“卓越工程師”背景下“水輪機水力設(shè)計”課程內(nèi)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(yǎng)計劃”為目標，在相關(guān)企業(yè)調(diào)研，分析水輪機水力設(shè)計現(xiàn)階段的發(fā)展情況，對課程內(nèi)容進行更新與改進。發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪及其他過流部件水力設(shè)計方法可繼續(xù)沿用；轉(zhuǎn)輪水力計算完成后，加入葉片實體造型教學內(nèi)容，在三維造型的基礎(chǔ)上繪制木模圖；在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，增加流場數(shù)值模擬計算及過流部件水力性能預估環(huán)節(jié)，在條件滿足的情況下，鼓勵學生打印出三維實體造型并設(shè)計一些小實驗。

關(guān)鍵詞：卓越工程師；動力工程；水輪機；水力設(shè)計；課程內(nèi)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(yǎng)計劃”的主要目標是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源優(yōu)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(yè)開始參與卓越工程師培養(yǎng)計劃并于2012年開始第一屆卓越班招生，經(jīng)過幾年的摸索，逐漸形成一套行之有效的培養(yǎng)方案，并對很多專業(yè)課程教學內(nèi)容進行了調(diào)整，以便適應“行業(yè)指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”遵循原則[2]。下面以“水輪機水力設(shè)計”為例加以說明。

蘭州理工大學能源與動力工程專業(yè)的前身是1955年成立于哈爾濱工業(yè)大學的我國高校的第一個水力機械專業(yè)。1961年，該專業(yè)遷至富拉爾基哈工大分校東北重型機械學院（現(xiàn)已遷至秦皇島，改名為燕山大學）。1965年整個專業(yè)隨所在系全建制遷至甘肅工業(yè)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(quán)，并獲動力工程領(lǐng)域工程碩士授予權(quán)。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(quán)。2007年，熱能與動力工程專業(yè)獲批國家級特色專業(yè)。2011年作為第二批院校開始參與卓越工程師培養(yǎng)計劃并于2012年開始第一屆卓越班招生。

專業(yè)建立半個多世紀來始終堅持以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為己任，雖偏居西北一隅，仍嚴守“規(guī)格嚴格、功夫到家”的哈工大校訓，重視課程體系的建設(shè)，培養(yǎng)了一大批活躍在國內(nèi)外流體機械行業(yè)的工程技術(shù)人員。以水輪機方向而言，開設(shè)的相關(guān)專業(yè)課程有“流體機械原理”、“水輪機水力設(shè)計”、“流體機械結(jié)構(gòu)與強度”、“流體機械測試技術(shù)”、“水力機械加工工藝”、“水輪機調(diào)節(jié)”，基本涵蓋了水輪機作用原理、過流部件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)的發(fā)展，水輪機行業(yè)發(fā)生了很大的變化，尤其是三峽工程的建設(shè)，拉動了整個世界水電的發(fā)展水平，同時也將我國水電行業(yè)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(shù)、新結(jié)構(gòu)、新測試手段層出不窮。這都對我們的專業(yè)課程內(nèi)容設(shè)置提出了挑戰(zhàn)[3]，如何應對這種挑戰(zhàn)，將水電發(fā)展的前沿技術(shù)引入課堂教學，對現(xiàn)有教學內(nèi)容進行改進，拋棄老舊過時的內(nèi)容，以更利于培養(yǎng)面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才[4]。我們在到相關(guān)企業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對“水輪機水力設(shè)計”課程內(nèi)容進行了一些改進。

一、水輪機水力設(shè)計階段分析

我國水輪機水力設(shè)計設(shè)計開始于上世紀50年代，基本經(jīng)歷了三個階段：

1.以手工設(shè)計為主的填型設(shè)計階段。這一階段基本持續(xù)到上世紀70年代末，由行業(yè)牽頭，集中全國技術(shù)力量進行攻關(guān)。

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

3.全面應用CFD技術(shù)，以電站具體特點為目標的全新設(shè)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(shù)為起點，開始進入全面應用CFD技術(shù)，以電站具體特點為目標的全新設(shè)計階段。圖1所示是第三階段水輪機設(shè)計開發(fā)流程圖，從圖中可以看到現(xiàn)階段水輪機設(shè)計開發(fā)具有以下幾個特點：（1）以強大的數(shù)據(jù)庫作為支持，加入了大量目前運行情況良好的水電機組統(tǒng)計資料；（2）廣泛應用CFD技術(shù)進行流場數(shù)值模擬和流動分析，參考現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫資料，對設(shè)計好的轉(zhuǎn)輪等過流部件進行優(yōu)化，以得

到更高性能過流部件；（3）在模型試驗之前，應用結(jié)構(gòu)動力分析軟件進行應力應變分析，可對結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。通過流動分析、機械分析、模型試驗三個環(huán)節(jié)的優(yōu)化和質(zhì)量保證，提高了水力開發(fā)的成功率，縮短了開發(fā)時間。

二、課程內(nèi)容存在的問題及改進

比照現(xiàn)階段展現(xiàn)狀，對“水輪機水力設(shè)計”教學內(nèi)容分析如下：

1.水力設(shè)計方法。對混流式水輪機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計中講述）。通過與東電、哈電水輪機設(shè)計方面的專家座談得知，這些水力設(shè)計方法依然是轉(zhuǎn)輪水力初步計算的基礎(chǔ)，只不過在目前階段，在轉(zhuǎn)輪水力初步計算的基礎(chǔ)上，還引入了統(tǒng)計法和流場數(shù)值模擬方法進行了優(yōu)化。例如目前應用評價很高，模型效率高至92.6%、穩(wěn)定性好的X型葉片，在水力設(shè)計方法上依然是在傳統(tǒng)方法設(shè)計出的常規(guī)轉(zhuǎn)輪葉片的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，如圖2，從這點上來說，到目前為止，轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計方法沒有過時，可以繼續(xù)沿用。

2.水力設(shè)計步驟。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(shù)手段的限制，三維形狀只能依賴于設(shè)計人員的空間想象力。葉片的表達只能用傳統(tǒng)的二維木模圖，在二維木模圖的基礎(chǔ)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(chǔ)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?，F(xiàn)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(shù)值計算、應力分析以及葉片數(shù)控加工的必備條件。因此對于這一部分內(nèi)容有必要進行調(diào)整，加入葉片實體造型內(nèi)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(chǔ)上進行，最后由三維造型進行截割做出木模圖。

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

做到這一步，其實也就是按照圖1的思想對傳統(tǒng)水力設(shè)計步驟進行改進，隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展，也希望在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)能進一步打印出模型并設(shè)計一些小實驗。

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

三、結(jié)語

通過相關(guān)企業(yè)調(diào)研，了解水輪機水力設(shè)計的現(xiàn)狀及要求，對課程內(nèi)容進行調(diào)整，得到如下結(jié)論：

1.傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪及其他過流部件水力設(shè)計方法可繼續(xù)沿用。

2.轉(zhuǎn)輪水力計算完成后，加入葉片實體造型教學內(nèi)容，在三維造型的基礎(chǔ)上繪制木模圖。

3.利用CFD軟件進行流場數(shù)值模擬來進行過流部件水力性能的預估并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，這部分內(nèi)容可在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)完成。

4.有條件滿足的情況下，在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)鼓勵學生打印出三維實體造型并自己設(shè)計一些小實驗。

參考文獻：

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

[2]林健.校企全程合作培養(yǎng)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(yǎng)的質(zhì)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(yǎng)的質(zhì)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