一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法技术

本发明专利技术提出一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，采用了一种数学变换方法，结合数理统计知识，根据已有的全特性数据，以比转速（水泵水轮机的特征参数）为基准插值获得任意比转速的全特性曲线。全特性曲线构造的前提是收集一套包含不同比转速的全特性曲线数据，根据对收集数据的规律研究、数学变换以及数理统计分析，并采用四维的插值方式，最终实现对任意比转速全特性曲线的构造。本发明专利技术可适用于抽水蓄能电站的前期设计，特别适用于在缺乏水泵水轮机全特性数据时，抽水蓄能电站的前期调节保证设计。

Construction method of full characteristic curve of water pump hydraulic turbine

The present invention provides a method to construct a complete characteristic curves of pump turbine, using a mathematical transformation method, combined with mathematical statistics, according to the characteristics of the existing data, the specific speed (characteristic parameters of pump turbine) as a benchmark to obtain any complete characteristic curve interpolation speed. The premise is to construct the complete characteristic curves of a collection containing different ratio curve data characteristic speed, according to the analysis of the data collected, studied the mathematical transformation and mathematical statistics, and using four-dimensional interpolation method, the final realization of arbitrary speed than the full characteristic curve construction. The invention can be applied to the preliminary design of a pumped storage power station, and is especially suitable for the preliminary regulation design of a pumped storage power station without the full characteristic data of a water pump hydraulic turbine.

