“卓越工程師”背景下“水輪機水力設計”課程內容研究

侯祎華+韓偉+程效銳+劉在倫

摘要：以“卓越工程師教育培養計劃”為目標，在相關企業調研，分析水輪機水力設計現階段的發展情況，對課程內容進行更新與改進。發現傳統的轉輪及其他過流部件水力設計方法可繼續沿用；轉輪水力計算完成后，加入葉片實體造型教學內容，在三維造型的基礎上繪制木模圖；在課程設計和畢業設計環節，增加流場數值模擬計算及過流部件水力性能預估環節，在條件滿足的情況下，鼓勵學生打印出三維實體造型并設計一些小實驗。

關鍵詞：卓越工程師；動力工程；水輪機；水力設計；課程內容

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）02-0219-03

引言：

“卓越工程師教育培養計劃”的主要目標是面向工業界、面向世界、面向未來，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為建設創新型國家、實現工業化和現代化奠定堅實的人力資源優勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力[1]。2011年，蘭州理工大學能源與動力工程專業開始參與卓越工程師培養計劃并于2012年開始第一屆卓越班招生，經過幾年的摸索，逐漸形成一套行之有效的培養方案，并對很多專業課程教學內容進行了調整，以便適應“行業指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的“卓越工程師教育培養計劃”遵循原則[2]。下面以“水輪機水力設計”為例加以說明。

蘭州理工大學能源與動力工程專業的前身是1955年成立于哈爾濱工業大學的我國高校的第一個水力機械專業。1961年，該專業遷至富拉爾基哈工大分校東北重型機械學院（現已遷至秦皇島，改名為燕山大學）。1965年整個專業隨所在系全建制遷至甘肅工業大學。1981年，水力機械被國務院學位辦批準為首批碩士學位點。2000年，流體機械及工程學科獲得博士學位授予權，并獲動力工程領域工程碩士授予權。2005年，獲得動力工程及工程熱物理（一級學科）、動力機械及工程（二級學科）碩士學位授予權。2007年，熱能與動力工程專業獲批國家級特色專業。2011年作為第二批院校開始參與卓越工程師培養計劃并于2012年開始第一屆卓越班招生。

專業建立半個多世紀來始終堅持以培養工程技術人員為己任，雖偏居西北一隅，仍嚴守“規格嚴格、功夫到家”的哈工大校訓，重視課程體系的建設，培養了一大批活躍在國內外流體機械行業的工程技術人員。以水輪機方向而言，開設的相關專業課程有“流體機械原理”、“水輪機水力設計”、“流體機械結構與強度”、“流體機械測試技術”、“水力機械加工工藝”、“水輪機調節”，基本涵蓋了水輪機作用原理、過流部件設計、結構設計、剛強度計算、流場測試、零部件加工工藝以及運行方面的問題，課程體系較為完整。

隨著計算機及CFD技術的發展，水輪機行業發生了很大的變化，尤其是三峽工程的建設，拉動了整個世界水電的發展水平，同時也將我國水電行業帶入了世界一流。自此后，大型機巨型機比比皆是，各種新技術、新結構、新測試手段層出不窮。這都對我們的專業課程內容設置提出了挑戰[3]，如何應對這種挑戰，將水電發展的前沿技術引入課堂教學，對現有教學內容進行改進，拋棄老舊過時的內容，以更利于培養面向工業界、面向世界、面向未來，創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才[4]。我們在到相關企業調研的基礎上，對“水輪機水力設計”課程內容進行了一些改進。

一、水輪機水力設計階段分析

我國水輪機水力設計設計開始于上世紀50年代，基本經歷了三個階段：

1.以手工設計為主的填型設計階段。這一階段基本持續到上世紀70年代末，由行業牽頭，集中全國技術力量進行攻關。

2.以不同水頭段為目標的設計階段。這一階段基本持續到三峽工程之前，由企業自己進行。在這兩個階段，水力開發周期長，成功率無法得到有效的保證，模型試驗驗證非常關鍵。

3.全面應用CFD技術，以電站具體特點為目標的全新設計階段。從上世紀90年代，哈電、東電引進三峽水輪機水力技術為起點，開始進入全面應用CFD技術，以電站具體特點為目標的全新設計階段。圖1所示是第三階段水輪機設計開發流程圖，從圖中可以看到現階段水輪機設計開發具有以下幾個特點：（1）以強大的數據庫作為支持，加入了大量目前運行情況良好的水電機組統計資料；（2）廣泛應用CFD技術進行流場數值模擬和流動分析，參考現有數據庫資料，對設計好的轉輪等過流部件進行優化，以得

到更高性能過流部件；（3）在模型試驗之前，應用結構動力分析軟件進行應力應變分析，可對結構進行進一步優化。通過流動分析、機械分析、模型試驗三個環節的優化和質量保證，提高了水力開發的成功率，縮短了開發時間。

