文相 对较少。随着我国软件行业的发展和专业的融合，跨专业的协作也逐渐增多，一 些从事软件开发的专业人员加入了这方面研究的队伍，从而增强了研究的实力， 近几年取得了一些研究成果。目前，国内只有几所高校，如江苏大学、河海大学、 四川工业学院、武汉大学、华中理工大学和清华大学”，正在进行这方面的研究 与开发，取得了一些研究成果。如：四川工业学院的张让勇研究和开发过混流式 水轮机优化选型系统软件“；武汉大学的叶浩亮和漫湾水力发电厂闵经书应用 v b 6 0 开发的水轮机选型c a d 程序“”；河海大学水利水电工程学院的唐列、云南 昆明国家电力公司昆明勘测设计研究院的王晓龙和浙江丽水紧水滩水力发电厂的 周普会合作开发出基于o b j e c t a r x 的水轮机选型软件1 ，等等。但是开发的软件 功能相对简单，有的只能完成综合特性曲线的处理，有的只能完成选型的初步设 计，不能达到理想的效果。国内也有少数几个水轮机制造厂和设计研究院也在自 己组织力量研究开发这种类型的软件，如：中国水利水电第十工程局勘测设计院 的彭贵川应用d e l p h i 开发的中小型水电站水轮机选型设计软件包“；四川工业学 院的宋文武和中国水利水电第十工程局勘测设计院的彭贵川应用d e l p h i 开发的水 轮机选型设计软件包“；浙江杭州发电设备厂的赵海刚、童建新和刘敏龙开发出 基于a u t o c a d 的水轮机运转特性曲线自动绘制程序1 ，等等。但大多是面向自己 反击式水轮机选型设计软件的开发研究 单位的实际情况，功能相对比较单一。由于企业之间的竞争，每个企业都需要对 自己的技术资料进行保密。因此，这种由企业自主开发和研究的软件通常没有很 好的通用性，也很难在国内的企业中进行推广。 1 2 3 水轮机选型设计软件开发的发展趋势 1 ) 趋势之一：开发水轮机设计专家系统“” 随着计算机技术的不断进步，在人类社会实践活动的各个领域利用计算机来 解决所遇到的各种复杂问题上，已从确定性的科学计算和信息管理等传统的数据 处理发展到出现了以人工智能为基础的专家系统( e x p e r ts y s t e m ) “”“”。在工程设 计中，也已从传统的科学计算、工程制图等计算机辅助设计( c a d ) 发展到专家系统 与智能化c a d 技术阶段。研制水轮机设计专家系统，需要把计算机软硬件系统、 优化设计、计算流体、固体力学、机械振动、结构设计、制造工艺以及技术管理 等学科的专门知识有机地结合在一起，并在科研、设计、工艺和标准化等有关部 门的通力合作下，经计算机系统开发的知识工程师( k n o w l e d g ee n g i n e e r ) 和专业 技术部门的领域专家( d o m a i ne x p e r t ) 的共同努力才能得以实现。 传统的c a d 只是专家的一种工具，主要用于设计中的计算机绘图及科学计算 等。它只能用于设计全过程中的部分工程设计阶段，不能完全代替专家进行设计， 更不能用在产品设计的最重要的方案设计阶段。随着设计产品复杂性和多样化， 要提高产品设计的效率和质量必须使传统的c a d 集成化、一体化和智能化。因此 设计型专家系统的建立，应在原有c a d 技术的基础上进行集成化、一体化和智能 化工作。这一工作的完成将会把老一辈设计专家的经验保存下来，将不同风格、 不同流派专家的知识综合起来，利用计算机的快速和准确的特点，提高设计的效 率和质量。同时能结合一些新的设计思想和技术( 如优化设计、可靠性设计、动态 分析设计和系统设计等) ，使设计工作达到现代化设计水平。此外，水轮机还有它 自身的特点，即它不同于火电机组的大批量生产，它是单件多品种小批量生产， 几乎是每个新的电站都要重新进行设计，且设计任务繁重。据有关资料介绍，采 用专家技术系统可使设计周期缩短几倍至几十倍。水轮机设计专家系统设计工作 流程图如图卜1 所示。 