【技术实现步骤摘要】
一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法
本专利技术属于水力机械特性研究领域，涉及一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，特别涉及一种基于多区间数学变换和数理统计的水泵水轮机全特性曲线的构造方法。
技术介绍
抽水蓄能电站具有储能发电功能，有效调节了电力系统发供用的动态平衡问题。近年来随着电网容量的日益增大，峰谷差异愈专利技术显，电力系统平衡和频率控制问题日益突出，具备储能作用的抽水蓄能电站的意义越专利技术显。水泵水轮机是抽水蓄能电站的关键性设备，其全特性是抽水蓄能电站设计的重要资料，同时也是水力过渡过程计算中最重要的边界条件。请见图1，水泵水轮机的全特性曲线包括流量特性曲线和力矩特性曲线，通常为n1′～Q1′和n1′～M1′的平面二维曲线表示，其中以导叶开度α为参变量，n1′、Q1′、M1′分别为单位转速、单位流量和单位力矩。在抽水蓄能电站可行性设计阶段、招标设计阶段，水泵水轮机真机全特性曲线一般无法确定，故很多情况下，调节保证计算只能套用其他水泵水轮机的全特性曲线。但是由于国内抽水蓄能电站的数目有限，一般设计院和科研单位所能获取的全特性曲线数据也是十分有限。目前获取全特性曲线的方式主要有三种方式：模型实验是目前最通用的获取全特性曲线的方法。该方法周期长，成本大。同时，在水电站设计的初期阶段，水泵水轮机转轮的详细体型并未确定，无法开展相关的模型实验。另一种基于水泵水轮机转轮的详细体型的方式是CFD计算。目前由于数值计算手段的提高，该方法得到大力发展。其大大地节约了成本，但是由于数值计算的精度并不能得到保证，所以其可靠性差。如只知转轮某些关键参数，可以利用水泵水轮机的基本理论，即内特性，对转轮的外特性进行计算和预测。但是转轮内部流态很复杂，简化的物理模型很难准确表达特性曲线。现有的计算方法十分有限，并且只能计算出全特性曲线中局部的曲线，且主要适用于混流式水轮机，对水泵水轮机适应性不高。以上三种方法各有利弊，其前提条件均是已知部分或详细的水泵水轮机的参数。在电站前期设计中，若未知这些参数，则有必要采用其他方式获取水泵水轮机的全特性曲线，以满足电站设计需求。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种构造任意比转速的水泵水轮机全特性曲线的方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：收集尽可能多的水泵水轮机全特性曲线，提取所收集的全特性曲线中的特征交线，所述的特征交线为全特性曲线与坐标轴交点的连线，采用特定的数值拟合模型拟合特征交线，构造任意比转速的特征交线方程；步骤2：对于收集的所有水泵水轮机全特性曲线进行变换，所述的变换方法为采用多区间的数学变换方法，将全特性曲线分为八个区间，各区间采用不同的变换方程，变换后，再将所得的多条二维曲线加密并表示为平面网格；每个区间均得到多个平面网格，叠加每个区间的平面网格得到一个空间立方体网格，采用四维数值拟合构造超曲面，给定任意比转速和开度即可得到相应比转速的变换后的特性曲线；步骤3：根据特征交线方程将插值所得特性曲线逆变换为原始的特性曲线。作为优选，步骤1中所述的尽可能多的全特性曲线，其判断标准为需要覆盖不同的比转速区间。作为优选，步骤1中所述的数值拟合模型是根据水泵水轮机的基本理论和特征交线自身的变化规律推导得出的。步骤2中提出的数学变换方法是本专利技术中新提出的，现有对全特性曲线的变换方式都是在一个整体区间完成的，本专利技术为了更好的适应之后对全特性曲线的构造，将全特性曲线分为八个区间，分别变换。与传统的全特性曲线获取方式相比，本专利技术存在以下优点和有益效果：1.本专利技术方法不需要知道水泵水轮机具体的尺寸和参数，只需要抽水蓄能电站的特征参数——比转速即可采用统计分析的方式，根据已知的其他电站的全特性曲线，来构造或预测本电站的全特性资料；2.本专利技术方法基本不需要成本，也不需要很长周期，只需收集足够多的全特性曲线资料，根据该方法可编制相关软件，填入特征参数后可马上得到全特性曲线；3.本专利技术可适用于抽水蓄能电站的前期设计，特别适用于在缺乏水泵水轮机全特性数据时，抽水蓄能电站的前期调节保证设计。附图说明图1：是本专利技术传统的全特性曲线分区与坐标交线；图2：是本专利技术实施例的坐标交线α-Q1′(n1′=0)构造方程；图3：是本专利技术实施例的第一区间特性曲线变换曲线；图4：是本专利技术实施例的第一区间特性曲线变换平面网格；图5：是本专利技术实施例的包含多组水泵水轮机特性数据的第一区间空间网格；图6：是本专利技术实施例的包含任意比转速水泵水轮机特性数据的第一区间超曲面；图7：是本专利技术实施例的特征交线构造结果；图8：是本专利技术实施例的第一区间特性构造结果（变换后的特性）；图9：是本专利技术实施例的全特性曲线的构造结果。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请见图1，为本专利技术传统的全特性曲线分区与坐标交线，全特性曲线的传统表达式形式十分复杂，在单位转速为100(m0.5/s)左右时，存在多值现象。这样的表达方式十分不利于对全特性曲线进行数学运算。传统的变换方式是将全特性曲线分别当作一个整体，采用统一的变换方程，消除原始曲线中多值现象。但是这些方式将原始的特性曲线中线性变化规律降低了，对后续的插值运算精度有不利影响。基于上述思想，本专利技术为了更高精度的构造全特性曲线，提出一种新的变换方法。这种变换方法首先将全特性曲线分为八个区间。对于n1′～Q1′曲线，第一区间包含了水轮机工况区和制动区，第二区间为水泵制动工况区，第三区间为水泵工况区，第四区间为反水泵工况区；对于n1′～M1′，在第五区间为正向水轮机工况区，以驼峰点为界第六、七区间分别为水泵制动工况区和水泵工况区，第八区间包括水轮机制动工况区和反水泵工况区。对于各个区间，本专利技术方法提出了不同的变换表达式，这样即将多值曲线分为几个部分，分别变换，彻底消除多值现象。同时，该变换方法不仅保留了特性曲线在某些区域的线性变换规律，同时还增强了其他部分的变化规律，更有利于接下来的插值构造运算。比转速是代表水泵水轮机特性的最重要参数，目前国内可收集到的全特性曲线比转速的覆盖范围大致为70-180(m:kw)。全特性曲线的随比转速的增加或减小，变化规律十分明显。当两水泵水轮机的比转速相近时，其全特性曲线也十分相近。基于这一规律，本文的专利技术方法提出了一种数学方法，根据能收集到的全特性曲线数据，构建相应的数据库系统；利用数学表达方法表示出全特性曲线随比转速的变化规律。从而可以获得任意比转速的全特性曲线资料。本专利技术所采用的技术方案是：一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，包括以下步骤：步骤1：收集尽可能多的覆盖不同的比转速区间的水泵水轮机全特性曲线，提取所收集的全特性曲线中的特征交线，所述的特征交线为全特性曲线与坐标轴交点的连线，采用根据水泵水轮机的基本理论和特征交线自身的变化规律推导得出的数值拟合模型拟合特征交线，构造任意比转速的特征交线方程；请见图1，特征交线是水泵水轮机全特性曲线与坐标轴（包括边界线n1′=CP、n1′=CT）交点的连线，对特征交线的构造是对整个特性曲线构造的一部分，图1中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：收集水泵水轮机全特性曲线，提取所收集的全特性曲线中的特征交线，所述的特征交线为全特性曲线与坐标轴交点的连线，采用根据水泵水轮机的基本理论和特征交线自身的变化规律推导得出的数值拟合模型拟合特征交线，构造任意比转速的特征交线方程；步骤2：对于收集的所有水泵水轮机全特性曲线进行变换，所述的变换方法为采用多区间的数学变换方法，根据全特性曲线所在的坐标平面象限及曲线拐点将全特性曲线分为八个区间，各区间采用不同的变换方程；变换后，再将所得的多条二维曲线加密并表示为平面网格；每个区间均得到多个平面网格，叠加每个区间的平面网格得到一个空间立方体网格，采用四维数值拟合构造超曲面，给定任意比转速和开度即可得到相应比转速的变换后的特性曲线；步骤3：根据特征交线方程将插值所得特性曲线逆变换为原始的特性曲线。

【技术特征摘要】
1.一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：收集水泵水轮机全特性曲线，提取所收集的全特性曲线中的特征交线，所述的特征交线为全特性曲线与坐标轴交点的连线，采用根据水泵水轮机的基本理论和特征交线自身的变化规律推导得出的数值拟合模型拟合特征交线，构造任意比转速的特征交线方程；步骤2：对于收集的所有水泵水轮机全特性曲线进行变换，所述的变换方法为采用多区间的数学变换方法，根据全特性曲线所在的坐标平面象限及曲线拐点将全特性曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾威，杨建东，程永光，刘艳娜，杨桀彬，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42