劉恩喆?李志紅

摘要：建設(shè)應(yīng)用型“水輪機(jī)”課程是培養(yǎng)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)（水動(dòng)方向）應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。分析了水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，指出了“水輪機(jī)”課程內(nèi)容改革的方法。針對(duì)“水輪機(jī)”課程的特點(diǎn)，提出了加強(qiáng)水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、重視課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)、采用多種教學(xué)手段建設(shè)應(yīng)用型“水輪機(jī)”課程體系的具體措施。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；卓越工程師；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：劉恩喆（1981-），男，江西于都人，南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，講師；李志紅（1963-），女，江西南昌人，南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，副教授。（江西?南昌?330099）

基金項(xiàng)目：本文系南昌工程學(xué)院教改項(xiàng)目的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）27-0072-02

水電是世界范圍內(nèi)大力發(fā)展的清潔可再生能源，也是我國(guó)的主要能源之一。[1]而水電行業(yè)應(yīng)用型高級(jí)技術(shù)人才的不足一直是管理者們的“心病”，生產(chǎn)一線的技術(shù)水平偏低和高技能人才缺乏，造成了電廠的運(yùn)行管理水平跟不上、設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)思想老化、制造廠的工藝水平無(wú)法上臺(tái)階等一系列問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，全國(guó)有100多所高等院校開(kāi)辦有熱能與動(dòng)力工程本科專業(yè)，定位于應(yīng)用型的本科院校辦有水利水電動(dòng)力工程方向的，只有長(zhǎng)春工程學(xué)院和南昌工程學(xué)院兩所。

“水輪機(jī)”是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課，授課目的是使學(xué)生初步掌握水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)原理、機(jī)組運(yùn)行等一般基本理論和基本技能，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決工程實(shí)際相關(guān)問(wèn)題，為從事水力機(jī)組選型設(shè)計(jì)、水輪發(fā)電機(jī)組的安裝檢修以及水電站運(yùn)行維護(hù)和管理工作打下基礎(chǔ)。

一、“水輪機(jī)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

目前存在的主要問(wèn)題是：首先，沒(méi)有針對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求的水輪機(jī)教材，在學(xué)時(shí)縮減的形勢(shì)下理論分析內(nèi)容比重偏大，不適用；其次，現(xiàn)有的教材中缺少近年來(lái)我國(guó)大力開(kāi)發(fā)的抽水蓄能機(jī)組和應(yīng)用于水電低水頭電站的燈泡貫流式機(jī)組的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)與用之間脫節(jié)。因此，根據(jù)應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)要求，重構(gòu)“水輪機(jī)”課程內(nèi)容，確保應(yīng)用型水電人才培養(yǎng)質(zhì)量，已成為亟待解決的重要問(wèn)題。

二、應(yīng)用型水電廠“水輪機(jī)”課程體系的建設(shè)手段

“水輪機(jī)”課程內(nèi)容繁多、設(shè)計(jì)面廣，具有綜合性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，以往在課堂講解中雖然配合一些教學(xué)掛圖和教學(xué)模型，但由于各方面條件的限制，學(xué)生所能見(jiàn)到的水輪機(jī)模型及其輔助設(shè)備寥寥無(wú)幾，缺乏感性認(rèn)識(shí)，往往挫傷學(xué)生學(xué)好該課程的積極性，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此我們應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)需要設(shè)置多種形式的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

1.重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，確定新的教學(xué)目標(biāo)

隨著教學(xué)改革的深入和課程體系的調(diào)整，“水輪機(jī)”課程的教學(xué)學(xué)時(shí)越來(lái)越少，但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的發(fā)展，需要向?qū)W生講授的內(nèi)容卻越來(lái)越多，怎樣在有限的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，同時(shí)取得較好的教學(xué)效果？我們除了重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，在課堂教學(xué)中突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，結(jié)合課程特點(diǎn)，講授原理、方法及應(yīng)用外，還要研究課程新的教學(xué)大綱和實(shí)施計(jì)劃，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，把培養(yǎng)適應(yīng)工程實(shí)際的創(chuàng)新人才作為改革的根本目標(biāo)，突出設(shè)計(jì)的觀念和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力的培養(yǎng)。

2.應(yīng)用多媒體課件和視頻助教助學(xué)

根據(jù)“水輪機(jī)”課程教學(xué)特點(diǎn)，由精品課程小組開(kāi)發(fā)了豐富的多媒體助教資源和助學(xué)資源，包括電子課件、圖紙庫(kù)、圖片庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、虛擬動(dòng)畫庫(kù)、FLASH庫(kù)、視頻庫(kù)、三維教學(xué)模型，方便了教師教學(xué)與學(xué)生自學(xué)，站在專業(yè)課程包的角度為教學(xué)提供了全套的解決方案。如對(duì)于“水輪機(jī)”課程中比較抽象、復(fù)雜的內(nèi)容（蝸殼、轉(zhuǎn)輪室、尾水管中水的流動(dòng)等等），我們采用“水流在水輪機(jī)過(guò)水部件中的流動(dòng)”模擬軟件，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

