一、计算机辅助水轮机选型设计的原理

随着计算机辅助设计（CAD）的发展，并越来越多地应用到水轮机选型设计中去，使的水轮机的选型计算变的更加快速、准确和规范化。为了让水轮机能够智能地处理设计计算中的各种问题，在水轮机选型的程序设计中要解决下面几个关键问题。

（1）设计所用原始技术资料的计算机处理；

（2）设计思想及计算过程的程序化；

（3）设计成果中数据、图表的格式化输出，以及图形的计算机绘制。

计算机辅助设计的程序设计，设计人员可以根据自己的习惯与熟练程度，使用不同的系统软件及计算机语言，例如BASIC 语言、FORTRAN 语言、C 语言及 Auto CAD 系统软件等。

二、水轮机选型计算程序的设计 

从水轮机系列型谱中选择水轮机是我国广泛采用的水轮机选型设计方法。因此，本节以这种方法为例，说明水轮机选型计算程序的设计方法与技巧。

1．程序设计思想

计算机辅助水轮机选型设计的计算过程与人工手算的过程大体相同，计算程序要完成水轮机型号选择、水轮机主要参数计算、工作范围图绘制及打印输出水轮机参数表等一系列设计计算环节。手工计算中资料的查阅、设计工况点的选择、转轮直径与转速的圆整等都要由计算机去完成。

2．程序结构与程序设计方法 

水轮机选型设计程序由数据部分、机型选择部分、设计工况点选择与调整部分、转轮直径与转速圆整部分、工作范围图绘制部分与水轮机参数输出部分组成。

（1）数据部分。水轮机选型所用的基本数据除了水轮机型谱参数表外，还用到与水轮机的参数计算有关的模型综合特性曲线上的一部分数据以及转轮直径标准系列、发电机同步转速系列数据。这些数据为程序的通用数据，程序启动前，应把这些数据存储在计算机硬盘上的文本文件或数据库文件里；程序启动后，能够从文件里读出这些数据，赋值给程序中相应的全局变量，以供计算时引用。

水轮机型谱参数表是水轮机型号与基本参数选择的依据。我国的水轮机型谱包括大中型水轮机型谱与中小型水轮机型谱，型谱参数表中列出了水轮机的转轮型号、应用水头范围、最优单位转速、设计单位流量、模型空化系数等。用计算机处理水轮机型谱的目的是为了根据设计电站的水头从型谱中选择水轮机型号及参数。因此，在存贮型谱参数表中，除了应列入型谱参数表中原有的数据外，还应列入模型转轮直径、最大单位飞逸转速及轴向水推力系数等参数，供计算原型水轮机参数时引用。

水轮机型谱参数表可以看作是一个以水头范围为自变量的多值函数数表。用计算机处理型谱参数表时，为了数据检索方便，可用多个一维下标变量分别表示数表中各参数，以中小型水轮机型谱为例，可把数据表写成表8-6的形式。按表中所列的变量名，用赋值语句将各列数值赋给对应的变量，供后面的计算中随时调用。

表8-6  中小型水轮机型谱参数表

使用水头范围 (m)		转轮型号	(r/min)	(m3/s)		K	(r/min)	(m)
Hmin (I)	Hmax (I)	T$(I)	N10(I)	Q1r (I)	C(I)	K(I)	N1r (I)	D1M (I)
2	6	ZD760	150	2000	1.O	0.85		0.25
4	14	ZD560	130	1600	0.65	0.82	290	0.46
5	20	HL31O	90.8	1470	0.36	0.45	l74	0.39
10	35	HL260	73	1320	0.28	0.39	132	0.385
20	70	HL220	70	1140	0.138	0.32	133	0.46

选型计算所用到的模型特性曲线数据有两部分，一部分是模型综合特性曲线上通过最优单位转速的水平线上取的数个工况点的 、与值，这些数据用于水轮机设计工况的选择、校核与调整。

如图8-27所示，在通过的直线上取 n 个工况点 ( 取 n=5～10)， 工况点的参数、、分别用二维下标变量 Q1（I，J）、 E1(I，J)、 C1(I，J) 表示，下标 I 表示水轮机在型谱中的序号，J表示所取工况点的序号。将这些参数以数组方式输入及存储在计算机后，可供选择水轮机设计工况点的计算中调用。

选型设计所用的另一部分数据是模型综合特性曲线的效率曲线中最里面一至两圈上若干工况点的坐标参数、以及在限制线上若干工况点的坐标、。如图8-28所示 ，在最里面的一圈等效率线上顺序地取若干工况点，以二维下标变量 N2(I，J)， Q2(I，J) 分别表示各工况点的坐标参数和，以另一对二维下标变量 N3(I，J)，Q3(I，J)分别表示出力限制线上坐标点的和，下标 I 与 J 的意义同前面。这些参数以数组方式存储在计算机里供绘制水轮机工作图时使用。

图8-27  设计工况点所用的数据                        图8-28  绘制工作范围图所用的数据

（2）水轮机型号选择部分。与人工计算一样，仍按型谱中规定的应用水头范围选择水轮机的型号。首先通过程序界面人机对话方式，用键盘输入水电站的基本设计参数，如特征水头(，，，)、装机容量、尾水设计高程 ASL、吸出高度限定值等，在 Visual BASIC语言中，可用Text文本框控件来接收这些数据，然后再赋值给相应变量。

