超常规轴流式转轮叶片水力设计方法研究
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摘要
我国很多轴流定桨式水电站，在枯水期因流量过小无法发电而被迫停机弃水。该
项研究希冀通过另外装备一个与现有机组过流通道及转速兼容的、适用于枯水期小流
量的低比转速轴流定桨式转轮来解决这一问题。由于轴流定桨式水轮机容量较小，其
在特定条件下的减容改造问题不易引起有关部门的重视，因而这项工作在国内外很少
有人从事。
由于设计条件的特殊性，在研究设计方法过程中，论文基于传统设计理论，对引
用的一些基本规律做了一定改进，在具体设计过程中，对经验参数的选择方法做了一
定探索，研究与探索运用奇点分布法设计低比转速轴流式转轮叶片；传统的设计工作
全部由人工完成，无法满足当今社会科技生产发展的需要，因此论文开发了一套具有
人机对话界面良好特点的低比转速轴流式转轮CAD软件。
论文的主要内容有：
1) 深入分析很多轴流定桨式水电站枯水季节小流量下不能发电的主要原因，提出
减容改造方案，并指出超常规条件下的改造设计特点。
2) 结合国情及行业发展需要，参考现有资料、文献和前人的研究成果，进行低比转
速轴流式转轮叶片水力设计方法的研究，对轴流式转轮叶片的奇点分布法水力
设计进行了全面的探索，结合现代计算机技术，找到了一种针对特殊条件的轴
流式转轮叶片水力设计方法。
3) 仔细比较多种AutoCAD二次开发工具后，结合本课题的特点，选用Visual Basic
语言，综合应用软件工程的设计思想，进行低比转速轴流式转轮叶片水力设计
软件的编制，为系统设计了直观、简洁和标准的Windows人机对话界面，便于
用户操作；编程时在考虑到设计条件特殊性的同时，尽量做到程序的通用性，
使之可用于解决同一类问题；另外，大部分程序还可移植到普通轴流式转轮叶
片水力设计中，具有良好的适应性。
4) 利用ActiveX Automation技术与AutoCAD接口，对AutoCAD进行二次开发，在
AutoCAD下实现水力图的自动生成和编辑，直至输出符合实际工程要求的木模
图。
5) 通过算例，为多哇水电站设计了一个低比转速轴流定桨式转轮，解决其在枯水
期小流量下不能发电的问题。
The distribution of rainfall isn' t even in much of our country. In some season the volume of flow is decreased so much that cannot propel hydraulic turbine, which is a widely problem faced by many propeller turbines. The best measures to resolve the problem is designing a runner with lower specific speed. The new runner must be suited to current speed and channel. For the capacity of propeller turbine is often small, people pay little importance on the transformation of reducing capacity under specified conditions. So, nowadays little research mentioned above has been developed.
For the particularity of the designed factors, the author has improved the traditional theory, and has fined an available Method of singular point distribution. At present, no one has developed CAD hydraulic design software of lower specific speed axial flow runner in our country. In general, the design work with traditional measures is done by hand, which cannot meet the needs of the technology and manufacture. So the author has developed a CAD hydraulic design software fit for lower specific speed axial flow runner, which is easily operated by users.
The main research work of this paper is as follows:
1) Analyzing the main reason of axial flow power station cannot work well under littler volume of flow in some season and putting forward an improving scheme, pointing out the characters of design under abnormal factors.
2) Combined with the development of the industry in our country, the abnormal hydraulic design method of propeller turbine is discussed based on present literature, data and experiment results.
3) Guided by the design method of software engineering, a suit of hydraulic design software of Lower Specific Speed Axial Flow Runner is programmed by the object-oriented programming language Visual Basic and a straightforward, concise and standard Windows human-computer dialogue interface is designed for the system, which makes the operation of the system very convenient.
4) ActiveX Automation technology is adopted as the interface with AutoCAD and the hydraulic drawings are edited, modified by AutoCAD until hydraulic model drawings according with the demand of engineering practice are output.