此外，我們還組織學(xué)生觀看了關(guān)于“三峽大壩”、“南水北調(diào)”等國(guó)家重大水利工程的紀(jì)錄片，參觀各種類型水輪機(jī)的模型室，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)本課程的興趣。

3.課程網(wǎng)站

“水輪機(jī)”精品課網(wǎng)站的課程資源建設(shè)是基于專業(yè)的整體積累與收集。精品網(wǎng)站設(shè)有電子教案、電子課件、助學(xué)交互動(dòng)畫（FLASH形式和JAVA形式）、圖片庫(kù)、圖紙庫(kù)、技術(shù)論文、工程案例、錄像（教學(xué)錄像、現(xiàn)場(chǎng)錄像）、自測(cè)習(xí)題、三維交互漫游、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等助教助學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。教師和學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生可在網(wǎng)上進(jìn)行討論、交流互動(dòng)。

4.重視各種實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的熱愛(ài)和學(xué)習(xí)興趣

熱能與動(dòng)力工程專業(yè)為南昌工程學(xué)院辦學(xué)最早的專業(yè)之一，長(zhǎng)期的辦學(xué)過(guò)程中已積累了豐富的理論和實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。目前已有中電投江西分公司、柘林水力發(fā)電廠、贛州發(fā)電設(shè)備成套公司、葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司等4家校外實(shí)習(xí)與產(chǎn)學(xué)研基地，為教學(xué)改革的研究提供了良好的條件。為了上好這門課，我們安排學(xué)生到有關(guān)水電站認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生了解水輪機(jī)在水電站的地位、能量轉(zhuǎn)換過(guò)程；組織學(xué)生到贛州發(fā)電集團(tuán)參觀水輪機(jī)制造流程，讓學(xué)生對(duì)水輪機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)有一定感性認(rèn)識(shí)；最后在畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生全程參與電站的年度檢修計(jì)劃，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

5.加強(qiáng)水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)是工科院校實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的最主要的形式。南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院2007年成功申報(bào)了中央和地方共建高等學(xué)校共建專項(xiàng)資金項(xiàng)目——水電動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)中心，為水輪機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革提供了良好的平臺(tái)。2011年建成的模擬水電站，將調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、機(jī)組現(xiàn)地控制和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，將生產(chǎn)控制過(guò)程、管理過(guò)程、試驗(yàn)、實(shí)際操作演練和事故模擬有機(jī)結(jié)合，能夠滿足對(duì)高級(jí)技能和技術(shù)人才的教學(xué)、培訓(xùn)、鑒定的要求，極大地提高了教學(xué)培訓(xùn)質(zhì)量和效率。目前，我們能夠進(jìn)行水電站開(kāi)停機(jī)過(guò)程和水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真等實(shí)驗(yàn)，大大提高了水動(dòng)專業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用能力。

三、“水輪機(jī)”課程設(shè)計(jì)的改革與創(chuàng)新

為構(gòu)建適應(yīng)現(xiàn)代水電行業(yè)教學(xué)要求的新教材內(nèi)容及其體系，在教學(xué)過(guò)程采用課題教學(xué)法。在“水輪機(jī)”理論教學(xué)內(nèi)容開(kāi)始時(shí)，就將課程設(shè)計(jì)的題目布置給學(xué)生，在教學(xué)內(nèi)容的安排上以課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容為主線，以水電站初步設(shè)計(jì)為目標(biāo)展開(kāi)教學(xué)，使教學(xué)的每一部分內(nèi)容都有很強(qiáng)的目的性。

水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的基本理論是相似理論，[2]主要依據(jù)是模型轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表和模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)大多數(shù)是基于手工方式下的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)。以往，學(xué)生們利用模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，采用試湊的辦法來(lái)確定水輪機(jī)的運(yùn)行區(qū)域，往往需要經(jīng)過(guò)多次試湊才能找到一個(gè)較佳的工況點(diǎn)，而用戶要求至少提供6個(gè)工況點(diǎn)。有時(shí)，對(duì)于一個(gè)給定設(shè)計(jì)水頭有幾個(gè)甚至十幾個(gè)模型轉(zhuǎn)輪可以適用，要從中選定一個(gè)最合適的轉(zhuǎn)輪，需要重復(fù)幾十遍甚至幾百遍手工試湊過(guò)程。設(shè)計(jì)工作相當(dāng)繁瑣，效率也很低，結(jié)果精度也較差。

本課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用Excel軟件開(kāi)發(fā)出有較強(qiáng)實(shí)用性、通用性的水輪機(jī)選型計(jì)算表來(lái)滿足人工選型的需要。[3]一改以往水輪機(jī)選型單純依靠人工計(jì)算，速度慢，不能很好地滿足水電站設(shè)計(jì)要求的情況，能大大提高水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的速度和精度，選出更適合水電站的水輪機(jī)，使水電站設(shè)計(jì)人員能用更多的時(shí)間投入到更高層次的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中，提高水電站的設(shè)計(jì)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

