一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法与流程

本发明属于水力机械设计与制造，特别是涉及一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法。

背景技术：

1、水轮机是将水流的能量转换为机械能的核心动力设备，其运行效率与稳定性直接影响水电站的经济效益。在转桨式水轮机中，转轮叶片外缘与固定不动的转轮室内壁之间存在的环形间隙，称为叶顶间隙。在运行过程中，由于叶片工作面与背面的压力差，高压侧流体会通过此间隙泄漏至低压侧，形成叶顶泄漏流。该泄漏流不仅不做功，导致能量损失，还会与主流水流相互干扰，引发涡动、压力脉动，是造成水轮机效率下降、运行不稳定、空化空蚀乃至机组振动噪声加剧的关键原因之一。

2、为抑制叶顶泄漏流，通常在转轮室内壁对应叶片旋转轨迹的圆周上，设置一道凸起的环形密封结构，即裙边。其作用是在叶片端部与固定壁面之间形成一道近似的接触式或极小间隙的动密封，增加泄漏流道的流动阻力，从而显著减少泄漏流量。因此，裙边轴向长度的合理设计，成为平衡密封效果与摩擦损失、优化机组全工况性能的关键。

3、然而，目前行业内普遍采用的传统裙边设计方法存在根本性缺陷。该方法本质上是一种基于额定工况点的静态设计。设计时，通常仅以水轮机在额定水头、额定出力下的最优工况为单一设计输入，确定该固定叶片转角下叶顶间隙最小的位置，并据此设定裙边的轴向覆盖范围。这种设计思路隐含了一个理想化假设，即机组将长期稳定在额定工况点运行。

4、实际上，受河流天然来水流量季节性变化和电网负荷实时调节的双重影响，水轮机组的运行水头、负荷以及与之联动的叶片转角始终在一个较宽的范围内持续波动，形成了一个复杂的动态运行工况谱。例如，在丰水期大流量时，机组可能在高负荷、大转角下运行；而在枯水期或低负荷调峰时，则可能在低负荷、小转角下运行。传统静态设计方法与这种动态运行需求严重脱节，导致设计工况与真实运行工况错配，引发一系列性能与可靠性问题：

5、首先，在部分负荷工况下，若实际叶片转角小于设计转角，叶顶最小间隙点会向叶片进水边方向移动。此时，若裙边长度不足，其前端可能无法覆盖到该关键点，导致泄漏流在此处短路，密封失效，机组效率显著下降。以某轴流式水轮机为例，某轴流式水轮机在60%负荷工况下，裙边长度较最优值缩短15%时，叶顶泄漏流量增加了约22%，效率下降约1.8个百分点，叶片背面低压区扩大约30%。反之，若实际叶片转角大于设计转角，关键点向出水边移动，裙边后端覆盖不足，同样会导致泄漏控制失效。

6、其次，若为避免上述问题而将裙边设计得过长，以期覆盖更宽的转角范围，则会带来新的负面影响。过长的裙边会不必要地增加与水流之间的摩擦面积，在非关键区域产生持续的摩擦损失。更为严重的是，在大流量、大转角下，过长的裙边可能破坏转轮室壁面的流线型，引发流动分离和剧烈的涡旋，反而恶化水力性能。交底材料指出，当裙边长度较最优值延长12%时，在80%负荷工况下引发了流动分离，导致小流量工况效率下降高达4.1个百分点。研究表明，裙边长度不当导致的等效间隙增大，其造成的效率损失与间隙真实增大相当甚至更为严重。

7、此外，裙边长度与运行工况不匹配所导致的叶顶泄漏流不稳定，还会直接诱发机组运行振动加剧、噪声增大，并可能促进空化空蚀的发生，这些都会加速设备关键部件的疲劳与损坏，显著缩短大修周期，增加电站的维护成本和发电损失。

8、现有技术的根本缺陷在于其设计理念的局限性：它将水轮机视为在固定工况下运行的理想设备，完全忽视了叶片转角随外界条件动态变化这一基本事实。更重要的是，该方法也无法考虑机组在全生命周期内，各个不同运行工况所占据的时间权重或能量权重分布。水轮机在实际运行中，某些工况如最优效率区附近可能占据了绝大部分的运行时间和发电量，而极端工况出现概率极低。传统方法对所有工况一视同仁或仅关注额定单一点，无法使裙边长度精准匹配对全局性能影响最大的核心运行区间，从而难以实现全生命周期综合性能的最优化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法，以解决现有技术将水轮机视为在固定工况下运行的理想设备，完全忽视了叶片转角随外界条件动态变化这一基本事实的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法，所述方法包括：

3、步骤s1，运行数据采集与统计分析：采集目标水轮机在特定周期内的历史运行数据，对所述历史运行数据中的叶片转角进行统计分析，确定高权重叶片转角区间；

4、步骤s2，关键位置区间确定：针对所述高权重叶片转角区间内的叶片转角，确定对应的叶片外缘与转轮室内壁之间最小间隙点在轴向的投影位置，得到密封关键点的轴向位置变化范围，记为轴向覆盖区间；

5、步骤s3，轴向长度确定：根据所述轴向覆盖区间，确定裙边在轴向上的前端位置l1和后端位置l2。

6、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s1包括：

7、从水电站监控系统中导出包含水头、负荷、叶片转角在内的历史运行数据；

8、统计叶片转角在不同角度区间的运行时间占比和/或发电量占比；

9、基于所述运行时间占比和/或发电量占比，设定权重阈值，采用峰值领域累积法确定包含额定工况叶片转角，且累计占比达到所述权重阈值的最小连续角度区间，作为所述高权重叶片转角区间。

