应用型“水轮机”课程教学改革探索

刘恩喆?李志红

摘要：建设应用型“水轮机”课程是培养热能与动力工程专业（水动方向）应用型人才的重要环节。分析了水轮机技术的发展，指出了“水轮机”课程内容改革的方法。针对“水轮机”课程的特点，提出了加强水轮机实验室建设、重视课程设计和毕业设计对学生能力的培养、采用多种教学手段建设应用型“水轮机”课程体系的具体措施。

关键词：水轮机；卓越工程师；教学改革

作者简介：刘恩喆（1981-），男，江西于都人，南昌工程学院机械与电气工程学院，讲师；李志红（1963-），女，江西南昌人，南昌工程学院机械与电气工程学院，副教授。（江西?南昌?330099）

基金项目：本文系南昌工程学院教改项目的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）27-0072-02

水电是世界范围内大力发展的清洁可再生能源，也是我国的主要能源之一。[1]而水电行业应用型高级技术人才的不足一直是管理者们的“心病”，生产一线的技术水平偏低和高技能人才缺乏，造成了电厂的运行管理水平跟不上、设计院的设计思想老化、制造厂的工艺水平无法上台阶等一系列问题。据调查，全国有100多所高等院校开办有热能与动力工程本科专业，定位于应用型的本科院校办有水利水电动力工程方向的，只有长春工程学院和南昌工程学院两所。

“水轮机”是热能与动力工程专业的一门专业主干课，授课目的是使学生初步掌握水轮机选型设计原理、机组运行等一般基本理论和基本技能，并能运用所学知识分析解决工程实际相关问题，为从事水力机组选型设计、水轮发电机组的安装检修以及水电站运行维护和管理工作打下基础。

一、“水轮机”课程教学中存在的问题

目前存在的主要问题是：首先，没有针对应用型人才培养要求的水轮机教材，在学时缩减的形势下理论分析内容比重偏大，不适用；其次，现有的教材中缺少近年来我国大力开发的抽水蓄能机组和应用于水电低水头电站的灯泡贯流式机组的内容，导致学与用之间脱节。因此，根据应用型本科院校人才培养要求，重构“水轮机”课程内容，确保应用型水电人才培养质量，已成为亟待解决的重要问题。

二、应用型水电厂“水轮机”课程体系的建设手段

“水轮机”课程内容繁多、设计面广，具有综合性、实践性都很强的特点，以往在课堂讲解中虽然配合一些教学挂图和教学模型，但由于各方面条件的限制，学生所能见到的水轮机模型及其辅助设备寥寥无几，缺乏感性认识，往往挫伤学生学好该课程的积极性，达不到预期的效果。因此我们应从实际出发，根据需要设置多种形式的实践性教学环节。

1.重构教学内容，确定新的教学目标

随着教学改革的深入和课程体系的调整，“水轮机”课程的教学学时越来越少，但是随着科学技术的进步和机械设计学科的发展，需要向学生讲授的内容却越来越多，怎样在有限的时间内完成规定的教学任务，同时取得较好的教学效果？我们除了重构教学内容，在课堂教学中突出重点、难点，结合课程特点，讲授原理、方法及应用外，还要研究课程新的教学大纲和实施计划，根据专业培养计划，把培养适应工程实际的创新人才作为改革的根本目标，突出设计的观念和综合运用知识的能力的培养。

2.应用多媒体课件和视频助教助学

根据“水轮机”课程教学特点，由精品课程小组开发了丰富的多媒体助教资源和助学资源，包括电子课件、图纸库、图片库、标准库、虚拟动画库、FLASH库、视频库、三维教学模型，方便了教师教学与学生自学，站在专业课程包的角度为教学提供了全套的解决方案。如对于“水轮机”课程中比较抽象、复杂的内容（蜗壳、转轮室、尾水管中水的流动等等），我们采用“水流在水轮机过水部件中的流动”模拟软件，达到了较好的教学效果。

此外，我们还组织学生观看了关于“三峡大坝”、“南水北调”等国家重大水利工程的纪录片，参观各种类型水轮机的模型室，增强学生的感性认识，调动学生对本课程的兴趣。

3.课程网站

“水轮机”精品课网站的课程资源建设是基于专业的整体积累与收集。精品网站设有电子教案、电子课件、助学交互动画（FLASH形式和JAVA形式）、图片库、图纸库、技术论文、工程案例、录像（教学录像、现场录像）、自测习题、三维交互漫游、虚拟仿真实训系统等助教助学项目，学生可以通过网络进行自主学习。教师和学生、学生与学生可在网上进行讨论、交流互动。

4.重视各种实习实训等实践环节，培养学生对本专业的热爱和学习兴趣

热能与动力工程专业为南昌工程学院办学最早的专业之一，长期的办学过程中已积累了丰富的理论和实践教学经验。目前已有中电投江西分公司、柘林水力发电厂、赣州发电设备成套公司、葛洲坝集团机电建设有限公司等4家校外实习与产学研基地，为教学改革的研究提供了良好的条件。为了上好这门课，我们安排学生到有关水电站认识实习，让学生了解水轮机在水电站的地位、能量转换过程；组织学生到赣州发电集团参观水轮机制造流程，让学生对水轮机各部件的结构有一定感性认识；最后在毕业实习环节，让学生全程参与电站的年度检修计划，有利于培养学生解决实际问题的能力。