2 ) 趋势之二：开发分布式大型水轮机方案设计系统 当前，社会生产已由单一的、地域限制模式走向了跨地域甚至全球协作的生 产模式“”“；产品设计将趋向于大型化、复杂化，并由多专业设计人员、设计团 队共同完成1 。因而，局限于一个设计室或一栋办公楼的设计模式己无法适应现 代快速、大型的设计要求”。异地设计、分布式设计不仅是未来的发展方向，也 是制造企业未来发展的需求。现实的理想是：设计人员在全球任一位置通过互联 网络与总部建立连接，发起设计；总设计师在全球任一位置通过互联网络组建设 硕p 学位论文 设计p c 图卜2 分布式水轮机设计系统应用示意图 5 计团队，进行功能分解，完成设计任务口羽。这种物理上的分布性要求将来的水轮 机设计系统提供分布式的异地设计支持，同时，设计人员和设计团队的多样性要 求系统提供对多用户、多角色的协作设计支持11 2 4 o 将来的大型水轮机设计系统 的应用目标如图卜2 所示汹1 。 1 3 课题研究的现有条件 本课题研究项目组的各位老师具有扎实的理论知识和长期从事水轮机设计的 经验；而同学们已经完成了本专业的理论课学习，并深入学习本课题有关的专业 知识；仔细研究了收集到的与本课题有关的学术论文；进行有关实用程序和商业 软件的使用和见习，从而对有关实用程序和商业软件的使用有了一定的理解和掌 握。目前，计算机及通用商业软件已有，并已经建立了流体机械内部流动c f d 计 算局域网和小型工作站。 1 4 课题研究的研究内容 本课题研究的内容是反击式水轮机选型设计与特性曲线绘制软件的开发与研 究，主要有： 1 ) 结合国情及水轮机行业的发展需要，参阅有关参考文献、资料和前人的研 究成果，进行反击式水轮机选型设计与特性曲线绘制的研究。建立反击式水轮机 选型设计及特性曲线绘制的数学模型，进而确定反击式水轮机选型设计与特性曲 线绘制软件的功能模块划分。 2 ) 采用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库管理软件，建立已有优秀水轮机的原始资料 数据库，便于数据的组织、管理与调用。 3 1 采用v i s u a lc + + 程序设计语言，综合应用软件工程的设计思想和面向对象 技术( o o ) ”1 以及开放数据库互连( o d b c ) “”1 技术，进行反击式水轮机选 型设计与特性曲线绘制软件的开发研究。 4 ) 研究处理复杂曲线( 多值函数) 的新型插值方法，即：将直角坐标系转化为 极坐标系，在极坐标系下进行插值计算，避开了多值函数带来的不便。 5 1 研究利用现有转轮型谱资料插值计算出新型号转轮的模型综合特性曲线等 型谱数据的方法，寻找将反击式水轮机选型设计提高到更符合工程实际情况的途 径。 总之，反击式水轮机选型设计与特性曲线绘制软件应用计算机辅助设计技术 硕士学位论文 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，旨在开发出有较强实用性、通用性的程序软件来满足生 产需要。一改以往水轮机选型依靠人工计算，速度慢，不能很好地满足某些水电 站水力参数的设计要求和工程实际需要的现状，并能大大提高反击式水轮机选型 设计的速度和精度。使设计人员能用更多的时间投入到更高层次的技术经济比较 中，提高机组的设计质量和经济效益。 反击式水轮机选型设计软件的开发与研究 第2 章反击式水轮机选型设计的基本理论 2 1 水轮机选型设计概述 水电站水能规划或初步设计阶段，在统计和计算出水库的正常高水位，枯水 位和电站装机容量后，就要进行水电站动力设备的选择。水轮机是水电厂的主要 动力设备之一，因此水轮机选型设计是动力设备选择的主要内容。水轮机的选 型设计就是根据水电勘测设计部门提供的原始资料和数据来选择合适的机组台 数、转轮型号和计算出所选水轮机的各种必要参数。