一种基于分流叶片优化的水泵水轮机驼峰特性抑制方法与流程

本发明涉及抽水蓄能机组设计，具体涉及一种基于分流叶片优化的水泵水轮机驼峰特性抑制方法。

背景技术：

1、抽水蓄能电站具有调峰、调频、事故备用以及促进新能源消纳等功能。水泵水轮机作为抽水蓄能机组的核心能量转换设备，需要兼顾水泵工况和水轮机工况。随着机组向高水头、大容量以及宽工况运行方向发展，非设计工况下的稳定性问题更加突出。

2、在泵工况小流量区域，水泵水轮机的流量-扬程特性曲线可能出现局部非单调变化，形成驼峰特性。驼峰区内部流动具有显著的非定常性，转轮叶道、无叶区、导叶及尾水管之间的流动匹配关系发生变化，容易出现流动分离、回流、旋涡、旋转失稳及压力脉动等现象，进而造成运行点波动、振动和噪声增大。

3、现有技术已经从不同过流部件对驼峰特性进行控制。发明专利cn114576065b公开了一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，通过改变主叶片高压边的轴面投影、圆柱面投影以及叶片安放角分布，扩大主叶片几何设计空间，以改善水泵工况驼峰特性和水轮机工况s特性。该方案主要从原始主叶片几何形态入手，但主叶片承担主要能量转换功能，其几何参数同时受到效率、空化及机械强度等因素约束，对于转轮叶道内部流量分配和局部流道尺度的直接调节能力仍受到限制。

4、发明专利cn115199455a公开了一种抑制水泵水轮机驼峰特性的带槽尾水管及其使用方法，通过在尾水管锥管内壁设置环形分布的内槽，使水流形成射流以破坏或抑制预旋，从而改善尾水管流态并降低驼峰不稳定性。该方案主要作用于尾水管区域，能够针对预旋进行控制，但并未直接改变转轮相邻叶片之间的流道结构。当驼峰区不稳定流动同时涉及转轮叶道内的速度梯度、流动分离、尾迹及转静干涉时，仅从尾水管区域实施局部控制，仍难以对转轮内部流动进行直接调节。

5、分流叶片能够在相邻主叶片之间重新分割流道，改变流道宽度、叶片稠密度、载荷分配及出口尾迹，因此具有改善转轮内部流动的潜力。然而，分流叶片的作用并非随数量增加或长度增加而单调增强。分流叶片数量过少时，流道分割及整流作用不足；数量过多时，过流面积减小并增加摩擦损失。分流叶片长度不足时，对主流的导向和约束能力有限；长度过大又可能改变叶道阻塞程度和负荷分配。由此可见，分流叶片数量与长度之间存在相互制约的耦合关系，不能将二者作为彼此独立的参数简单择优。

6、现有技术的另一不足在于，常规结构优化往往以设计工况效率、扬程或单一流场指标作为主要评价依据，而驼峰特性本质上是外特性与内部非定常流动共同作用的结果。某一方案在设计流量附近获得较高效率，并不必然意味着其在驼峰区能够同步降低旋涡、回流及压力脉动。因此，仍需要一种能够先识别分流叶片数量-长度比例的高效耦合窗口，再在该窗口内以驼峰区外特性、内部流场和压力脉动进行二次筛选的系统方法。

7、因此，本领域需要解决的技术问题在于：如何建立分流叶片数量与长度比例之间的耦合匹配关系，避免数量或长度单因素优化造成的局部最优；如何从较大的参数空间中识别具有较好能量性能的候选窗口；以及如何进一步结合驼峰区流量、扬程特性、内部流动结构和压力脉动特征，从候选窗口中确定真正适用于泵工况驼峰抑制的目标配置。

技术实现思路

1、针对上述现有技术不足，本发明提供一种基于分流叶片数量-长度比例耦合优化的水泵水轮机驼峰特性抑制方法。该方法不以单一的分流叶片数量或长度作为独立优化对象，而是建立数量配比与长度比例的二维参数组合，通过宽范围扫描识别其非单调响应规律和候选高效区间，再对候选区间进行局部精细化搜索，并进一步结合驼峰区外特性、内部流场和压力脉动进行稳定性筛选，从而获得兼顾能量性能与驼峰区稳定性的目标分流叶片配置。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于分流叶片优化的水泵水轮机驼峰特性抑制方法，具体包括：

3、步骤s1，建立原型水泵水轮机转轮及完整过流系统模型。建立包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管在内的完整过流系统计算域，并以原型转轮为基准建立带分流叶片的转轮模型。所述分流叶片设置于相邻原始叶片之间，与原始叶片形成长短叶片组合流道。

4、步骤s2，定义分流叶片数量-长度比例耦合参数。以原始长叶片数量和分流短叶片数量构成数量配比，以长、短叶片骨线出口边对应直径的比值a作为长度比例参数。优选地，长叶片数量与分流短叶片数量相等，并依次建立4长4短、5长5短、6长6短、7长7短及8长8短的数量配比方案。