10、进一步的，还提出一种优选方式，所述采用峰值领域累积法确定所述高权重叶片转角，包括：

11、计算各叶片转角区间的综合贡献率，所述综合贡献率为运行时间占比与发电量占比的平均值；

12、将综合贡献率最大的区间确定为峰值区间；

13、以所述峰值区间为中心，依次向左右两侧纳入相邻区间，直至新形成的连续区间满足：累计运行时间占比和累计发电量占比均不低于所述权重阈值，且包含额定工况叶片转角。

14、进一步的，还提出一种优选方式，若所述额定工况叶片转角不位于初步确定的所述峰值区间内，则向包含所述额定工况叶片转角的一侧持续扩展所述连续区间，直至所述连续区间包含所述额定工况叶片转角。

15、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s2中，得到密封关键点的轴向位置变化范围的具体方式为：

16、建立包含转轮室和叶片的三维几何模型；

17、控制所述叶片在所述高权重叶片转角区间内连续转动，通过运动仿真，测量并记录不同叶片转角下，叶片外缘与转轮室内壁之间最小间隙点在轴向上的投影位置；

18、将所述高权重叶片转角区间的下限转角和上限转角对应的轴向投影位置，分别作为所述轴向覆盖区间的起点和终点。

19、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s2进一步包括建立叶片转角θ与密封关键点轴向位置的几何关系模型，所述模型表示为：

20、

21、其中，为叶片弦长；为高权重转角区间的下限；为高权重转角区间的上限。

22、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s3中，确定裙边前端位置l1和后端位置l2包括：

23、将所述轴向覆盖区间的起点位置作为裙边前端理论位置l1理论，将所述轴向覆盖区间的终点位置作为裙边后端理论位置l2理论；

24、在所述l1理论和l2理论的基础上，分别向前端方向和后端方向增加安全余量δs，得到最终的l1和l2，即l1=l1理论-δs，l2=l2理论+δs。

25、进一步的，还提出一种优选方式，所述安全余量δs的取值基于叶片与裙边的加工公差、转轮室与叶片的装配间隙偏差、以及运行中水力载荷引起的弹性变形中的至少一种因素确定。

26、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据上述任一项中所述的一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法。

27、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述中任一项所述的一种基于运行工况统计分析的水轮机裙边轴向长度设计方法的步骤。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、本发明承认水轮机运行工况的动态性与随机性，摒弃选取单一工况点的做法。通过对历史运行数据进行基于运行时间或发电贡献度的统计分析，识别出对全生命周期性能影响最大的高权重叶片转角区间。这一步骤的本质，是将连续、波动的运行数据流，提炼为离散、关键的设计输入区间，确保了设计目标与真实运行需求的统计学对齐。其次，建立叶片转动运动学模型与转轮室固定几何之间的精确关系。针对上述确定的高权重转角区间，通过几何分析或运动仿真，找出该区间内所有转角下，叶片外缘与转轮室内壁之间密封关键点的轴向位置。这些离散的关键点位置共同构成了一个连续的轴向覆盖区间。这一步骤完成了从运行参数空间到轴向位置空间的关键映射，为结构设计提供了直接的几何约束。最后，将上述映射得到的理论轴向覆盖区间，作为裙边长度设计的核心依据。为确保在实际制造、安装及运行变形等不确定因素下，裙边仍能在核心运行区间内可靠发挥密封功能，在理论区间的边界上增加基于工程经验的安全余量，从而最终确定裙边前端和后端的轴向位置，以解决动态运行需求与静态结构设计之间长期存在的匹配失准问题。

30、由于裙边轴向长度是专门为覆盖机组实际高权重运行区间内的所有密封关键点而设计，因此在机组最主要的运行时段内，裙边能够始终对准并有效封堵叶顶间隙最狭窄、泄漏风险最高的关键部位。这从根本上避免了传统方法在非额定工况下因覆盖不足导致的泄漏短路，或因过度覆盖导致的流动干涉，实现了对叶顶泄漏流的精准、自适应抑制。

31、本发明提出的方法对叶顶泄漏流的有效控制直接转化为水力效率的提升。在主要运行区间内，泄漏损失被最小化；同时，避免了因裙边过长在非关键区域引入的不必要摩擦损失及流动分离损失。如交底材料实例所示，该方法能有效防止因长度不当导致的效率下降，使得机组在其真实的、多样化的运行工况下，均能保持接近最优的效率水平，从而显著提高加权平均效率。

32、本发明提出的方法稳定、受控的叶顶间隙流场，能大幅减轻因泄漏流不稳定所引起的压力脉动、涡动及空化现象。这将直接导致机组振动水平和噪声水平的降低，为空化性能的改善创造了有利条件。运行环境的改善，有效延缓了转轮、转轮室等关键部件因空蚀和疲劳所导致的损伤，从而延长设备的大修周期和使用寿命。

33、上述技术效果的叠加，最终体现在显著的经济效益上。效率的持续提升直接增加了发电收益；振动和空化的减轻降低了维护频率和成本；设备可靠性的提高保障了电站可用率。本发明通过一种前期优化的设计方法，实现了对水轮机全生命周期内发电收益与维护成本这两个关键经济指标的协同优化，提升了电站的整体经济效益。