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摘要：水轮发电机涵盖了电气、机械以及水利等诸多学科内容，其设计方案要站在全局的角度上，实现系统性的整体设计。本文首先从水轮发电机的工作原理及分类，然后详细论述了水轮发电机设计中的关键要素，最后采用多学科优化（MDO）的手段实现了水轮发电机设计方案的整体优化。
关键词：水轮发电机；设计方案；优化实现
一、引言
水轮发电机作为水利发电系统的核心机械设备，其运行效率的高低与否直接影响着水电站的发电量以及稳定性能，因此在水轮发电机的设计过程中，一定要对设计方案进行反复推敲、演算并建立模型，不断地优化整体设计方案，进而保证其运行效率和使用寿命。水轮发电机涵盖了电气、机械以及水利等诸多学科内容，其中任何环节出现纰漏都会对其产生十分严重的影响，从而导致整个水轮发电机组设计失败。例如河南小浪底水利发电站的水轮发电机叶轮静应力数值设计过高，运行过程中叶轮与转轮发生共振，致使转轮出现裂纹。因此水轮发电机的设计方案要站在全局的角度上，协调各领域之间的设计冲突，实现水轮发电机组的整体优化。
二、水轮发电机的工作原理及分类
水轮发电机是由转子、定子、推理轴承、制动器等元部件构成[1]，在水势能的冲击作用下，转子带动同轴的磁极一并转动，定子线圈切割磁感线，产生感应电流，从而实现发电过程。
（一）水轮发电机的工作原理
水轮发电机是一套将水的机械能转换为电能的机械装置，其工作原理如图一所示：来自高位的水流拥有巨大的机械能，当水流从高向低倾泻而下时，水流的重力势能转化为动能，而高速的水流冲击水轮发电机的转轮，在联轴器的作用下，转轮带动转子上的磁极转动，在转动过程中，定子不断地切割磁感线圈，产生感应电流，从而最终实现水的机械能向电能转化的过程。
图一 水轮发电机的工作原理
（二）水轮发电机的分类
由于河流区域地理环境的差异性，不同水电站所配备的水轮发电机的类型也不尽相同，有轴流式、贯流式以及切击式等不同种类，从运行特征的角度上来看，水轮发电机大致上可以分为冲击式水轮发电机和反击式水轮发电机。
（1）冲击式水轮发电机
冲击式水轮机是一套利用水流冲击转轮做功，带动定子做切割磁感线运动，从而实现动能直接转化为电能的机械装置，其运行特征是带有压能的水流经过变径喷嘴之后，压能转化为动能，形成一束高速喷射水柱冲击转轮旋转做功，最终产生电能。在冲击式水轮机的运行过程中，高速喷射的水流不会冲击每一片转轮，并且水流只占流道体积的一小部分，并不会全部充满。根据水柱与转轮叶片的角度方向不同，还可以将冲击式水轮发电机细分为切击式、斜击式和双击式三种。
（2）反击式水轮发电机
反击式水轮发电机的运行特征是将水流充满整个流道，并将转轮置于流道之中，当水流进入流道时，转轮会阻碍水流通过，此时就会改变其压力、流速以及方向。此时，水流在转轮叶片的两端压力就会产生差异，形成压力差并作用于叶片，产生一定的转动力矩，从而带动转轮运动，实现水流的压能和动能转化为电能的目的。根据发电站水头流量的不同，反冲式水轮发电机还可以进一步划分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。
三、水轮发电机设计中的关键要素
水轮发电机设计方案是根据容量、功率、转速等电气设备参数制定而成，其设计方案包含了众多领域的技术要点，最为关键的核心要素体现在以下几个方面。
（一）主要尺寸设计
定子作为水轮发电机中的主要组成部件，其尺寸的合适程度直接决定着发电机性能的稳定，因此对水轮机中主要构件的尺寸设计就显得尤为重要。就以定子铁心内径Di和长度Lt的尺寸设计为例，在不考虑定子绕组阻抗压降的情况下，内径Di和长度Lt与飞轮转矩GD2之间存在如下近似关系， 