键入基本参数后，可用电站的Hr，Hmax与型谱参数中的水头范围值Hmin(I)、Hmax(I)相比较， 以HrHmim(I) and  HmaxHmax(I）为条件进行判断，选择出符合设计电站水头要求的所有机型作为备选方案参加方案比较。在程序运行中，一旦某机型符合判断条件被选中，其序号 I 被记录下来，在下一步计算中可用序号 I 为下标变量引用被选中机型的诸参数，诸如最优单位转速 N10（I）、单位流量Q1R（I）等。

（3）设计工况点的选择与调整。在确定了水轮机的型号后，下一步是用模型特性曲线计算原型水轮机的工作参数。其中一个关键问题是确定水轮机的设计工况点，设计工况点的、、、是计算水轮机转轮直径、转速及允许吸出高度的依据。确定设计工况点的原则是在保证吸出高度的计算值不小于给出的限定值的条件下尽可能取较大的单位流量以减小机组尺寸。在人们手工设计过程中，是通过人为调整设计工况点的方法来满足上述条件的，首先取出力限制线上的一个单位流量值（或厂家推荐使用单位流量）作为设计单位流量，当初选的设计工况点的吸出高度不满足要求时，则调整设计工况点的位置，减小单位流量，使空化系数减小，直至满足吸出高度限值的要求为止。在计算机辅助设计中，用计算程序模拟设计工况点人工调整的过程。

为了达到用计算机自动调整设计工况点的目的，如图8-28所示，在程序中，已存入了特性曲线上若干工况点的、与值，在此基础上，确定设计工况点的计算通过一个局部循环来进行。开始计算时，先取工况点1（出力限制线上) 的单位流量作为设计工况的单位流量，同时用该点的空化系数计算水轮机的允许吸出高度， 若， 说明该工况点已满足吸出高度限定值的要求，可把该点作为设计工况点而进入下一步的计算。若<则说明初选的工况点1不满足要求，这时，可用给定的反算出一个空化系数，以作插值变量，以图8-27所示的工况点为型值点进行插值计算，求出对应的单位流量与模型效率，以此作为设计工况点的参数。其计算过程如下。

（K为修正系数）　　　　　　（8-30）

用插值求对应的与时，在图8-27 所示的工况点中，先用与 （I，J）作比较，找出与插点相邻的工况点的序号 J 和 J+1，然后进行插值计算。以一元线性插值法为例，求所对应的工况点的单位流量和模型效率的程序计算式如下：

Q11r=[ Q1(I，J+1)-Q1 (I，J)]/[C1 (I，J+1)-C1 (I，J)]

* [Cj-C1 (I，J )]+Q1 (I，J)                                      

EtaMr=[Eta1(I，J+1)-Eta1(I，J)]/[Q1 (I，J 十 1)-Q1 (I，J)]

* [Q1r-Q1 (I，J)]+Eta1 (I，J)                                       

上式计算求出的Q11r，EtaMr 即设计工况的单位流量与模型效率值。

（4）水轮机转轮直径与转速的计算。

在确定了设计工况点的，之后，就可以计算转轮直径与转速，这些计算都有现成公式，编程很容易，不再赘述。但问题是转轮直径与转速的值一般要进行圆整。假如转轮直径的计算值为、转速的计算值为，需要把圆整为标准系列值，把圆整为发电机同步转速。如前所述，水轮机转轮直径系列与发电机同步转速系列值作为基本数据分别用变量D1(I) 与 N(I) 存贮在计算机中，供与圆整时使用。对和的计算值进行圆整时，按照一般原则，尽可能取与计算机最接近的标准系列值或略大于计算值的标准系列值。以转轮直径的圆整为例，若计算值介于系列值D1(I)  与D1(I+1) 之间，且D1(I+1)> D1(I)，则可按下面的计算式进行圆整。

IF(D1j- D1(I))/ D1j <=0.03  THEN

D1= D1(I)

ELSE

 　　　　　 D1= D1(I+1)

这里以相对差值3%作为取上限值与下限值的界限，实际计算中可根据工程具体要求给定不同的圆整原则。转速的圆整也可用同样的方法。

确定了与之后，可直接调用型谱参数表中的参数计算水轮机的飞逸转速与轴向水推力等。

（5）水轮机工作范围图的绘制。为了绘制水轮机的工作范围图，程序的数据部分已存入了模型特性曲线最里面一圈的坐标参数及出力限制线上若干工况点的坐标参数。除了这些参数之外，绘制工作范围图还需要计算各特征水头对应的单位转速。

　 　　　　　　   　　　　　　（8-31）

　　　　　 　　　　　　　　　　（8-32）

　　　　　　　 　　　　　　　（8-33）

根据上述计算的水轮机工作范围及存贮的等效率线、出力限制线数据，调用绘图程序就可以绘出水轮机的工作范围图，如图8-29所示。

图8-29  计算机绘制的水轮机工作范围图

绘制水轮机工作范围图的程序代码可在Visual Basic图片框控件或图像框控件中编写。绘图程序中，首先要进行图形的坐标换算，即定义图片框或图像框控件的坐标系，再利用绘制直线的命令绘出图中的直线与曲线(曲线由多段折线近似)，最后绘出相应的坐标轴即得到人们习惯绘制的工作范围图。

（6）水轮机参数表的显示及打印输出。水轮机的参数表可以通过VB表格控件载入相应的数据在屏幕显示，也可以同样用绘图方法更加灵活地显示及打印输出。