一种高水头转轮叶片自动修型方法

1.本发明涉及一种自动化技术领域，尤其是涉及一种高水头转轮叶片自动修型方法。


背景技术：

2.多路搜索树(b-tree)是一种常见的数据结构，使用b-tree结构可以显著减少定位记录时所经历的中间过程，从而加快存取速度。这个数据结构一般用于数据库的索引，综合效率较高。使用b-tree进行数据搜索的基本过程是首先建立待搜索对象数据库，在数据库表格中对不同的数据按照类型分列，并明确所有列数据的重要性先后顺序。对每一个数据列，按照统计学方法按照数据值进行分类，有多少种数据值就分为多少类，作为搜索树对应的节点数。
3.水轮机转轮是水轮机四大重要过流部件之一，是水轮机做功的重要部件，我国水轮机设计技术已经得到了良好的发展，目前已形成了许多标准化的转轮型号。水轮机转轮的选型计算是水轮机设计过程中非常重要的一个环节，在此过程中设计者通常需要考虑水电站的水头、水库容量、经济效益等条件。设计人员对转轮进行选型的时候要参考许多参数，不同的参数有不同的重要意义，在进行转轮选型时选择哪些参数作为参考参数是选型过程的主要依据。在转轮的所有参数中，为了满足转轮的正常运行工况，所选则的水头范围必须包含实际情况中的水头范围；最大允许吸出高度是保证机组运行过程中不发生汽蚀的依据；最优单位转速和最优单位流量是选择比较符合的转轮型号的参考依据；在以上几个参数满足的条件下，较小的转轮直径可以使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价；满足以上几个参数条件的情况下较高的效率同等流量条件下可以产生更多的电量。
4.在传统的设计计算中，设计者需要根据已知条件按照计算流程计算出必须的选型参数，然后根据计算参数通过人工的方式对已有的转轮型号进行逐一对比选择满足计算参数条件的转轮型号。这种人为选择对比的方式效率较低，较低了水轮机设计过程的效率，在数字化设计的今天适用范围越来越低，特别是当可供选择的水轮机转轮型号较多的时候，这种人为对比选择的方式无疑使得计算过程更加冗长。
5.现有的转轮自动选型方案中，大多是通过自动判断满足水头条件的转轮型号值后人工进行对比和选择最合适的水头，这种方式对于转轮型号数目较为庞大的设计过程来说效率过低，在数字化设计的今天适用范围越来越低。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服现有的转轮自动选型方案中，大多是通过自动判断满足水头条件的转轮型号值后人工进行对比和选择最合适的水头，对于转轮型号数目较为庞大的设计过程来说效率过低的问题，提供一种高水头转轮叶片自动修型方法，实现转轮选型过程的准确性和高效性，选择最小水头、最大水头、最大允许吸出高度、最优单位转速、最优单位流
量、转轮直径和转轮效率作为选型的参考参数，以b-tree数据结构形式构建转轮型号搜索树可以正确、快速地判断转轮的参考参数是否符合计算条件，最终实现转轮的快速自动选型。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种高水头转轮叶片自动修型方法，包括以下步骤：
9.s1：根据已有转轮型号建立模型转轮数据库；
10.s2：以b-tree数据结构形式建立转轮型号搜索树模型；
11.s3：经过水电站数据分析和转轮计算得到s1数据库所包括的信息，通过转轮型号搜索树模型在数据库中进行转轮的选型。
12.进一步地，所述s1中的数据库包括以下信息：转轮型号、最小水头、最大水头、最大允许吸出高度、最优单位转速、最优单位流量、转轮直径和转轮效率。
13.进一步地，所述s2的具体步骤为：
14.s21：建立水头节点，节点的数目由数据库中的最小水头和最大水头决定；每个型号的转轮都有允许的最小水头h
min
和最大水头h
max
，每一个水头节点是一个范围，每一种转轮型号的最小水头和最大水头组成一个水头范围，把水头范围相同的转轮型号合在一个水头节点里面，再根据水头节点里面的转轮最大允许吸出高度值分支得到下一级的节点。
15.s22：建立最大允许吸出高度的节点，为水头节点的子节点，节点的数目由水头节点的数目和数据库中的最大允许吸出高度决定；
16.每一个转轮型号都有一个特定的最大允许吸出高度值，在水头范围相同的转轮型号里面，再把最大允许吸出高度值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最大允许吸出高度值节点。
17.计算公式如下：
18.立式机组：
19.式中，hs为海拔高程、为正常下游尾水位、k为安装系数、σ为水轮机汽蚀系数、hr为额定水头以及bo为导叶相对高度；
20.卧式机组：
21.等式右边从左到右的参数依次为：hs为海拔高程、为正常下游尾水位、k为安装系数、σ为水轮机汽蚀系数、hr为额定水头以及d1为转轮直径；
22.s23：建立最优单位转速的节点，为最大允许吸出高度值节点的子节点，节点的数目由最大允许吸出高度值节点的数目和数据库中的最优单位转速决定；每一个转轮型号都有一个特定的最优单位转速值，在最大允许吸出高度值相同的转轮型号里面，再把最优单位转速值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最优单位转速值节点，最优单位转速计算公式：
[0023][0024]
式中，n为最优单位转速、n
11
为转轮模型单位转速、hr额定水头和d1转轮直径；
[0025]
