【技术实现步骤摘要】
基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统
本专利技术涉及反击式旋转机械工作特性数值计算领域，尤其涉及一种反击式转轮全局工况下效率和水力特性的快速预测方法。
技术介绍
水力发电因其输出电能稳定、调节反应迅速已成为电网保证高质量电能不可或缺的能源结构，因此水电为了高效发挥其调节性能，要求其能量转换的核心元件——转轮工作在偏离最优工况。我国，始于上世纪70年代对转轮性能的试验研究和始于90年代的基于有限元软件的数值模拟研究经过多年发展日趋成熟，但由于与这两种研究方法相关的辅助设备未能得到充分发展，导致的高成本投入、长时间耗资，比如模型试验的长周期、数值模拟的高计算性能要求等，已成为新建水力发电项目初期阶段不可忽视的成本投入。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统，缩短研发周期，降低成本。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提出一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法，进一步地：步骤包括：S001、数据输入：读取反击式转轮的全局参数和木模图参数；S002、坐标变换：将笛卡...
【技术保护点】
1.一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统，其特征在于：S001、数据输入：读取反击式转轮的全局参数和木模图参数；S002、坐标变换：将笛卡尔坐标系内的空间叶片投影到Z‑r平面上，且遵循以下旋转投影公式：ri
【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统，其特征在于：S001、数据输入：读取反击式转轮的全局参数和木模图参数；S002、坐标变换：将笛卡尔坐标系内的空间叶片投影到Z-r平面上，且遵循以下旋转投影公式：ri2＝xi2+yi2，zi＝zi其中，(xi，yi，zi)为点在笛卡尔坐标系内的坐标，(zi，ri)为对应的点在Z-r平面内的坐标；将笛卡尔坐标系内坐标变换到S1流面坐标系内，其中m为S1流面的母线，θ为S1流面圆周方位角；流线的坐标变换并无量纲化处理遵循以下公式：式中：x0，y0为流线起始端点坐标分量，(mi，θi)为笛卡尔坐标系内点(xi，yi，zi)在S1流面坐标系内的坐标；S003、过水断面形成线构建：在反击式转轮轴面流道内作内切于上冠和下环流线的公切圆，圆心为O，切点为A和B，连接OA、OB和AB，作通过A、B并分别与OA、OB相切的圆弧即为过水断面形成线；S004、轴面速度计算：求得过水断面形成线形成过水断面时的旋转半径，然后求得对应的过水断面面积和轴面速度；针对多条过水断面形成线，求得轴面速度在轴面流道中的离散分布；所述过水断面是由过水断面形成线绕转轮转轴旋转一周形成的回转面；S005、轴面流线计算：读取一条流线对应圆弧的圆心坐标、半径、所述圆弧两端点坐标；列出弧上任意一点的非线性方程组；求得弧上该点坐标；针对多条过水断面形成线，求得一条流线上的多个离散点，顺水流方向用样条曲线依次连接所述离散点，得到所述轴面流线；S006、S1流面构建：将上一步求得的流线绕转轮旋转轴旋转一周，得到对应的S1流面；S007、S2流面构建：将木模图参数导入三维建模软件Ansys-Gambit，建立由叶片各截面骨线形成的叶片空间骨面，所述骨面是两相邻叶片之间的一个平均流面，即S2流面；S008、空间相对流线构建及分割：所述空间相对流线为S1流面与S2流面的交线；将该空间流线等分成n份，输出等分节点及端点的直角坐标系的坐标值，共n+1个点，并将所述点的坐标转换到S1流面坐标系中；S009、空间相对水流角计算：对步骤S008中每一条空间相对流线上所述n+1个点处的相对水流角进行计算，对各点处流线切线与水平线的夹角进行组合插值，得到空间相对流线上各点处的空间相对水流角βi；S010、空间相对流线上各点轴面速度计算：线性插值轴面流线上离散分布的轴面速度，得到空间相对流线上