5、步骤s3，进行第一阶段宽范围参数扫描。在各数量配比下设置多个长度比例a，形成数量-长度比例二维参数矩阵；在统一水头、流量、转速、导叶开度及边界条件下进行数值计算，获得泵工况和水轮机工况的效率及其他水力性能参数。根据不同数量配比下效率随长度比例变化的规律，以及同一长度比例下效率随数量增加的规律，识别数量效应的单峰特性和长度效应的有效区间。

6、步骤s4，确定第一候选区间并进行第二阶段精细化筛选。根据第一阶段扫描结果，将长度比例较高且两种运行模式综合水力性能较好的区域确定为第一候选区间，并在该区间内缩小长度比例步长，重新组合不同数量配比进行精细化计算，从而获得数量-长度比例的优选耦合窗口。

7、步骤s5，进行驼峰区稳定性二次筛选。针对所述优选耦合窗口内的参数组合及原型转轮，在泵工况驼峰区多个典型流量点开展稳态及瞬态数值模拟，比较流量-扬程关系、效率、压力场、速度场、流线、湍动能及旋涡结构，并通过压力监测点的时域信号及快速傅里叶变换结果比较压力脉动主频、倍频及幅值。

8、步骤s6，确定目标驼峰抑制配置。在满足设计扬程及效率要求的基础上，以驼峰区范围减小、特性曲线异常斜率减弱、转轮及相邻区域流动分离和旋涡减弱、压力脉动幅值降低为筛选条件，从优选耦合窗口中确定目标分流叶片数量与长度比例，并据此获得用于抑制水泵水轮机泵工况驼峰特性的目标转轮结构。

9、其中，设长叶片骨线出口边对应直径为dl，分流短叶片骨线出口边对应直径为ds，则长度比例参数a表示为：

10、a = dl/ ds（1）；

11、在一个优选实施方式中，第一阶段宽范围扫描的长度比例a依次取9/10、8/10、3/4、13/20、11/20及1/2，与4长4短至8长8短的五种数量配比形成二维参数矩阵。计算结果表明，在长度比例一定时，随着叶片数量增加，效率总体呈先升后降或趋于饱和的非单调规律，说明数量增加存在上限；在数量配比一定时，较大的长度比例总体有利于泵工况效率提高。基于该规律，可将a不小于0.8的区域作为后续精细化筛选的重点区域。

12、在进一步的优选实施方式中，在a=0.80～0.96范围内设置40/50、42/50、43/50、44/50、45/50、46/50、47/50及48/50等长度比例，并与4长4短至8长8短的数量配比重新组合。精细化结果显示，泵工况下多数长度比例对应的效率随数量配比呈单峰分布，5长5短附近形成较明显的高效区；水轮机工况的最优数量配比可向6长6短附近偏移，表明两种运行模式对于数量-长度比例的最优要求并不完全一致。

13、综合两种运行模式的能量性能规律，a=45/50～48/50并配合5长5短数量配比可作为以泵工况为主要参考时的优选候选耦合窗口。该候选窗口用于缩小后续驼峰区稳定性评价的搜索范围，而目标驼峰抑制配置还需进一步依据流量-扬程特性、内部流场及压力脉动结果确定，从而避免将单纯的最高效率方案直接等同于驼峰抑制最优方案。

14、相比现有技术，本发明的有益效果包括：

15、（1）本发明将分流叶片数量与长度比例作为相互耦合的二维参数进行优化，能够识别数量增加并非越多越好、长度增加也并非独立决定性能的非单调匹配规律，避免单因素优化导致的局部最优。

16、（2）本发明采用“宽范围扫描-候选区间识别-局部精细化-驼峰区二次筛选”的分级优化路线，可先利用能量性能快速排除明显不利的参数组合，再集中计算资源分析高价值参数区域，提高优化效率。

17、（3）本发明计算结果显示，当长度比例较高时，合理数量配比能够在流道分割、整流作用、过流面积及摩擦损失之间形成平衡；当数量过多时效率趋于饱和或下降，体现了数量-长度比例之间的耦合匹配关系，为目标转轮配置提供了可验证的参数依据。

18、（4）本发明不以最高效率作为唯一目标，而是在优选耦合窗口内进一步结合驼峰区流量-扬程特性、压力脉动和内部流场进行筛选，有利于避免出现效率提高但驼峰区非定常流动未同步改善的情况。

19、（5）本发明通过分流叶片重新分割转轮流道，可改善速度梯度、负荷分配和出口尾迹，减弱局部流动分离、二次流及大尺度旋涡，并通过稳定性二次评价选择压力脉动较低的配置，从而提高泵工况驼峰区运行稳定性。

20、（6）本发明形成的参数化优化方法可用于新建抽水蓄能机组的转轮设计，也可在保持蜗壳、导叶及尾水管基本不变的情况下用于既有机组转轮改造。