5) To resolve practice problem, the author has designed a lower specific speed axial flow runner for Duowa Power Station through an example.
项研究希冀通过另外装备一个与现有机组过流通道及转速兼容的、适用于枯水期小流
量的低比转速轴流定桨式转轮来解决这一问题。由于轴流定桨式水轮机容量较小，其
在特定条件下的减容改造问题不易引起有关部门的重视，因而这项工作在国内外很少
有人从事。
由于设计条件的特殊性，在研究设计方法过程中，论文基于传统设计理论，对引
用的一些基本规律做了一定改进，在具体设计过程中，对经验参数的选择方法做了一
定探索，研究与探索运用奇点分布法设计低比转速轴流式转轮叶片；传统的设计工作
全部由人工完成，无法满足当今社会科技生产发展的需要，因此论文开发了一套具有
人机对话界面良好特点的低比转速轴流式转轮CAD软件。
论文的主要内容有：
1) 深入分析很多轴流定桨式水电站枯水季节小流量下不能发电的主要原因，提出
减容改造方案，并指出超常规条件下的改造设计特点。
2) 结合国情及行业发展需要，参考现有资料、文献和前人的研究成果，进行低比转
速轴流式转轮叶片水力设计方法的研究，对轴流式转轮叶片的奇点分布法水力
设计进行了全面的探索，结合现代计算机技术，找到了一种针对特殊条件的轴
流式转轮叶片水力设计方法。
3) 仔细比较多种AutoCAD二次开发工具后，结合本课题的特点，选用Visual Basic
语言，综合应用软件工程的设计思想，进行低比转速轴流式转轮叶片水力设计
软件的编制，为系统设计了直观、简洁和标准的Windows人机对话界面，便于
用户操作；编程时在考虑到设计条件特殊性的同时，尽量做到程序的通用性，
使之可用于解决同一类问题；另外，大部分程序还可移植到普通轴流式转轮叶
片水力设计中，具有良好的适应性。
4) 利用ActiveX Automation技术与AutoCAD接口，对AutoCAD进行二次开发，在
AutoCAD下实现水力图的自动生成和编辑，直至输出符合实际工程要求的木模
图。
5) 通过算例，为多哇水电站设计了一个低比转速轴流定桨式转轮，解决其在枯水
期小流量下不能发电的问题。
The distribution of rainfall isn' t even in much of our country. In some season the volume of flow is decreased so much that cannot propel hydraulic turbine, which is a widely problem faced by many propeller turbines. The best measures to resolve the problem is designing a runner with lower specific speed. The new runner must be suited to current speed and channel. For the capacity of propeller turbine is often small, people pay little importance on the transformation of reducing capacity under specified conditions. So, nowadays little research mentioned above has been developed.
For the particularity of the designed factors, the author has improved the traditional theory, and has fined an available Method of singular point distribution. At present, no one has developed CAD hydraulic design software of lower specific speed axial flow runner in our country. In general, the design work with traditional measures is done by hand, which cannot meet the needs of the technology and manufacture. So the author has developed a CAD hydraulic design software fit for lower specific speed axial flow runner, which is easily operated by users.
The main research work of this paper is as follows:
1) Analyzing the main reason of axial flow power station cannot work well under littler volume of flow in some season and putting forward an improving scheme, pointing out the characters of design under abnormal factors.
2) Combined with the development of the industry in our country, the abnormal hydraulic design method of propeller turbine is discussed based on present literature, data and experiment results.
3) Guided by the design method of software engineering, a suit of hydraulic design software of Lower Specific Speed Axial Flow Runner is programmed by the object-oriented programming language Visual Basic and a straightforward, concise and standard Windows human-computer dialogue interface is designed for the system, which makes the operation of the system very convenient.
4) ActiveX Automation technology is adopted as the interface with AutoCAD and the hydraulic drawings are edited, modified by AutoCAD until hydraulic model drawings according with the demand of engineering practice are output.