水輪機(jī)選型計(jì)算表一共分為以下子表：水輪機(jī)選型初選表、水輪機(jī)選型精算表、等效率曲線計(jì)算表、等吸出高度曲線計(jì)算表、蝸殼、尾水管參數(shù)計(jì)算表、主目錄表。這樣極大地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，增強(qiáng)了其學(xué)習(xí)的積極性。

其中的重點(diǎn)、難點(diǎn)為水輪機(jī)選型精算表的設(shè)計(jì)。它需要完成水輪機(jī)參數(shù)計(jì)算，包括直徑的選擇、同步轉(zhuǎn)速的選擇、飛逸轉(zhuǎn)速的計(jì)算、軸向水推力、吸出高度、發(fā)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算以及工作范圍的判斷等。

1.準(zhǔn)直徑公式

在計(jì)算出了直徑后，需要選擇合適的直徑，一般是選擇比計(jì)算高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，但是有時(shí)當(dāng)計(jì)算的直徑與低一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)直徑很接近時(shí)可采用低一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)直徑。我們采用lookup函數(shù)來(lái)編寫。先把標(biāo)準(zhǔn)直徑列出，然后通過(guò)這個(gè)函數(shù)來(lái)查找。但是當(dāng)lookup函數(shù)找不到時(shí)會(huì)找小于要找數(shù)的最大值，這樣是不符合條件的。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用一個(gè)輔助的數(shù)列，這個(gè)數(shù)列是1/D1，把標(biāo)準(zhǔn)直徑自上而下、從大到小排列，則1/D1 是從小到大排列的。

當(dāng)D1＜D＜1.03*D1時(shí)，（1/D1）＞（1/D）＞1/（1.03*D1）……（1）

這樣把1.03*1/D作為要查找的參數(shù)，當(dāng)D1大于D時(shí)（1）式也成立，這就說(shuō)明在計(jì)算D小于D1的3%內(nèi)或者小標(biāo)準(zhǔn)直徑時(shí)都可以到取合理的標(biāo)準(zhǔn)直徑，當(dāng)D大于D1的3%時(shí)，會(huì)取到大一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，所以這樣設(shè)計(jì)函數(shù)在一定的范圍是可行的。

找出D1的范圍是K3∶K45，1/D1的范圍是L3∶L45，則可以在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)直徑的單元格中輸入：=LOOKUP（1/F10*1.01，L3∶L45，K3∶K45），這樣就完成了這個(gè)函數(shù)的輸入。

2.帶條件的計(jì)算公式

在選型設(shè)計(jì)計(jì)算中有許多公式在不同的條件下參數(shù)是不同的，這樣的公式設(shè)計(jì)就是利用IF（）函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的。

例如，功率因素的計(jì)算：[3]當(dāng)出力是8000 kW～48000kW時(shí)是0.8，48000kW～144500kW時(shí)是0.85，144500kW～262500kW時(shí)是0.875，262500kW以上時(shí)是0.9。

采用IF函數(shù)先必須找出發(fā)電機(jī)的出力，在該表中是F7，然后就可以在相應(yīng)的位置上輸入：=IF（F7>8000，IF（F7>48000，IF（F7>144500，IF（F7>262500，"0.9"，0.875），0.85），0.8），"-"）即可。其他的這類公式都是大同小異的。

3.型號(hào)的顯示

對(duì)于不變的參數(shù)只要用""標(biāo)注即可，對(duì)于要變的量只需輸入相應(yīng)的單元格，它們之間的連接采用&即可。依據(jù)計(jì)算表的實(shí)際單元格在相應(yīng)的位置輸入：=IF（F7/D27>200000，"SFs-"∫（F7/1000）&"-"&D25;&"/"&ROUND;（D19，0），"SF-"∫（F7/1000）&"-"&D25;&"/"&ROUND;（D19，0）），就可以顯示發(fā)電機(jī)的型號(hào)。

四、結(jié)束語(yǔ)

目前，電力工業(yè)處于快速發(fā)展時(shí)期，電能的生產(chǎn)除了要求經(jīng)濟(jì)和安全外，更加突出了可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保生產(chǎn)的要求。電力工業(yè)的發(fā)展對(duì)發(fā)電技術(shù)和技術(shù)人才也提出了更高的要求。為了培養(yǎng)適應(yīng)電力工業(yè)快速發(fā)展要求的熱動(dòng)專業(yè)人才，熱動(dòng)專業(yè)的相關(guān)課程必須在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行改革。對(duì)熱動(dòng)專業(yè)（水動(dòng)方向）學(xué)生的重要課程——“水輪機(jī)”的教學(xué)內(nèi)容和手段進(jìn)行改革，使學(xué)生不僅掌握水輪機(jī)工作的基本原理，同時(shí)也學(xué)到結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工程知識(shí)，還學(xué)到水輪機(jī)方面最先進(jìn)的技術(shù)內(nèi)容，這為學(xué)生畢業(yè)后盡快勝任工作創(chuàng)造了有利條件。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭源,陳德新.水輪機(jī)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2011.

[3]龍建祥,張鐵軍.隨身查:Excel函數(shù)與公式綜合應(yīng)用技巧[M].北京:人民郵電出版社,2010.

（責(zé)任編輯：孫晴）