[发明专利]一种水泵水轮机全特性曲线的构造方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，峰谷差异愈发明显，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发明显。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。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明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。

本发明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发明中新提出的，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，本发明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，本发明存在以下优点和有益效果：

1.本发明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.本发明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.本发明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