5) To resolve practice problem, the author has designed a lower specific speed axial flow runner for Duowa Power Station through an example.
引文
[1] 曹鵾．水轮机原理及水力设计．北京：清华大学出版社，1991
[2] 黄顺礼．我国的混流式、轴流式水轮机模型转轮技术跻身世界先进行列．西北水电， 1999，1，49~50
[3] 沙锡林．中国水电设备发展的成就和展望．水力发电，1999，10，57~60
[4] Cao S L, Goulas A, Yakinthis K and Wu Y L. Numerical simulation of Three-dimensional turbulent flow in a centrifugal pump impeller, Proceedings of the third international conference on pumps and fans, 1998,411?18
[5] 吕桂萍，赵阳．轴流式转轮叶片计算机有限元网格自动划分程序研究．水利水电技 术，2003，6，44~50
[6] 任静，曹树良，吴玉林．轴流式水轮机转轮内三维紊流场预测．水利水电技术，1999， 30，5，70~71
[7] 王正伟，崔涛等．轴流式水轮机流道内部流动分析．大电机技术，2003，6，12，34～ 36
[8] 张允达等．中小型水电站轴流式水轮机的技术改造．第12次全国水电设备学术讨 论会论文集
[9] 沈祝平，徐洪泉等．轴流式水轮机增容改造技术的研究．水利水电技术，1996，27， 12，51-66
[10] 徐洪泉，沈祝平等．陆水电厂水轮机的增容改造．水力发电，1998，4，40~41
[11] 龚德锋．轴流式ZD991型转轮的应用及效果．小水电站，2001，1，12，60~61
[12] 赵令骥．小型水电站机组合理选择与增容改造．江西水利科技，1995，21，2，107～ 112
[13] 敏政，刘有余，齐学义．小型轴流定桨式水轮机的技术改造．甘肃科学，2003，15， 3，82~85
[14] 刘大恺．水轮机．北京：中国水利水电出版社，1996． 12
[15] 秦卫潮．花凉亭水电站的转轮换型改造．大电机技术，1998，4
[16] 机电部天津电气传动设计研究所．型谱新转轮性能曲线及流道尺寸汇编，1992
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[43] Qian Y, Arakawa C, Kubota T and Suzuki R. Numerical Flow simulation on channel vortex in Francis runner. Proceedings of 17th IAHR Symp, 1994, 45~ 57
[44] 高建铭，姚志民．水轮机的水力计算．北京：电力工业出版社，1982
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[49] 褚衍东，常迎春．数值计算方法．兰州：甘肃教育出版社，1997
[50] 周熙，王德民数值计算方法及程序设计．北京：机械工业出版社，1989
[51] 郭朝勇等．AutoCAD R14(中文版)二次开发技术．北京：清华大学出版社，1999． 4
[52] 老大中等．AutoCAD 2000 ARX二次开发实例精粹．北京：国防工业出版社，2001． 1
[53] 唐学忠．Visual Basic程序设计教程．北京：中国电力出版社，2002． 2
[54] 武装．Visual Basic起步进阶．北京：国防工业出版社，2001． 5
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[57] (美)Eric A．smith等著．Visual Basic6． 0宝典．北京：电子工业出版社，1999． 9
[58] 张国宝．AutoCAD2000 VBA开发技术．北京：清华大学出版社，2000． 10
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[60] 李玉东．Visual Basic／NET控件大全．北京：电子工业出版社，2002． 3
[61] 何光渝．VB常用算法大全．西安：西安电子科技大学出版社，2001． 1
[62] 张晋西．Visual Basic与AutoCAD二次开发．北京：清华大学出版社，2002． 2
[63] 赵学慧．visual Basic程序开发完整实例教程．北京：海洋出版社，2003． 3
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[65] 刘光宁．国内外水轮机研制的新技术．第13次全国水电设备学术讨论会论文集
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