各等分节点的轴面速度；S011、叶片厚度计算：根据步骤S001读取的木模图参数，以其中的内切圆圆心坐标和直径数据作为插值参考点，对步骤S008中每一条空间相对流线上n+1个节点处叶片在圆周方向的厚度ti进行高维线性插值计算；S012、叶片虚拟厚度计算：根据步骤S011，将空间相对流线每个节点处的厚度乘以合适的增厚系数ψ，得所述节点处的虚拟厚度，如下式所示：Ti＝ψ·ti式中：ψ表示增厚系数；Ti表示叶片增厚后的虚拟厚度，单位是m；i为空间相对流线上等距离取得的节点编号，所述节点编号从靠近所述反击式转轮输入口到靠近所述反击式转轮输出口依次增大；S013、叶片排挤系数计算：叶片排挤系数的计算通过下式求得：式中，表示节点i处叶片排挤系数；N表示转轮叶片个数；S014、欧拉能量数值求解：EEui＝Ui·VUi＝riω·(riω-WUi)＝riω·(riω-kiVmicotβi)式中，EEui表示节点i处欧拉能量，单位是m2/s2；Ui表示节点i处圆周速度，单位是m/s；VUi表示节点i处绝对速度圆周分量，单位是m/s；ω表示转轮旋转角速度，单位是rad/s；WUi表示节点i处相对速度圆周分量，单位是m/s；Vmi表示节点i处轴面速度，单位是m/s；S015、转轮效率解析求解：所述转轮效率的解析求解基于水轮机基本能量方程：式中，γ表示流体比重，单位是N/m3；H表示转轮进出口净水头，单位是m；ηr1表示转轮效率解析解；Q表示活动导叶开度α下的流量，单位是m3/s；S016、CFD数值模拟结果验证：利用软件CFX在步骤S015所述相同工况下进行数值模拟；通过数值模拟得到转轮中流体流动特性以及转轮转轴上的扭矩，根据以下方程求得转轮相应效率：Mω＝yQHηr2式中：M表示转轮转轴扭矩，单位是N·m，ηr2表示转轮效率模拟解；S017、判断精度：对步骤S015和S016所得的转轮效率解析解和转轮效率模拟解求解相对误差，若相对误差超出判定标准值，则返回步骤S012，改变增厚系数取值，再依次执行步骤S012～S017，最终得到符合要求的转轮效率解析解与对应的增厚系数；若相对误差小于判定标准值，则执行步骤S018；所述判定标准值预先给定；S018、令转轮的活动导叶在活动范围内等间隔地取导叶开度的值，每一个导叶开度对应一个流量工况，对所述流量工况按照对应导叶开度由小到大依次编号；间隔地取所述流量工况，依次执行步骤S004～S017，得到所述流量工况下转轮效率的解析解与对应的增厚系数；S019、增厚系数插值：利用现有的导叶开度与增厚系数数据，对增厚系数ψ进行插值，求得其余导叶开度对应的流量工况下的增厚系数；S020、根据步骤S019计算所得的增厚系数，依次执行步骤S004～S016，然后计算步骤S015所得转轮效率解析解和步骤S016所得转轮效率模拟解的相对误差；S021、将计算结果输入到Excel表格进行显示和存储，计算结束。2.如权利要求1所述的一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法，其特征在于：所述反击式转轮全局参数包括：所述反击式转轮叶片个数、设计水头、额定转速、不同导叶开度及与之对应的流量、流体密度和环境温度；所述反击式转轮的木模图参数包括：所述反击式转轮木模图上各叶片水平截面内切圆圆心坐标、圆与圆切点坐标和内切圆直径。3.如权利要求1所述的一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法，其特征在于：步骤S005所述的非线性方程组为：(zF-zO′)2+(yF-yO′)2＝R2(zF-zA)2+(yF-yA)2＝R2+R2-2R2cosα1(zF-zB)2+(yF-yB)2＝R2+R2-2R2cos...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈誉，周建旭，孙斌，申爱丽，郭强，刘跃飞，李永发，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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