水轮机选型设计过程一般是 根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产 的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选定若干个方案进行技术经济的综合比 较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 水轮机选型设计是水电站水能设计的一项主要设计内容，其主要内容一般有： 在水电站装机容量已定的情况下，确定机组台数( 单机容量) 及水轮机的型号、 主要零部件的结构型式、制造材质以及辅助设备等，并确定水轮机的基本工作参 数，其中主要要确定的基本参数有：在设计水头下保证发出额定功率的转轮直径、 额定转速和飞逸转速、安装高程、轴向水推力、调节保证计算的速率上升、压力 上升值及导叶的关闭时间、在机组运行范围内的所有运行工况下，水轮机的功率 和吸出高度值，即绘制出水轮机的运转综合特性曲线等；选定定桨式水轮机的叶 片角度和导叶最大开度；冲击式水轮机的射流直径和喷嘴数等。但本课题研究涉 及的是反击式水轮机选型设计。 水电厂是一个由许多机械设备、电气设备和水工建筑物组成的有机整体。进 行水轮机选型设计时，应考虑到有关电气、其他机械设备和水工建筑等各方面的 因素。水轮机的型式与参数的选择是否合理，不仅关系到水电站的运行、管理水 平和经济效益；而且还关系到水电站的厂房及水工建筑物的布局与结构等。 2 2 水轮机选型设计所必需的原始数据和资料 进行水轮机选型设计，需要水电勘测设计部门提供的原始资料和数据如下：1 ) 电站的水头：最大水头圩。；最小水头目曲；加权平均水头 o ；设计水头； 以及上下游水位的标高等；2 ) 电站的总装机容量也( 装机台数r 或单机容量) ， 负荷的性质( 如：基荷、峰荷和调相) 等；3 ) 电站的水质( 化学成分，含气量， 硕士学位论文 含沙量，粒度等) 及水文( 多年平均径流量，最大流量，设计流量等) 资料；4 ) 厂房的布置形式及引水方式，上下游的水位与流量的关系曲线；5 ) 管路布置情况， 引水管路长度、直径、管路损失以及其特性特征值等。以便作为调节保证计算和 强度、功率校核的依据；6 ) 电站的地质状况及其允许的最大挖深。以便考虑抗空 蚀和磨损的措施，等。 此外还需以下资料：7 ) 水轮机设备产品技术资料：包括国内外水轮机型谱、 产品规范及其特性；同类水电站的水轮机参数及运行经验。”等；8 ) 运输及安装条 件，等等。 2 3 水轮机选型设计所应遵循的原则 在水轮机选型设计中通常应遵循以下原则： 1 ) 使所选定的水轮机应具有较高的最优效率和平均运行效率，使水电站获得 较大的能量效益，同时尽量降低水电站造价，傲到经济合理。 2 ) 使所选用的水轮机在满足功率要求的条件下，尺寸尽可能的小，即尽可能 选用比转速h 。高的转轮。以，高使转速高、尺寸小，并经常运行在高效区但注意： 工作在高效区，尺寸小，必然转速高；而转速高不一定在高效区，要兼顾矛盾的 双方。 3 ) 水轮机运行稳定，设备经久耐用，技术上可靠，保证安全供电，所选用的 转轮应具有良好的空蚀性能和较好的工作稳定性，即较小的压力脉动值。 4 ) 有利于水电站枢纽布置，适应厂房的地形地质条件，同时满足电站运行方 式的要求。 5 ) 对大型电站，要尽量根据电站的具体条件来选择和设计计算；必要时要研 制新转轮。 6 ) 在中小型电站中应尽量选用标准通用系列产品另外对于小型机组，发电 机的系列转速在一定程度上决定了水轮机的型式和适用水头范围，除要考虑到上 述选取原则的要求外，更主要的是要考虑对其飞逸转速的限制对卧式机组，还 要尽量保证其吸出高度为正值，即矾 o 7 ) 对某一个电站，若同时有几种方案都适用，应根据电站的具体条件，对各 方案进行综合经济分析、比较，确定出最合理的一种方案。 8 ) 整套机组的零部件，应尽可能选用标准件、通用件水轮机制造、运输、 安装和运行等方便，尽可能缩短水电站施工工期，使机组早日投产，满足经济的 需要。 