混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法及装置，方法包括：获取水轮机模型试验的各试验工况点及对应的压力脉动数据，并进行无量纲处理；计算模型试验的任意两试验工况点之间的第一距离以及待求工况点与各试验工况点之间的第二距离；根据各第一距离以及压力脉动数据拟合高斯模型；应用拟合的高斯模型计算任意两试验工况点之间的半方差以及待求工况点与各试验工况点之间的半方差；求解克里金法模型方程组，得到与各试验工况点的最优系数；根据各试验工况点的最优系数及对应的压力脉动数据获取待求工况点的压力脉动数据。通过以上方式，本发明专利技术能够进行精确、高效的水轮机全工况压力脉动预测。高效的水轮机全工况压力脉动预测。高效的水轮机全工况压力脉动预测。

【技术实现步骤摘要】
混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法及装置


[0001]本专利技术属于水轮机
，具体是涉及到一种混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法及装置。

技术介绍

[0002]稳定性、效率和空化是水轮机性能三个最重要的指标，其中稳定性主要影响水电机组的运行安全，也是水轮机研究中最为复杂的问题之一。近年来水电机组中水轮机振动、紧固件松动、叶片裂纹等设备缺陷频发，影响了水电厂的安全运行，水轮机运行稳定性已成为各水电企业最为关注的问题。影响水轮机运行稳定性的主要因素包括水力、机械和电气，其中水力因素起主要作用，也是这三个因素中最为复杂的因素。通过多年的研究，行业内已明确水力因素主要受水轮机压力脉动的影响，通过对水轮机压力脉动幅值和频率的准确测量分析能够对水轮机水力振动进行准确的评估，优化水轮机的运行方式，提高水轮机运行稳定性。
[0003]混流式水轮机由于具有结构简单、性能优良、适用范围广等优点，已逐渐成为应用最为广泛的一种水轮机形式。混流式水轮机设计时一般按照最优工况状态进行设计，保证在最优工况下水流流态最优、压力脉动最小。但是由于混流式水轮机转轮叶片不可调节，一旦水轮机工况偏离最优工况，转轮中的水流流态会发生明显的变化，产生环流、撞击等，造成水轮机压力脉动增大，引起水轮机振动增加。未来随着以新能源为主体的新型电力系统的构建，水电机组会更多的承担调节任务，造成水轮机更多的在非最优工况下运行，大大影响了机组运行稳定性。为准确掌握水轮机运行状态，优化水轮机的运行范围，有必要从水轮机压力脉动入手，通过对水轮机全工况下压力脉动的准确预测，评估水轮机运行性能，通过压力脉动精确预估从而对水轮机关键部件的振动进行定量分析，准确评估水轮机关键部件设备寿命。
[0004]目前对于水轮机压力脉动的研究主要通过数值仿真、真机实测及模型试验。数值仿真主要是通过建立与真机尺寸一致的数学模型通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析获得各工况下水轮机的压力脉动，但是需要获知准确的水轮机转轮叶片模型，各水轮机制造厂家出于技术保密的原因，一般不会提供，且CFD分析需要耗费大量的计算资源，要获得全工况下水轮机的压力脉动需要很长的计算时间。真机实测虽然能够较准确的获得真机的压力脉动，但是现场真机实测耗费大量的人力物力，且由于条件有限无法获得全工况下水轮机的压力脉动。通过模型试验结果去预测全工况下水轮机的压力脉动是目前较方便快捷的一种方法，水轮机制造厂家一般会在水轮机运行范围内选择大量有代表性的工况点进行模型试验，通过模型与原型相似率可以得到真机的压力脉动值。但是模型试验得到压力脉动值代表的是一系列的离散工况点，且由于水轮机压力脉动的复杂性，各工况点之间无明显规律，这就需要应用到准确的插值模型，通过这些离散工况点插值得到任意工况下水轮机的压力脉动，从而获得全工况下水轮机的压力脉动的幅值和频率。
[0005]目前对于大型水电站，水轮机制造厂家都会对水轮机进行全面的模型试验，对水轮机的能量特性、效率特性和压力脉动进行全面的测试，再根据模型水轮机和原型水轮机的相似性计算得到原型水轮机的各项性能指标。其中针对水轮机的压力脉动，一般会在水轮机正常运行范围内选择多个特征工况点即在不同单位转速(n11)和单位流量(Q11)下进行模型试验，得到水轮机压力脉动的混频幅值及前几阶特性频率及对应的幅值。通过目前的研究，在相同工况点下通过模型压力脉动值换算至原型，与原型真机实测结果吻合度较好。模型试验仅得到了几个离散工况点的压力脉动值，要获知任意工况的压力脉动值，则需要通过模型试验的数据进行插值，但是通过附图2可以看出，各个工况点下的压力脉动值无明显的规律，具有明显的随机过程特征，普遍的插值方法无法准确得到任意工况下的压力脉动值，需要采用更先进的插值模型。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法及装置，解决现有的水轮机压力脉动预测方法无法准确得到任意工况下的压力脉动数据的问题。
[0007]基于上述目的，本专利技术提出一种混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法，包括：获取水轮机模型试验的各试验工况点及对应的压力脉动数据，并进行无量纲处理；计算模型试验的任意两试验工况点之间的第一距离以及待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离；根据各所述第一距离以及所述压力脉动数据拟合高斯模型；根据各所述第一距离、各所述第二距离应用拟合的所述高斯模型计算任意两试验工况点之间的半方差以及待求工况点与各试验工况点之间的半方差；根据任意两试验工况点之间的半方差以及待求工况点与各试验工况点之间的半方差求解克里金法模型方程组，得到与各试验工况点的最优系数；根据各试验工况点的所述最优系数及对应的压力脉动数据获取待求工况点的压力脉动数据。