二、課程內容存在的問題及改進

比照現階段展現狀，對“水輪機水力設計”教學內容分析如下：

1.水力設計方法。對混流式水輪機轉輪，該課程主要講述了“ωu=0的二元理論”水力計算方法；對軸流式和貫流式水輪機轉輪，該課程主要講述了“奇點分布法”（“一元理論”和“升力法”在葉片泵水力設計中講述）。通過與東電、哈電水輪機設計方面的專家座談得知，這些水力設計方法依然是轉輪水力初步計算的基礎，只不過在目前階段，在轉輪水力初步計算的基礎上，還引入了統計法和流場數值模擬方法進行了優化。例如目前應用評價很高，模型效率高至92.6%、穩定性好的X型葉片，在水力設計方法上依然是在傳統方法設計出的常規轉輪葉片的基礎上優化而來，如圖2，從這點上來說，到目前為止，轉輪水力設計方法沒有過時，可以繼續沿用。

2.水力設計步驟。傳統的轉輪水力流程如圖3，從圖中可以看出在這種方法中，水力計算完成后，由于技術手段的限制，三維形狀只能依賴于設計人員的空間想象力。葉片的表達只能用傳統的二維木模圖，在二維木模圖的基礎上用各種截面進行表面光滑性檢查，以此大概判斷葉片的光滑性；葉片的真實厚度及開口計算也只能在二維圖基礎上進行，作圖求解方法麻煩，計算的準確性無法保證；實體也只有在木模制作完成后才能看到。現階段，這肯定已無法滿足用戶的需求，三維造型直觀可視，光滑性一目了然；真實厚度葉片開口可直接測量準確性高；并且是數值計算、應力分析以及葉片數控加工的必備條件。因此對于這一部分內容有必要進行調整，加入葉片實體造型內容，表面光滑性檢查，真實厚度及開口值都在三維造型的基礎上進行，最后由三維造型進行截割做出木模圖。

3.轉輪葉片繪型質量的初步估計。傳統上對混流式轉輪，通過檢查相對流速沿葉型骨線的變化規律，以及轉輪葉片表面的速度分布來進行，計算中很多參數需要反復估算，計算精度低；對軸流式和貫流式轉輪則通過個別點速度、壓力的計算來進行產品。這部分內容實際上最適宜利用CFD軟件來進行數值模擬。因此在課堂上增加了流場數值模擬的內容介紹，近幾年在畢業設計中，也有同學用流場數值模擬軟件對設計出的一些過流部件進行了數值計算。

做到這一步，其實也就是按照圖1的思想對傳統水力設計步驟進行改進，隨著三維打印技術的發展，也希望在課程設計和畢業設計環節能進一步打印出模型并設計一些小實驗。

4.其他過流部件水力計算。從相關企業調研情況來看，蝸殼、固定導葉、活動導葉、尾水管的水力設計方法也沒有本質的突破，對這些部件性能的改進依舊依賴于CFD流場數值模擬，通過固定、旋轉部件全三維粘性流動分析，固定、旋轉部件的耦合流動分析，以及分析固定部件與旋轉部件之間的相互影響，對它們的形狀予以優化。

三、結語

通過相關企業調研，了解水輪機水力設計的現狀及要求，對課程內容進行調整，得到如下結論：

1.傳統的轉輪及其他過流部件水力設計方法可繼續沿用。

2.轉輪水力計算完成后，加入葉片實體造型教學內容，在三維造型的基礎上繪制木模圖。

3.利用CFD軟件進行流場數值模擬來進行過流部件水力性能的預估并在此基礎上進行優化，這部分內容可在課程設計和畢業設計環節完成。

4.有條件滿足的情況下，在課程設計和畢業設計環節鼓勵學生打印出三維實體造型并自己設計一些小實驗。

參考文獻：

[1]教育部.教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見，教高[2011]1號.

[2]林健.校企全程合作培養卓越工程師[J].高等工程教育研究.2012，（3）：7-32.

[3]林健.卓越工程師培養的質量保障（上）[J].高等工程教育研究.2013，（1）：23-38.

[4]林健.卓越工程師培養的質量保障（下）[J].高等工程教育研究.2013，（3）：24.

Research on the Course Content of "Hydraulic Design of Hydraulic-turbine" in the Background of "Excellent Engineer"

HOU Yi-hua，HAN Wei，CHENG Xiao-rui，LIU Zai-lun

（Collage of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China）

Abstract：Taking "excellent engineer education and training plan" as the goal，the development of hydraulic design of hydraulic-turbine was analyzed，and the course content was studied. It was found that the traditional method of hydraulic design of the runner and its components still can be used. But after ending the hydraulic calculation of runner，the three-dimensional modeling of blade was added and then was used to draw the wooden patterns. In the course design and graduation design，the simulation of flow field and the performance prediction was also increased. And we encouraged students to print out the 3D solid modeling and design some small experimentation.

Key words：excellent engineer；power engineering；hydraulic-turbine；hydraulic design；course content