s24：建立最优单位流量节点，为最优单位转速节点的子节点，节点的数目由最优单位转速节点的数目和数据库中的最优单位流量决定；每一个转轮型号都有一个特定的最优单位流量值，在最优单位转速值相同的转轮型号里面，再把最优单位流量值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最优单位流量值节点，最优单位流量计算公式：
[0026][0027]
式中，q为最优单位流量，q
11
为额定工况单位流量、d1为转轮直径以及hr为额定水头；
[0028]
s25：建立转轮直径节点，为最优单位流量节点的子节点，节点的数目由最优单位流量节点的数目和数据库中的转轮直径决定；每一个转轮型号都有一个转轮直径d1限定值，实际设计的时候转轮直径不得小于该值，并且考虑到整机重量不宜太大，设计时的转轮直径值应该不要超过改值太多，在最优单位流量值相同的转轮型号里面，再把转轮直径值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成转轮直径节点，转轮直径d1的计算公式为：
[0029][0030]
式中，pr为水轮机额定功率、q
11
为额定工况单位流量、hr为水电站额定水头以及η为转轮效率。
[0031]
s26：建立转轮效率节点，为转轮直径节点的子节点，节点的数目由转轮直径节点的数目和数据库中的转轮效率决定；每一个转轮型号都有一个得到的效率值，在其他条件都满足的条件下选择效率值更高的转轮型号，计算公式为：
[0032]
η＝η1 δη
[0033]
式中，η为转轮效率，η1为转轮模型效率、δη为效率修正值；
[0034]
s27：在转轮效率节点下显示出经过上述步骤筛选后满足要求的所有转轮型号。
[0035]
进一步地，所述s3的具体步骤为：
[0036]
s31：以水头节点区间能否完全覆盖最大水头和最小水头为依据判断符合的水头节点，判断好之后往该节点的下一级子节点方向判断最大允许吸出高度节点；
[0037]
s32：以最大允许吸出高度是否小于节点处的最大允许吸出高出值为依据选择最大允许吸出高度节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0038]
s33：以最优单位转速节点处的值是否在单位转速值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0039]
s34：以最优单位流量节点处的值是否在单位流量值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0040]
s35：以转轮直径节点处的值是否在转轮直径值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级
是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0041]
s36：以效率节点处的值是否大于计算效率值为最后的依据选择适合的转轮型号，输出的转轮型号可以有多个，供设计人员参考其他参数选择最优转轮。
[0042]
因此，本发明具有如下有益效果：
[0043]
(1)选择最小水头、最大水头、最大允许吸出高度、最优单位转速、最优单位流量、转轮直径和转轮效率作为选型的参考参数，在以上几个参数满足的条件下，较小的转轮直径可以使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价；
[0044]
(2)以b-tree数据结构形式构建转轮型号搜索树实现转轮的快速自动选型；
[0045]
(3)实现转轮选型过程的准确性和高效性。
附图说明
[0046]
图1是本发明的转轮型号搜索树模型原理图。
[0047]
图2是本发明的转轮选型流程图，图中：1为水头节点，2为最大允许吸出高度节点，3为最优单位转速节点，4为最优单位流量节点，5为转轮直径节点，6为转轮效率节点，7为转轮型号。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
[0049]
如图1-图2所示的实施例中一种高水头转轮叶片自动修型方法，包括以下步骤：
[0050]
s1：根据已有转轮型号建立模型转轮数据库，包括以下信息：转轮型号、最小水头、最大水头、最大允许吸出高度、最优单位转速、最优单位流量、转轮直径和转轮效率，最终数据库的结构如表1所示：
[0051]
表1
[0052][0053]
其中：第1列为转轮型号，每一种转轮有独一无二的转轮型号名称；第2列为转轮运行工况中允许的最小水头值，单位为m；第3列为转轮运行工况中允许的最大水头值，单位为m；第4列为转轮的最大允许吸出高度，单位为m；第5列为转轮最优单位转速，单位为r/min；第6列为转轮最优单位流量，单位为m3/s；第七列为转轮直径，单位为cm；第8列为转轮效率。
[0054]
s2：以b-tree数据结构形式建立转轮型号搜索树模型如图1所示，具体步骤为：
[0055]
s21：建立水头节点，节点的数目由数据库中的最小水头和最大水头决定；每个型号的转轮都有允许的最小水头h
min
和最大水头h
max
，每一个水头节点是一个范围，每一种转轮型号的最小水头和最大水头组成一个水头范围，把水头范围相同的转轮型号合在一个水头节点里面，再根据水头节点里面的转轮最大允许吸出高度值分支得到下一级的节点
[0056]
