軸流式水輪機基本參數計算方法與流程
2023-05-27 13:17:26
本發明涉及水電站水輪機，特別涉及軸流式水輪機基本參數計算方法。
背景技術：
水輪機是指水電站中將水流的機械能轉化成轉輪的機械能，使轉輪和主軸克服各種阻力而連續運轉起來的機器，被稱為水電站的「心臟」，其參數的合理選擇對水電工程的初期投資和投運後電廠經濟效益的發揮具有非常重要的作用，是水電工程設計的重要內容。
水輪機比轉速ns是衡量水輪機能量特性、空化特性、運行穩定性以及經濟性和先進性的綜合性指標。提高比轉速對提高水輪機能量特性、降低機組造價及廠房土建投資具有重要意義；但比轉速的提高又受到水輪機強度、空化性能、泥沙磨損及運行穩定性等因素的制約。因此，如何合理地確定比轉速ns是水電工程設計中非常重要的內容。由計算公式知，由於效率η的變化範圍有限，一般為88％～93％，只有當單位轉速n11和單位流量q11合理匹配時，才能得到最合適的比轉速ns值和水輪機綜合性能。
目前與本發明最接近的解決上述問題實現方案是：為了求取水輪機基本參數--比轉速ns、單位轉速n11和單位流量q11，通常有兩種方法。方法一：若設計的水電工程中，水輪機水頭、出力等參數與已設計製造的水輪機參數相同或接近，則利用已有模型轉輪參數和綜合特性曲線估算水輪機基本參數。由於該方法是基於某一已有的模型轉輪資料，受當時技術條件的限制，一般很難對轉輪特性做全面、深入的試驗研究，因而估算出的水輪機比轉速ns、單位轉速n11和單位流量q11一般難以滿足新的水電工程要求；特別是中型或有特殊要求的水電工程，通常要求依據工程的具體條件和運行要求，運用cfd等新技術開發研製新轉輪。方法二：當沒有合適的模型轉輪資料時，則按統計公式估算水輪機基本參數。由於該方法是按統計公式估算水輪機基本參數，目前這種統計公式較多，由於各統計公式所依據的水輪機參數樣本數據是上世紀七、八十年代之前的或是某一水頭段的或是某一出力範圍的，存在一定的局限性，同一水電工程用不同的統計公式估算的結果不同，有些甚至相差較大，無法正確選取。因此方法一、二均無法滿足水電工程對新技術、新材料、新工藝、新結構等不斷發展的要求，估算出的水輪機比轉速ns、單位轉速n11和單位流量q11一般亦難以滿足新的水電工程要求。
本發明在收集、整理國內、外近30年來大量的運行良好的軸流式水輪發電機組資料的基礎上，利用最小二乘法原理，用大量的水輪機參數做樣本數據，試圖回歸統計得到新的軸流式水輪機基本參數計算公式，得出合理的水輪機比轉速ns、單位轉速n11和單位流量q11計算值，以滿足新的水電工程要求。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種軸流式水輪機基本參數計算方法，對軸流式水輪機基本參數進行計算。
為解決上述問題，本發明採用的技術方案是：軸流式水輪機基本參數計算方法，包括以下步驟：
a.確定待計算軸流式水輪機的額定水頭，所述額定水頭記為hr；
b.根據比轉速計算公式計算比轉速，所述比轉速記為ns，所述比轉速計算公式為：
進一步的，本發明還包括步驟c.根據單位轉速計算公式和步驟b所得的ns計算單位轉速，所述單位轉速記為n11，所述單位轉速計算公式為：
進一步的，還包括步驟d.根據單位流量計算公式和步驟b所得的ns計算單位流量，所述單位流量記為q11，所述單位流量計算公式為：q11＝1.676ln(ns)-8.8607(3)。
需要說明的是：在計算單位轉速和單位流量時，水輪機的ns取值與計算公式(1)求解的值有時可以有一點差異，因為ns取值通常是取有利於計算後續其他參數的數值如發電機同步轉速等，例如按計算公式的計算值計算的發電機同步轉速為99r/min，則發電機同步轉速必須取為發電機標準推薦的100r/min，ns取值則需要做相應修正；當然，有時根據需要，ns取值也就是計算公式(1)求解的值，因此本領域技術人員可以根據需要自行選擇。
本發明的有益效果是：本發明通過收集、整理近30年國內、外大量的運行良好的軸流式水輪發電機組資料，利用最小二乘法，用大量的水輪機參數做樣本數據，回歸統計得到軸流式水輪機的基本參數--比轉速ns(m·kw)、單位轉速n11(r/min)和單位流量q11(m3/s)的計算公式，在前期做了大量計算、推導工作之後，為軸流式水輪機創造性地總結出一個更為合理的基本參數計算方法，更好地滿足了新的水電工程要求，為後續國內、外水電工程建設提供了有力的技術支撐。並且，不管有無相同或者相近的水輪機模型，本發明都適用。
具體實施方式
下面通過實施例子對本發明做進一步說明。
目前普遍採用的軸流式水輪機基本參數統計公式，主要有③n11＝0.1ns+85.0，④n11＝0.1196ns+76.274，⑤q11＝2.94×10-3ns+0.2，下面將本發明公式(1)～(3)和常用的統計公式①～⑥應用到樣本數據中，得到各公式計算結果與真實值的誤差，表1～表2為其中幾組樣本數據及其計算誤差的對比。
表1幾組樣本數據(水輪機真實參數)
表2新計算公式與目前普遍採用的統計估算公式計算誤差對比
表2計算結果表明，公式(1)～(3)得到的誤差的平方和均為最小，即為最優，可更好地應用於新的水電工程軸流式水輪機基本參數的選擇。
以上描述了本發明的基本原理和主要特徵，說明書的描述只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。