[0008]可选的，所述进行无量纲处理，包括：采用最优点单位转速和最优单位流量对水轮机模型试验的各试验工况点进行无量纲化处理；对于水轮机尾水管进口压力脉动，采用叶片转轮出口的相对速度头和机组转频分别对各试验工况点的尾水管进口压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理；对于水轮机蜗壳进口压力脉动，采用模型试验水头和机组转频分别对各试验工况点的蜗壳进口压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理；对于水轮机无叶区压力脉动，采用模型试验水头和机组转频分别对各试验工况点的无叶区压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理。
[0009]可选的，所述计算待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离之前，包括：采用最优点单位转速和单位流量对待求工况点进行无量纲化处理。
[0010]可选的，所述计算模型试验的任意两试验工况点之间的第一距离以及待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离，包括：将各试验工况点映射至一个平面坐标系，以试验工况点的单位转速为横坐标，单位流量为纵坐标，计算任意两试验工况点之间的几何距离，得到任意两试验工况点之间的第一距离；在所述平面坐标系下计算待求工况点与模型试验的任一试验工况点之间的几何距离，得到待求工况点与任一试验工况点之间的第二距离。
[0011]可选的，所述根据各所述第一距离以及所述压力脉动数据拟合高斯模型，包括：将
n个试验工况点之间的个所述第一距离从小到大进行排序，以预设间隔分成n个分组，并计算各分组的平均距离；根据所述平均距离和压力脉动数据计算与各分组的所述平均距离对应的半方差；根据所述平均距离以及与所述平均距离对应的半方差高斯模型拟合距离与半方差的关系，获取其中的各系数，得到高斯模型系数，确定拟合的高斯模型。
[0012]可选的，所述半方差包括：尾水管进口压力脉动幅值半方差、尾水管进口压力脉动频率半方差、蜗壳进口压力脉动幅值半方差、蜗壳进口压力脉动频率半方差、无叶区压力脉动幅值半方差、无叶区压力脉动频率半方差。
[0013]可选的，所述根据各试验工况点的所述最优系数及对应的压力脉动数据获取待求工况点的压力脉动数，包括：对各试验工况点的所述最优系数与对应的压力脉动数据乘积进行求和运算，得到待求工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混流式水轮机全工况下的压力脉动预测方法，其特征是，所述压力脉动预测方法包括：获取水轮机模型试验的各试验工况点及对应的压力脉动数据，并进行无量纲处理；计算模型试验的任意两试验工况点之间的第一距离以及待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离；根据各所述第一距离以及所述压力脉动数据拟合高斯模型；根据各所述第一距离、各所述第二距离应用拟合的所述高斯模型计算任意两试验工况点之间的半方差以及待求工况点与各试验工况点之间的半方差；根据任意两试验工况点之间的半方差以及待求工况点与各试验工况点之间的半方差求解克里金法模型方程组，得到与各试验工况点的最优系数；根据各试验工况点的所述最优系数及对应的压力脉动数据获取待求工况点的压力脉动数据。2.如权利要求1所述的压力脉动预测方法，其特征是，所述进行无量纲处理，包括：采用最优点单位转速和最优单位流量对水轮机模型试验的各试验工况点进行无量纲化处理；对于水轮机尾水管进口压力脉动，采用叶片转轮出口的相对速度头和机组转频分别对各试验工况点的尾水管进口压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理；对于水轮机蜗壳进口压力脉动，采用模型试验水头和机组转频分别对各试验工况点的蜗壳进口压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理；对于水轮机无叶区压力脉动，采用模型试验水头和机组转频分别对各试验工况点的无叶区压力脉动幅值和压力脉动频率进行无量纲化处理。3.如权利要求1所述的压力脉动预测方法，其特征是，所述计算待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离之前，包括：采用最优点单位转速和单位流量对待求工况点进行无量纲化处理。4.如权利要求1所述的压力脉动预测方法，其特征是，所述计算模型试验的任意两试验工况点之间的第一距离以及待求工况点与模型试验的各试验工况点之间的第二距离，包括：将各试验工况点映射至一个平面坐标系，以试验工况点的单位转速为横坐标，单位流量为纵坐标，计算任意两试验工况点之间的几何距离，得到任意两试验工况点之间的第一距离；在所述平面坐标系下计算待求工况点与模型试验的任一试验工况点之间的几何距离，得到待求工况点与任一试验工况点之间的第二距离。5.如权利要求1所述的压力脉动预测方法，其特征是，所述根据各所述第一距离以及所述压力脉动数据拟合高斯模型，包括：将n个...

【专利技术属性】
技术研发人员：付亮，姜运，王佩，万元，潘平衡，时志能，李橙橙，胡靖远，
申请(专利权)人：五凌电力有限公司，
类型：发明
国别省市：