本發(fā)明涉及水輪機(jī)，特別涉及一種混流式水輪機(jī)基本參數(shù)估算的方法。

背景技術(shù)：

水輪機(jī)是指水電站中將水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能，使轉(zhuǎn)輪和主軸克服各種阻力而連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的機(jī)器，被稱為水電站的“心臟”，其參數(shù)的合理選擇對(duì)水電工程的初期投資和投運(yùn)后電廠經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮具有非常重要的作用，是水電工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機(jī)能量特性、空化特性、運(yùn)行穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的綜合性指標(biāo)。提高比轉(zhuǎn)速對(duì)提高水輪機(jī)能量特性、降低機(jī)組造價(jià)及廠房土建投資具有重要意義；但比轉(zhuǎn)速的提高又受到水輪機(jī)強(qiáng)度、空化性能、泥沙磨損及運(yùn)行穩(wěn)定性等因素的制約。因此，如何合理地確定比轉(zhuǎn)速ns是水電工程設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。由計(jì)算公式知，由于效率η的變化范圍(混流式水輪機(jī)一般為90％～95％)有限，只有當(dāng)單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量q11合理匹配時(shí)，才能得到最合適的比轉(zhuǎn)速ns值和水輪機(jī)綜合性能。

目前與本發(fā)明最接近的解決上述問(wèn)題實(shí)現(xiàn)方案是：為了求得水輪機(jī)基本參數(shù)--比轉(zhuǎn)速ns、單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量q11，通常有兩種方法。方法一：若設(shè)計(jì)的水電工程中，水輪機(jī)水頭、出力等參數(shù)與已設(shè)計(jì)制造的水輪機(jī)參數(shù)相同或接近，則利用該模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)和綜合特性曲線估算水輪機(jī)基本參數(shù)。由于該方法是基于某一已有的模型轉(zhuǎn)輪資料，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，一般很難對(duì)轉(zhuǎn)輪特性做全面、深入的試驗(yàn)研究，因而計(jì)算出的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns、單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量q11一般難以滿足新的水電工程要求；特別是大、中型或有特殊要求的水電工程，通常要求依據(jù)工程的具體條件和運(yùn)行要求，運(yùn)用cfd等新技術(shù)開(kāi)發(fā)研制新轉(zhuǎn)輪。方法二：當(dāng)沒(méi)有合適的模型轉(zhuǎn)輪資料時(shí)，則按統(tǒng)計(jì)公式估算水輪機(jī)基本參數(shù)。由于該方法是按統(tǒng)計(jì)公式估算水輪機(jī)基本參數(shù)，目前這種統(tǒng)計(jì)公式較多，由于各統(tǒng)計(jì)公式所依據(jù)的水輪機(jī)參數(shù)樣本數(shù)據(jù)是上世紀(jì)七、八十年代之前的或是某一水頭段的或是某一出力范圍的，存在一定的局限性，同一水電工程用不同的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的結(jié)果不同，有些甚至相差較大，無(wú)法正確選取。因此方法一、二均無(wú)法滿足水電工程對(duì)新技術(shù)、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等不斷發(fā)展的要求，計(jì)算出的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns、單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量q11一般亦難以滿足新的水電工程要求。

近年來(lái)，中國(guó)的水電發(fā)展取得了舉世矚目的成就，為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)揮著重要作用，已成為引領(lǐng)和推動(dòng)世界水電發(fā)展的巨大力量和繼中國(guó)高鐵之后又一享譽(yù)全球的中國(guó)形象。截止2014年底，中國(guó)水電總裝機(jī)容量已突破3億千瓦，約占全球水電裝機(jī)總量的四分之一，預(yù)計(jì)2050年全球水電裝機(jī)達(dá)到20.5億千瓦。為了充分利用已有成果，以“一路一帶”走出去發(fā)展戰(zhàn)略為契機(jī)，為后續(xù)國(guó)內(nèi)、外水電工程建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐，本發(fā)明在收集、整理國(guó)內(nèi)、外近30年來(lái)大量的運(yùn)行良好的混流式水輪發(fā)電機(jī)組資料的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法原理，用大量的水輪機(jī)參數(shù)做樣本數(shù)據(jù)，試圖回歸統(tǒng)計(jì)得到新的水輪機(jī)基本參數(shù)估算公式，得出合理的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns、單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量q11估算值，以滿足新的水電工程要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種混流式水輪機(jī)基本參數(shù)估算的方法，對(duì)混流式水輪機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行估算。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種混流式水輪機(jī)基本參數(shù)估算的方法，包括以下步驟：

a.確定待估算混流式水輪機(jī)的額定水頭，所述額定水頭記為hr；

b.確定待估算混流式水輪機(jī)的最大應(yīng)用水頭，所述最大應(yīng)用水頭記為hmax，并判斷hmax所處的范圍；本發(fā)明中hmax可能所處的范圍共有hmax≤100m、100m＜hmax≤200m、200m＜hmax≤300m、hmax＞300m四組；

c.根據(jù)hmax對(duì)應(yīng)范圍的比轉(zhuǎn)速估算公式估算比轉(zhuǎn)速，所述比轉(zhuǎn)速記為ns，比轉(zhuǎn)速估算公式為：