，其中k为系数，不同额定转速下，k的取值范围也不相同，大致如表一所示。尺寸设计时，需要平衡内径Di和长度Lt之间的比例大小，首先确定定子允许的最大直径，Di必须小于该最大直径，同时铁心长度Lt与极距 
之间应当满足以下关系，即 
。
表一 系数k取值范围与转速关系
（二）定子绕组设计
定子绕组设计分为分数槽绕组和整数槽绕组两种形式，两种绕组形式所考察的侧重点并不相同，分数槽绕组主要以电磁性能和经济指标作为设计依据，而整数绕组则以防震降噪作为设计标准。分数槽绕组是以每极每相槽数q作为分数进行绕组设计，这种绕组设计能够合理地分配电磁负荷，优化发电机空载波形，使得发电机的电磁性能达到最佳状态。同时在某些特定情况下，次谐波磁场与基波磁场相互作用，使得定子铁心振动和噪声十分明显。整数槽绕组能够避免定子铁心的振动噪声，但是有可能使得原有波形发生畸变，因此在设计过程中应当采取一些措施来改善这种状况，例如将斜槽应用于定子铁心，选择合适的阻力绕组节矩以及选择较大的槽数q来降低谐波磁场的量等。
（三）定转子气隙设计
定转子气隙指的是定子与转子间的空隙，该数值的大小对水轮发电机的稳定运行和经济效益都有着举足轻重的影响。若定转子气隙设计过宽，转子绕线材料增多，设计制造成本加大；若定转子气隙设计过窄，降低了发电机的短路比，使得发电机静态稳定性能大打折扣。在水轮发电机定转子气隙设计大多采用不均匀气隙的方式来确定气隙的具体数值。
四、水轮发电机设计方案的整体优化
水轮发电机涵盖了电磁、通风以及散热等诸多学科内容，在方案设计时如果只考虑单一学科内容，必然会出现顾此失彼的现象，因此水轮发电机的设计方程应当采用多学科优化（MDO）的手段来实现整体优化。
（一）MDO数学模型的建立
图二为水轮发电机多学科优化数学模型。水轮发电机的设计方案包含电磁计算（学科1）、通风计算（学科2）以及热计算（学科3），X是水轮发电机总的设计参数，包含功率、额定电压、功率因素、额定频率等。而X1、X2、X3分别为不同学科内的设计参数，且设计变量满足gi、fi（i=1,2,3）的函数关系，Y12、Y13、Y23分别为各学科之间设计参数的相互关系。
图二 水轮发电机多学科优化数学模型
（二）优化方案的确定及实现
从水轮发电机多学科优化模型可以清楚地看到，各个学科之间存在着大量的共享设计变量，而这一设计变量同时受到函数gi、fi（i=1,2,3）的约束，即共享设计变量必须同时满足多学科的函数条件时，才能够作为水轮发电机的设计量。由于单个学科间的设计变量相对来说并不是很多，可以采用单级变量优化算法的方式来逐级确定设计变量[2]，然后再将该变量带入多级学科之中，判断其是否满足学科函数约束，若满足则通过计算得到最优设计参数，若不满足则继续代入新的设计参数直至满足为止。
总而言之，水轮发电机的设计方案是一项跨领域，多学科交叉的综合性系统工程，在方案设计时如果只考虑单一学科内容，必然会出现顾此失彼的现象，因此水轮发电机的设计方程应当采用多学科优化（MDO）的手段来实现整体优化。
参考文献：
[1] 陈前荣 试析水轮发电机设计的优化方案[J] 通信电源技术，2013（11）
[2] 朱殿华，郭伟等 水轮发电机多学科优化设计方法及实施[J] 机械科学与技术，2011（03）
论文作者:魏鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/19
标签：水轮发电机论文; 定子论文; 绕组论文; 转轮论文; 水流论文; 转子论文; 设计方案论文; 《电力设备》2017年第24期论文;