“卓越工程师”背景下“水轮机水力设计”课程内容研究

侯祎华+韩伟+程效锐+刘在伦

摘要：以“卓越工程师教育培养计划”为目标，在相关企业调研，分析水轮机水力设计现阶段的发展情况，对课程内容进行更新与改进。发现传统的转轮及其他过流部件水力设计方法可继续沿用；转轮水力计算完成后，加入叶片实体造型教学内容，在三维造型的基础上绘制木模图；在课程设计和毕业设计环节，增加流场数值模拟计算及过流部件水力性能预估环节，在条件满足的情况下，鼓励学生打印出三维实体造型并设计一些小实验。

关键词：卓越工程师；动力工程；水轮机；水力设计；课程内容

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）02-0219-03

引言：

“卓越工程师教育培养计划”的主要目标是面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源优势，增强我国的核心竞争力和综合国力[1]。2011年，兰州理工大学能源与动力工程专业开始参与卓越工程师培养计划并于2012年开始第一届卓越班招生，经过几年的摸索，逐渐形成一套行之有效的培养方案，并对很多专业课程教学内容进行了调整，以便适应“行业指导、校企合作、分类实施、形式多样”的“卓越工程师教育培养计划”遵循原则[2]。下面以“水轮机水力设计”为例加以说明。

兰州理工大学能源与动力工程专业的前身是1955年成立于哈尔滨工业大学的我国高校的第一个水力机械专业。1961年，该专业迁至富拉尔基哈工大分校东北重型机械学院（现已迁至秦皇岛，改名为燕山大学）。1965年整个专业随所在系全建制迁至甘肃工业大学。1981年，水力机械被国务院学位办批准为首批硕士学位点。2000年，流体机械及工程学科获得博士学位授予权，并获动力工程领域工程硕士授予权。2005年，获得动力工程及工程热物理（一级学科）、动力机械及工程（二级学科）硕士学位授予权。2007年，热能与动力工程专业获批国家级特色专业。2011年作为第二批院校开始参与卓越工程师培养计划并于2012年开始第一届卓越班招生。

专业建立半个多世纪来始终坚持以培养工程技术人员为己任，虽偏居西北一隅，仍严守“规格严格、功夫到家”的哈工大校训，重视课程体系的建设，培养了一大批活跃在国内外流体机械行业的工程技术人员。以水轮机方向而言，开设的相关专业课程有“流体机械原理”、“水轮机水力设计”、“流体机械结构与强度”、“流体机械测试技术”、“水力机械加工工艺”、“水轮机调节”，基本涵盖了水轮机作用原理、过流部件设计、结构设计、刚强度计算、流场测试、零部件加工工艺以及运行方面的问题，课程体系较为完整。

随着计算机及CFD技术的发展，水轮机行业发生了很大的变化，尤其是三峡工程的建设，拉动了整个世界水电的发展水平，同时也将我国水电行业带入了世界一流。自此后，大型机巨型机比比皆是，各种新技术、新结构、新测试手段层出不穷。这都对我们的专业课程内容设置提出了挑战[3]，如何应对这种挑战，将水电发展的前沿技术引入课堂教学，对现有教学内容进行改进，抛弃老旧过时的内容，以更利于培养面向工业界、面向世界、面向未来，创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[4]。我们在到相关企业调研的基础上，对“水轮机水力设计”课程内容进行了一些改进。

一、水轮机水力设计阶段分析

我国水轮机水力设计设计开始于上世纪50年代，基本经历了三个阶段：

1.以手工设计为主的填型设计阶段。这一阶段基本持续到上世纪70年代末，由行业牵头，集中全国技术力量进行攻关。

2.以不同水头段为目标的设计阶段。这一阶段基本持续到三峡工程之前，由企业自己进行。在这两个阶段，水力开发周期长，成功率无法得到有效的保证，模型试验验证非常关键。

3.全面应用CFD技术，以电站具体特点为目标的全新设计阶段。从上世纪90年代，哈电、东电引进三峡水轮机水力技术为起点，开始进入全面应用CFD技术，以电站具体特点为目标的全新设计阶段。图1所示是第三阶段水轮机设计开发流程图，从图中可以看到现阶段水轮机设计开发具有以下几个特点：（1）以强大的数据库作为支持，加入了大量目前运行情况良好的水电机组统计资料；（2）广泛应用CFD技术进行流场数值模拟和流动分析，参考现有数据库资料，对设计好的转轮等过流部件进行优化，以得