當(dāng)hmax≤100m時(shí)，

當(dāng)100m＜hmax≤200m時(shí)，ns＝2191.5hr^-0.5007(4)；

當(dāng)200m＜hmax≤300m時(shí)，

當(dāng)hmax＞300m時(shí)，ns＝3609.2hr^-0.6189(10)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還包括步驟d.根據(jù)hmax對(duì)應(yīng)范圍的單位轉(zhuǎn)速估算公式和步驟c所得的ns估算單位轉(zhuǎn)速，所述單位轉(zhuǎn)速記為n11，所述范圍的比轉(zhuǎn)速估算公式為：

當(dāng)hmax≤100m時(shí)，

當(dāng)100m＜hmax≤200m時(shí)，

當(dāng)200m＜hmax≤300m時(shí)，n11＝1.2874ns^0.7878(8)；

當(dāng)hmax＞300m時(shí)，n11＝37.207ns^0.1186(11)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還包括步驟e.根據(jù)hmax對(duì)應(yīng)范圍的單位流量估算公式和步驟c所得的ns估算單位流量，所述單位流量記為q11，所述范圍的比轉(zhuǎn)速估算公式為：

當(dāng)hmax≤100m時(shí)，

當(dāng)100m＜hmax≤200m時(shí)，q11＝1.0642ln(ns)-4.7812(6)；

當(dāng)200m＜hmax≤300m時(shí)，q11＝0.7821ln(ns)-3.3718(9)；

當(dāng)hmax＞300m時(shí)，q11＝0.3652ln(ns)-1.4009(12)。

需要說(shuō)明的是：在計(jì)算單位轉(zhuǎn)速和單位流量時(shí)，水輪機(jī)的ns取值與估算公式(1)、(4)、(7)、(10)求解的值有時(shí)可以有一點(diǎn)差異，因?yàn)閚s取值通常是取有利于計(jì)算后續(xù)其他參數(shù)的數(shù)值如發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速等，例如按估算公式的估算值計(jì)算的發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為99r/min，則發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速必須取為發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)推薦的100r/min，ns取值則需要做相應(yīng)修正；當(dāng)然，有時(shí)根據(jù)需要，ns取值也就是估算公式(1)、(4)、(7)、(10)求解的值，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要自行選擇。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)收集、整理近30年國(guó)內(nèi)、外大量的運(yùn)行良好的混流式水輪發(fā)電機(jī)組資料，按水輪機(jī)最大應(yīng)用水頭hmax，將資料分成hmax≤100m、100m＜hmax≤200m、200m＜hmax≤300m、hmax＞300m四組，以對(duì)應(yīng)不同的水頭范圍混流式水輪機(jī)具有的不同性能特性。利用最小二乘法，用大量的水輪機(jī)參數(shù)做樣本數(shù)據(jù)，回歸統(tǒng)計(jì)得到混流式水輪機(jī)在四個(gè)水頭段的基本參數(shù)--比轉(zhuǎn)速ns(m·kw)、單位轉(zhuǎn)速n11(r/min)和單位流量q11(m³/s)的估算公式，在前期做了大量計(jì)算、推導(dǎo)工作之后，為大中型或有特殊要求的混流式水輪機(jī)創(chuàng)造性地總結(jié)出一個(gè)更為合理的基本參數(shù)估算方法，更好地滿足了新的水電工程要求，為后續(xù)國(guó)內(nèi)、外水電工程建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。并且，不管有無(wú)相同或者相近的水輪機(jī)模型，本發(fā)明都適用。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

目前普遍采用的混流式水輪機(jī)基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)公式，主要有①②③n11＝50+0.11ns，④⑤q11＝0.1134(ns/(50+0.11ns))²，⑥下面將本發(fā)明公式(1)～(12)和常用的統(tǒng)計(jì)公式①～⑥應(yīng)用到樣本數(shù)據(jù)中，得到各公式計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值的誤差，表1～表5為其中幾組樣本數(shù)據(jù)及其計(jì)算誤差的對(duì)比。

表1幾組樣本數(shù)據(jù)(水輪機(jī)真實(shí)參數(shù))

表2本發(fā)明公式與目前普遍采用的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算誤差對(duì)比(hmax≤100m)

表3本發(fā)明公式與目前普遍采用的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算誤差對(duì)比(100m＜hmax≤200m)

表4本發(fā)明公式與目前普遍采用的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算誤差對(duì)比(200m＜hmax≤300m)

表5本發(fā)明公式與目前普遍采用的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算誤差對(duì)比(hmax＞300m)

表2～表5計(jì)算結(jié)果表明，公式(1)～(12)得到的誤差的平方和在各水頭中均為最小，即為最優(yōu)，可更好地應(yīng)用于新的水電工程中混流式水輪機(jī)基本參數(shù)的選擇。

以上描述了本發(fā)明的基本原理和主要的特征，說(shuō)明書(shū)的描述只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。