（1）实验原理

①实验一：水电站认知与水轮机选型

首先，学生通过真实工程高保真3D场景漫游，识别水电站主要建筑物的空间布置与功能定位，点击建筑物可查看其名称及简单功能介绍，快速完成对有压引水式电站主要建筑物和结构的认知与记忆，建立水电站系统整体概念。随后通过对水轮机的三维拆分组装与交互测验，建立起水轮机结构组成、配合关系及工作原理的系统认知。通过认知环节，学生积累了工程背景与设备知识，提升了空间想象与结构分析能力，为后续选型设计奠定基础。

其次，在认知基础上，学生依据实验工程资料进行选型设计。根据单机容量与水头范围，对照水轮机系列型谱确定水轮机型号；利用相似原理计算转轮标称直径D₁、额定转速n、效率η等水轮机主要参数；最后根据计算得到的参数进行工作范围验算，并借助运转特性曲线判断设计点是否处于高效区，若不满足则返回调整参数或重新选型。

图3-4-1  水轮机模型综合特性曲线

图3-4-2  水轮机运转特性曲线

②实验二：压力管道水力瞬态计算

当机组负荷突变时，管道内产生水击压力波动。采用特征线法求解水击压力，依据实验工程资料仿真输出最大水击压力包络图、水轮机转速变化图、压力管道水击压力三维曲线图，学生根据水击压力曲线和水轮机转速曲线计算水击压力上升率和水轮机转速变化率，验算是否满足规范要求。

图3-4-3  压力管道水力瞬态计算

图3-4-4  压力管道水力瞬态计算曲线

③实验三：调压室设计

为了减小水击压力，在长有压引水道与压力管道连接处设置调压室。对于调压室波动稳定问题，需计算托马稳定断面。仿真中可观察甩负荷后水位波动衰减过程，验证设计是否满足稳定条件；此外仿真三种不同调压室的水位波动情况，选出适用类型。

图3-4-5  调压室设计

知识点：共18个

1.水电站主要建筑物及结构

2.各种类型水轮机的结构组成、特点及适用条件

3.水轮机选型的基本原则

4.水轮机主要参数的计算

5.水轮机综合特性曲线识读

6.效率修正、单位转速与单位流量修正

7.水轮机相似理论的应用

8.水击波传播过程与反射

9.特征线法基本原理

10.水击压力计算步骤

11.调节保证计算

12.设计参数与安全裕度关系

13.减小水击压力的措施

14.调压室类型与适用条件

15.调压室水位波动原理

16.调压室波动稳定条件

17.托马稳定断面计算

18.调压室水位波动方程

（2）核心要素仿真设计

本实验以拉康水电站为工程原型，采用项目化教学模式，将工程认知、设备拆装与水力设计深度融合。学生在真实工程场景中，通过“工程认知-方案设计-仿真验证-方案再优化”的全流程训练，实现人才培养与工程实践的无缝衔接。

①三维电站场景。构建了包括水库、进水口、引水隧洞、调压室、压力管道、厂房的三维模型，学生可自由漫游，从系统层面理解各建筑物的空间布局与水力联系。

图3-4-6  三维电站场景

②水轮机结构认知模块。提供混流式、轴流式、灯泡贯流式及水斗式四种典型水轮机的全三维精细模型；支持从任意角度旋转、缩放观察整体结构，并可逐层拆解转轮、导叶、蜗壳、主轴等核心部件，清晰展示各部件的装配关系与工作原理，为水轮机选型奠定直观认知基础。

图3-4-7  水轮机结构认知模块

③水轮机特性曲线库。内置混流式、轴流式共10余种型号的模型综合特性曲线，支持学生自主选择水轮机型号，验证水轮机主要参数计算，并动态生成运转特性曲线，辅助学生完成选型计算与效率验证。

图3-4-8  水轮机特性曲线

④压力管道三维可视化与动态曲线相结合。支持导叶关闭时间、糙率等参数调节；以红-黄-绿-蓝渐变色谱实时显示水击压力空间分布；同步输出关键断面压力时程曲线，便于与理论结果对比验证。

图3-4-9  实验界面和三维曲线图

⑤调压室水位波动动画。支持学生自主设定调压室位置、类型及引水隧洞参数，进行托马断面验算；模拟甩负荷后水位上升-下降-衰减全过程，同步生成水位波动曲线，帮助学生理解托马稳定断面与波动收敛性的内在联系。