s22：建立最大允许吸出高度的节点，为水头节点的子节点，节点的数目由水头节
点的数目和数据库中的最大允许吸出高度决定；每一个转轮型号都有一个特定的最大允许吸出高度值，在水头范围相同的转轮型号里面，再把最大允许吸出高度值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最大允许吸出高度值节点。
[0057]
计算公式如下：
[0058]
立式机组：
[0059]
式中，hs为海拔高程、为正常下游尾水位、k为安装系数、σ为水轮机汽蚀系数、hr为额定水头以及bo为导叶相对高度；
[0060]
卧式机组：
[0061]
等式右边从左到右的参数依次为：hs为海拔高程、为正常下游尾水位、k为安装系数、σ为水轮机汽蚀系数、hr为额定水头以及d1为转轮直径；
[0062]
s23：建立最优单位转速的节点，为最大允许吸出高度值节点的子节点，节点的数目由最大允许吸出高度值节点的数目和数据库中的最优单位转速决定；每一个转轮型号都有一个特定的最优单位转速值，在最大允许吸出高度值相同的转轮型号里面，再把最优单位转速值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最优单位转速值节点，最优单位转速计算公式：
[0063][0064]
式中，n为最优单位转速、n
11
为转轮模型单位转速、hr额定水头和d1转轮直径；
[0065]
s24：建立最优单位流量节点，为最优单位转速节点的子节点，节点的数目由最优单位转速节点的数目和数据库中的最优单位流量决定；每一个转轮型号都有一个特定的最优单位流量值，在最优单位转速值相同的转轮型号里面，再把最优单位流量值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成最优单位流量值节点，最优单位流量计算公式：
[0066][0067]
式中，q为最优单位流量，q
11
为额定工况单位流量、d1为转轮直径以及hr为额定水头；
[0068]
s25：建立转轮直径节点，为最优单位流量节点的子节点，节点的数目由最优单位流量节点的数目和数据库中的转轮直径决定；
[0069]
每一个转轮型号都有一个转轮直径d1限定值，实际设计的时候转轮直径不得小于该值，并且考虑到整机重量不宜太大，设计时的转轮直径值应该不要超过改值太多，在最优单位流量值相同的转轮型号里面，再把转轮直径值相同的转轮型号合在一个节点里面，形成转轮直径节点，d1的计算公式为：
[0070][0071]
式中pr为水轮机额定功率、q
11
为额定工况单位流量、hr为水电站额定水头以及η为模型转轮效率。
[0072]
s26：建立转轮效率节点，为转轮直径节点的子节点，节点的数目由转轮直径节点的数目和数据库中的转轮效率决定；每一个转轮型号都有一个得到的效率值，在其他条件都满足的条件下选择效率值更高的转轮型号，计算公式为：
[0073]
η＝η1 δη
[0074]
式中，η为转轮效率，η1为转轮模型效率、δη为效率修正值；
[0075]
s27：在转轮效率节点下显示出经过上述步骤筛选后满足要求的所有转轮型号。
[0076]
s3：经过水电站数据分析和转轮计算得到s1数据库所包括的信息，通过转轮型号搜索树模型在数据库中进行转轮的选型，假设已知的水电站最大水头、最小水头分别用h
max
、h
min
表示，计算得到的转轮最大允许吸出高度、单位转速、单位流量、转轮直径、转轮效率分别用hs，n，q，d1，η表示，则转轮选型的过程如图2所示，其中，a、b、c为三个0到100之间的值，起作用是增加转轮的选型范围，一方面是避免后续子节点处可供选择的转轮型号过少导致选型中断，另一方面是有利于提供多种型号转轮以供设计人员选择最优的。图中的虚线部分表示的是当有一个节点满足后，继续寻找同一级中下一个满足的节点，这一条件只对水头结点之后的节点适用，因为前者是区间，一旦满足其中一个区间之后必定不满足其他的区间，就不用判断下一个水头节点，具体步骤为：
[0077]
s31：以水头节点区间能否完全覆盖最大水头h
max
和最小水头h
min
为依据判断符合的水头节点，判断好之后往该节点的下一级子节点方向判断最大允许吸出高度节点；
[0078]
s32：以最大允许吸出高度hs是否小于节点处的最大允许吸出高出值为依据选择最大允许吸出高度节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0079]
s33：以最优单位转速节点处的值是否在单位转速n值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0080]
s34：以最优单位流量节点处的值是否在单位流量值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0081]
s35：以转轮直径节点处的值是否在转轮直径d1值的范围内为依据判断满足条件的节点，如果一个节点满足条件，则往该节点的下一级子节点方向继续判断并接着判断该级是否有下一个满足的节点，若该节点不满足条件，则直接判断同一级的其他节点；
[0082]
s36：以转轮效率节点处的值是否大于计算转轮效率η值为最后的依据选择适合的转轮型号，输出的转轮型号可以有多个，供设计人员参考其他参数选择最优转轮。
[0083]
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。