[發明專利]基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法

在審

• 申請號: 201710236094.6
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN106874635A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 南海鵬;門闖社;羅興琦
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所61214
• 代理人: 成丹

1.基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，得到水輪機過渡過程仿真模型。

2.根據權利要求1所述的基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程具體為：

將水輪機中的能量損失分為容積損失、導葉入口撞擊損失、葉片入口撞擊損失、葉片出口旋轉損失和圓盤摩擦損失：

容積損失功率表示為：

P_c＝λ_cρgQ_tH_t

其中，λ_c為容積損失系數，表示漏水流量與總流量的比值；ρ為水密度，kg/m³；g為重力加速度，m/s²；Q_t為水輪機流量，m³/s；H_t為水輪機水頭，m；

導葉入口撞擊損失功率表示為：

$P_g=\frac{\mathrm{\ρ}{({\mathrm{cot\α}}_{fg}-{\mathrm{cot\α}}_g)}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{D}_0^2{b}_0^2}{Q}_t^3$

其中，α_g為導葉入流角，rad；α_fg為固定導葉出流角，rad；D₀為導葉分布圓直徑，m；b₀為導葉高度，m；

葉片入口撞擊損失功率表示為：

$P_1=\frac{{\mathrm{\ρQ}}_t}{2}{\[\frac{sin({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\πD}}_1{b}_0{\mathrm{sin\α}}_0{\mathrm{sin\β}}_1}{Q}_t-\frac{{\mathrm{\πD}}_1}{60}{n}_t\]}^2$

α₀為導葉出流角，rad；β₁為葉片入口安放角，rad；D₁為水輪機標稱直徑，m；n_t為水輪機轉速，r/min；

葉片出口旋轉損失功率表示為：

$P_2=\frac{Q_t\mathrm{\ρ}}{2}{\[\frac{{\mathrm{\πr}}_2}{30}{n}_t-\frac{Q_t{\mathrm{cot\β}}_2}{A_2}\]}^2$

其中，r₂為水輪機出口半徑，m；A₂為水輪機出流面積，m²；β₂為水輪機葉片出口安放角，rad；

圓盤摩擦損失功率表示為：

$P_f=1.256\×{10}^{-10}{\mathrm{k\ρn}}_t^3{D}_1^5$

其中，k為圓盤損失系數；

水輪機中能量損失總和表示為：

P_L＝P_c+P_g+P₁+P₂+P_f

將水輪機各部件的能量損失代入能量守恒方程：

P_w＝P_t+P_L

其中，P_w為流過水輪機的水體失去的能量，W，P_w＝ρgQ_tH_t；P_t為水輪機獲得的能量，W，P_t＝πM_tn_t/30，M_t為水輪機力矩，Nm；

利用相似原理將n_t、Q_t和M_t用單位轉速n₁₁、單位流量Q₁₁和單位力矩M₁₁表示，經過整理可得基于能量平衡的表達式：

$M_{11}=a_3\frac{Q_{11}^3}{n_{11}}+a_4{Q}_{11}^2+a_5\frac{Q_{11}}{n_{11}}+a_6{Q}_{11}{n}_{11}+a_7{n}_{11}^2$

其中a₇＝-1.2×10^-5kρ。