到更高性能过流部件；（3）在模型试验之前，应用结构动力分析软件进行应力应变分析，可对结构进行进一步优化。通过流动分析、机械分析、模型试验三个环节的优化和质量保证，提高了水力开发的成功率，缩短了开发时间。

二、课程内容存在的问题及改进

比照现阶段展现状，对“水轮机水力设计”教学内容分析如下：

1.水力设计方法。对混流式水轮机转轮，该课程主要讲述了“ωu=0的二元理论”水力计算方法；对轴流式和贯流式水轮机转轮，该课程主要讲述了“奇点分布法”（“一元理论”和“升力法”在叶片泵水力设计中讲述）。通过与东电、哈电水轮机设计方面的专家座谈得知，这些水力设计方法依然是转轮水力初步计算的基础，只不过在目前阶段，在转轮水力初步计算的基础上，还引入了统计法和流场数值模拟方法进行了优化。例如目前应用评价很高，模型效率高至92.6%、稳定性好的X型叶片，在水力设计方法上依然是在传统方法设计出的常规转轮叶片的基础上优化而来，如图2，从这点上来说，到目前为止，转轮水力设计方法没有过时，可以继续沿用。

2.水力设计步骤。传统的转轮水力流程如图3，从图中可以看出在这种方法中，水力计算完成后，由于技术手段的限制，三维形状只能依赖于设计人员的空间想象力。叶片的表达只能用传统的二维木模图，在二维木模图的基础上用各种截面进行表面光滑性检查，以此大概判断叶片的光滑性；叶片的真实厚度及开口计算也只能在二维图基础上进行，作图求解方法麻烦，计算的准确性无法保证；实体也只有在木模制作完成后才能看到。现阶段，这肯定已无法满足用户的需求，三维造型直观可视，光滑性一目了然；真实厚度叶片开口可直接测量准确性高；并且是数值计算、应力分析以及叶片数控加工的必备条件。因此对于这一部分内容有必要进行调整，加入叶片实体造型内容，表面光滑性检查，真实厚度及开口值都在三维造型的基础上进行，最后由三维造型进行截割做出木模图。

3.转轮叶片绘型质量的初步估计。传统上对混流式转轮，通过检查相对流速沿叶型骨线的变化规律，以及转轮叶片表面的速度分布来进行，计算中很多参数需要反复估算，计算精度低；对轴流式和贯流式转轮则通过个别点速度、压力的计算来进行产品。这部分内容实际上最适宜利用CFD软件来进行数值模拟。因此在课堂上增加了流场数值模拟的内容介绍，近几年在毕业设计中，也有同学用流场数值模拟软件对设计出的一些过流部件进行了数值计算。

做到这一步，其实也就是按照图1的思想对传统水力设计步骤进行改进，随着三维打印技术的发展，也希望在课程设计和毕业设计环节能进一步打印出模型并设计一些小实验。

4.其他过流部件水力计算。从相关企业调研情况来看，蜗壳、固定导叶、活动导叶、尾水管的水力设计方法也没有本质的突破，对这些部件性能的改进依旧依赖于CFD流场数值模拟，通过固定、旋转部件全三维粘性流动分析，固定、旋转部件的耦合流动分析，以及分析固定部件与旋转部件之间的相互影响，对它们的形状予以优化。

三、结语

通过相关企业调研，了解水轮机水力设计的现状及要求，对课程内容进行调整，得到如下结论：

1.传统的转轮及其他过流部件水力设计方法可继续沿用。

2.转轮水力计算完成后，加入叶片实体造型教学内容，在三维造型的基础上绘制木模图。

3.利用CFD软件进行流场数值模拟来进行过流部件水力性能的预估并在此基础上进行优化，这部分内容可在课程设计和毕业设计环节完成。

4.有条件满足的情况下，在课程设计和毕业设计环节鼓励学生打印出三维实体造型并自己设计一些小实验。

参考文献：

[1]教育部.教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见，教高[2011]1号.

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

[3]林健.卓越工程师培养的质量保障（上）[J].高等工程教育研究.2013，（1）：23-38.

[4]林健.卓越工程师培养的质量保障（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