5.加强水轮机实验室建设

实验是工科院校实践性教学环节的最主要的形式。南昌工程学院机械与电气工程学院2007年成功申报了中央和地方共建高等学校共建专项资金项目——水电动力工程实验中心，为水轮机实践教学改革提供了良好的平台。2011年建成的模拟水电站，将调速器、励磁系统、机组现地控制和计算机监控系统相结合，将生产控制过程、管理过程、试验、实际操作演练和事故模拟有机结合，能够满足对高级技能和技术人才的教学、培训、鉴定的要求，极大地提高了教学培训质量和效率。目前，我们能够进行水电站开停机过程和水轮机调速系统仿真等实验，大大提高了水动专业学生工程应用能力。

三、“水轮机”课程设计的改革与创新

为构建适应现代水电行业教学要求的新教材内容及其体系，在教学过程采用课题教学法。在“水轮机”理论教学内容开始时，就将课程设计的题目布置给学生，在教学内容的安排上以课程设计的内容为主线，以水电站初步设计为目标展开教学，使教学的每一部分内容都有很强的目的性。

水轮机选型设计的基本理论是相似理论，[2]主要依据是模型转轮型谱参数表和模型转轮综合特性曲线，现在的设计大多数是基于手工方式下的水轮机选型设计。以往，学生们利用模型转轮综合特性曲线，采用试凑的办法来确定水轮机的运行区域，往往需要经过多次试凑才能找到一个较佳的工况点，而用户要求至少提供6个工况点。有时，对于一个给定设计水头有几个甚至十几个模型转轮可以适用，要从中选定一个最合适的转轮，需要重复几十遍甚至几百遍手工试凑过程。设计工作相当繁琐，效率也很低，结果精度也较差。

本课程设计指导学生应用Excel软件开发出有较强实用性、通用性的水轮机选型计算表来满足人工选型的需要。[3]一改以往水轮机选型单纯依靠人工计算，速度慢，不能很好地满足水电站设计要求的情况，能大大提高水轮机选型设计的速度和精度，选出更适合水电站的水轮机，使水电站设计人员能用更多的时间投入到更高层次的技术经济比较中，提高水电站的设计质量和经济效益。

水轮机选型计算表一共分为以下子表：水轮机选型初选表、水轮机选型精算表、等效率曲线计算表、等吸出高度曲线计算表、蜗壳、尾水管参数计算表、主目录表。这样极大地提高了学生自主学习的能力，增强了其学习的积极性。

其中的重点、难点为水轮机选型精算表的设计。它需要完成水轮机参数计算，包括直径的选择、同步转速的选择、飞逸转速的计算、轴向水推力、吸出高度、发电机的参数计算以及工作范围的判断等。

1.准直径公式

在计算出了直径后，需要选择合适的直径，一般是选择比计算高一级的标准直径，但是有时当计算的直径与低一级的标准直径很接近时可采用低一级的标准直径。我们采用lookup函数来编写。先把标准直径列出，然后通过这个函数来查找。但是当lookup函数找不到时会找小于要找数的最大值，这样是不符合条件的。

为了解决这个问题，可以采用一个辅助的数列，这个数列是1/D1，把标准直径自上而下、从大到小排列，则1/D1 是从小到大排列的。

当D1＜D＜1.03*D1时，（1/D1）＞（1/D）＞1/（1.03*D1）……（1）

这样把1.03*1/D作为要查找的参数，当D1大于D时（1）式也成立，这就说明在计算D小于D1的3%内或者小标准直径时都可以到取合理的标准直径，当D大于D1的3%时，会取到大一级的标准直径，所以这样设计函数在一定的范围是可行的。

找出D1的范围是K3∶K45，1/D1的范围是L3∶L45，则可以在计算标准直径的单元格中输入：=LOOKUP（1/F10*1.01，L3∶L45，K3∶K45），这样就完成了这个函数的输入。

2.带条件的计算公式

在选型设计计算中有许多公式在不同的条件下参数是不同的，这样的公式设计就是利用IF（）函数来设计的。

例如，功率因素的计算：[3]当出力是8000 kW～48000kW时是0.8，48000kW～144500kW时是0.85，144500kW～262500kW时是0.875，262500kW以上时是0.9。

采用IF函数先必须找出发电机的出力，在该表中是F7，然后就可以在相应的位置上输入：=IF（F7>8000，IF（F7>48000，IF（F7>144500，IF（F7>262500，"0.9"，0.875），0.85），0.8），"-"）即可。其他的这类公式都是大同小异的。

3.型号的显示

对于不变的参数只要用""标注即可，对于要变的量只需输入相应的单元格，它们之间的连接采用&即可。依据计算表的实际单元格在相应的位置输入：=IF（F7/D27>200000，"SFs-"∫（F7/1000）&"-"&D25;&"/"&ROUND;（D19，0），"SF-"∫（F7/1000）&"-"&D25;&"/"&ROUND;（D19，0）），就可以显示发电机的型号。

四、结束语

目前，电力工业处于快速发展时期，电能的生产除了要求经济和安全外，更加突出了可持续发展和环保生产的要求。电力工业的发展对发电技术和技术人才也提出了更高的要求。为了培养适应电力工业快速发展要求的热动专业人才，热动专业的相关课程必须在教学内容和教学方法上进行改革。对热动专业（水动方向）学生的重要课程——“水轮机”的教学内容和手段进行改革，使学生不仅掌握水轮机工作的基本原理，同时也学到结合现场实际的工程知识，还学到水轮机方面最先进的技术内容，这为学生毕业后尽快胜任工作创造了有利条件。

参考文献：

[1]黄少敏.《水轮机与安装检修》课程教学改革探索[J].水利科技,

2011,(4).

[2]郑源,陈德新.水轮机[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[3]龙建祥,张铁军.随身查:Excel函数与公式综合应用技巧[M].北京:人民邮电出版社,2010.

（责任编辑：孙晴）