反击式水轮机选型设计软件的开发与研究 2 4 反击式水轮机选型设计计算及其数学模型 2 4 1 机组台数( 单机容量) 的确定 水电站装机容量确定以后，即可拟定不同机组台数方案。电站机组台数的选 择，应使口2 3 台。尤其是大中型电站，单机容量不能大于整个电网系统容量 的1 0 ，以便电网运行的稳定。机组台数不同，其转轮直径、转速也不同。一般 机组台数与水电站效率、运行方式、投资、系统容量、机组设备制造、运输以及 水电站枢纽布置等方面都有密切关系。 机组台数不同，水电站的平均效率也不同。一般说，水电站机组台数多，运 行时可通过开机方式避开低效率区，从而提高电站的平均效率，但机组台数多到 一定程度后，平均效率影响就不太显著。水轮机类型不同，机组台数对水电站平 均效率的影响也不同。轴流转桨式水轮机单机效率特性曲线较平稳，放机组台数 增减对平均效率影响不大；轴流定桨式水轮机单机效率特性曲线较陡峻，出力变 化时效率变化较强烈，因此增加机组台数可显著改善电站的平均效率嘲。 水电站在电网中担负基荷工作，水轮机可在较长时间内处于最优工况下运行， 这样机组台数少，水轮机也能保持较高效率。若水电站担任电网峰荷，机组负荷 变化幅度较大，为获得较高效率，则需增加机组台数。 机组台数增加除引起机组本身的单位千瓦造价增加外，同时也增加了机电配 套设备的套数，电气结线也较复杂，机组安装维修工作量也大，厂房总平面尺寸 也须增加。但另一方面，机组台数多，采用小机组后则起重设备能力、安装场地、 厂房基础开挖、甚至备用容量等均可减少，因此可减少投资。在大多数情况下， 机组台数太多将增大投资。 占电网总装机容量比重较大的水电站，确定机组台数时应考虑到电网总容量 与该电站单机容量的比例关系。一般情况下，电网的事故备用容量不应小于该电 网内最大的一台单机容量。根据这个原则可确定水电站最大可能的单机容量。 机组台数多、单机容量小，其优点是运行方式机动灵活，机组发生事故后所 产生的影响较小，但操作的次数也可能随之增加，发生事故的机率增多了，同时 管理人员增多，运行费也提高了。机组台数多，机组尺寸小，使制造和运输方便， 但机电设备单位千瓦的材料消耗量都要增加；相反，机组台数少，机组尺寸大， 制造技术也较复杂，有时设备尺寸过大，会受到生产能力限制，运输困难。机组 台数多，势必会给枢纽布置带来的困难更多些，特别是水电站布置在狭窄的河谷 中，可能由于枢纽布置的关系对机组台数选择提出限制条件和要求。 以上多种因素均互有联系，实际应用时应根据具体情况分析研究，进行经济 比较。当水头、机型一定时，水轮机价格随单机容量增加而降低。近年来水电站 硕士学位论文 建设规模较大，国内外均倾向采用较大的单机容量。大型水电站单机容量受到生 产能力限制，可以选用较多的机组台数，我国目前机组台数最多的是长江葛洲坝 水电站，装机2 1 台，总装机容量2 7 1 5 m w ，在建的三峡水利枢纽电站装机2 6 台， 总装机容量1 8 2 0 0 m w ，永定河上马岭水电站仅有l 台机组，装机容量6 5 m w 。 2 4 2 选择水轮机的型号 根据给定的设计水头和该水头下的水轮机额定功率以及水头变化范围，利用 水轮机的使用综合图表、系列适用范围图表或型谱特性参数表，以及所掌握的适 应于该设计水头段的性能优良的优秀转轮的数据来确定转轮型号在查用型谱参 数时，在同一水头、容量情况下，可能有几种型号的水轮机均可适用，此时均应 列为比较方案。 值得注意的是：1 ) 选择水轮机型号时，应参考国内设计、施工及已运转的水 轮机资料洲。2 ) 在选型中，各图表中的最大适用水头值均可超出允许最大使用 水头的5 1 0 因为纳入型谱中或图表内的转轮在强度和刚度上都有一定余量； 而且从模型到真机的换算，强度和刚度的变化也并非线性，所以只要空蚀条件允 许，可以将最大适用水头放宽到1 1 0 只。以内。 2 4 3 计算并确定设计流量 按给定的额定功率，确定设计流量钰 锦- 志 其中 虮- 鲁为水轮机的额定出力；o 一为水电站总装机容量；一为发 m 1 d 电机的效率；伊一为水电站机组台数；一设计水头；叩一水轮机的效率。 其中叩，本应按 。与q 。工况点的数值，但在此只能先近似给定，或按模型 综合特性曲线上限制工况点效率适当( 稍高) 给定，或按型式的不同按表 1 选 取。 表2 - 1 水轮机效率粗略选取表 i 水轮机型式 大中型混流式中小型混流式轴流转桨式轴流定桨式 i 叶 o 8 9 0 9o 8 0 o 8 5 0 8 7 0 9 0 8 2 左右 2 4 4 计算并确定转轮的直径和额定转速 在机组台数( 单机容量) 及水轮机型号拟定后，计算相应的转轮直径及转速，并 反击式水轮机选型设计软件的开发与研究 满足在设计水头时发出水轮机的额定出力，在加权平均水头运行时效率最高。 单位转速和单位流量的确定原则：单位转速，。应取等于或略高于最优效率下 的单位转速；而单位流量酝，。应尽可能选用型谱或模型中推荐使用的最大单位流 量q 。之值( 即型谱中所写最优单位流量) 。对q 。也可这样选取；对混流式及定 浆式水轮机取最优单位转速啊。线与5 出力限制线交点处所对应的单位流量q ，。 若受电站挖深限制时，按允许最大吸出高度风来决定q 。之值。但绝对不允许q 。 小于( 或等于) 最优单位流量q l o o 对转桨式水轮机q 。是在确定的一。等值线和 允许的等吸出高度峨线或按其反推出的等空蚀系数线交点所对应的单位流量值。 此外，还可从平均效率、电能、装机台数进行经济分析确定包，。对径流式水电 站应考虑在最大和最小水头时均能得到电站保证出力。但从经济性和运行稳定性 着眼，选用的包，。一般不宜超出型谱表中推荐的范围”。 2 4 4 1 转轮直径的计算并确定 q - 压一胨 其中q 。可按上述原则选取。一般尽可能取大一些的q 。，这样使转轮直径d l 减小、转速n 增高，机组造价降低而带来经济性。但要考虑到确保额定功率，不能 取得过大。而叩可按2 4 3 中的方法确定，待求出d 1 后再按效率换算公式加以修 正。 这里还需说明的是： 1 ) 若计算出d 之值不为整数或不为标准直径值，对于中小型机组应选取比计 算值大一级的标准直径值；对于大中型机组最好圆整。对混流式机组，若计算出 d 1 2 0 c m 时，允许其值与标准直径大3 。 2 ) 初选d 1 之后，当额定转速n 4 2 8 6 r p m ( 即磁极对数p 蜴时使实际的单位转速刚好接近 n l l o 。 单位转速还应考虑模型呈真机的修正值a 鸣，。： a ，l l 。一( r h l o ) ( 厩一1 ) ( 2 3 ) 式中：鸭1 0 ) 模型最优单位转速，r m i n ； 。、协。模型、真机最高效率。 当7 1 鱼 3 则应作修正，i l p n l l o = 魄。k + 觇i o ( 啊加kt 伪1 0 k 或n a l = w + 觇1 。 然后按甩- 兰专竽立计算出转速忍；并和发电机同步转速比较，取最接近的略 大于计算值的同步转速。之后反过来确定，l l “ 2 4 4 3 水轮机效率及其修正 1 ) 最高效率点的效率推算 混流式和定桨式水轮机： 珊。= 卜一，( 鲁广 轴流式水轮机： ( 2 - 4 ) 反击式水轮机选型设计软件的开发 了研究 坍。_ t 一。一一， 0 3 一o ，( 鲁广( 鲁广】 式中：一、珊一模型、真机最高效率； d 0 、d l 一模型、真机转轮直径，m ； 日。、日一模型机试验水头、真机水头，m 。 各制造厂根据不同类型水轮机设计制造的具体情况，常常采用不同的效率修 正的经验公式进行效率换算。 2 ) 其它效率点的效率推算 对于混流式和定桨式水轮机：大中型水轮机的效率一般都大于7 2 7 5 ，在 此效率范围内，模型综合特性曲线上各点效率的修正值均可按最高效率点的效率 修正值进行计算。即 仉2 锄+ a r 2 ，7 + 【璐一一。) ( 2 - 7 ) 式中：仇一