[發明專利]一種針對混流式水輪機在空載啟動過程的分析方法

在審

• 申請號: 202310058192.0
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN115952687A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 孫龍剛;唐逸超;郭鵬程;李顏雁;范文睿
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06T17/20;G06F119/14;G06F119/12;G06F111/10
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 藺巍

本申請公開了一種針對混流式水輪機在空載啟動過程的分析方法，步驟包括：構建全計算域三維模型并獲取混流式水輪機的三維數值模擬數據；對全計算域三維模型進行網格劃分，得到劃分結果；根據劃分結果得到計算網格；根據計算網格得到時變邊界條件；根據三維數值模擬數據和時變邊界條件完成對混流式水輪機的力特性和能量損失的分析。本申請以計算流體動力學為手段，采用充分符合混流式水輪機空載啟動過程實際情況的時變邊界條件，依靠轉子動力學方程實現混流式水輪機開機過程轉輪轉速的實時更新，以較高精度實現對混流式水輪機空載啟動過程的瞬態數值模擬。

技術領域

本申請涉及水輪機技術領域領域，具體涉及一種針對混流式水輪機在空載啟動過程的分析方法。

背景技術

目前，新型電力系統將以最大化消納間歇性新能源如風能、太陽能為主要任務，這使得水電機組將更加頻繁的參與電力系統中的調峰、調頻中，水輪機將經歷更多水力特性及其復雜的過渡過程，這對機組安全穩定運行提出了更加苛刻的挑戰。特別地，確保水輪機能夠快速、穩定、可靠地啟動不僅是水輪機發揮其調峰、調頻功能的先決條件，也是衡量水輪機性能的重要指標，對于進一步提升水輪機的研發、設計水平具有重要的現實意義。

而當下的大中型水電機組較多采用了混流式結構，混流式轉輪作為水輪發電機組中的核心部件，在開機過渡過程中轉輪將面對流場劇烈變化，隨之帶來了轉輪受力、轉矩等參數劇烈波動的問題，這些參數的劇烈波動會影響混流式水輪機的快速開機響應、縮短混流式水輪機的使用壽命。小浪底電站6號機組在投入運行僅6個月后，發現13個葉片全部產生了穿透性裂紋，最終通過了數年時間才發現機組在開機啟動過程中存在著超出常規的動態應力值，從而導致了葉片裂紋的產生。

當前，針對混流式水輪機過渡過程流動特性的研究主要集中在試驗研究和數值模擬兩方面。試驗研究需要嚴格按照有關標準對測試儀器的精度進行校準，需要提前確定測試工況重點監測的位置與變量，這往往依賴于試驗人員的經驗，也需要更高的經濟成本。而且對于一些極端工況，考慮到水力振動問題，試驗測試往往無法開展，且試驗測試結果有限，難以提供流場的可視化分析結果；而數值模擬可以彌補試驗測試無法在極端工況下進行的缺陷，可應用至水輪機增減負荷、甩負荷、飛逸等復雜過渡過程，也可用應用至水輪機尾水管渦帶演化以及壓力脈動特性的分析上。

混流式水輪機空載啟動過程復雜多變，需要指定導葉運動以匹配真實的流場變化，給定匹配真實物理過程的時變邊界條件，且水輪機轉輪在水流作用力下做被動旋轉，需要進行程序的二次開發以實現轉輪的轉速更新。基于上述原因，針對混流式水輪機空載啟動過程轉輪流動特性的三維數值模擬工作少有且難度較大。

發明內容

針對現有技術的缺陷和不足，本申請針對混流式水輪機在空載啟動過程中的力特性與能量損失進行分析來實現高精度的瞬態數值模擬。

為實現上述目的，本申請提供了一種針對混流式水輪機在空載啟動過程的分析方法，步驟包括：

構建全計算域三維模型并獲取混流式水輪機的三維數值模擬數據；

對所述全計算域三維模型進行網格劃分，得到劃分結果；

根據所述劃分結果得到計算網格；

根據所述計算網格得到時變邊界條件；

根據所述三維數值模擬數據和所述時變邊界條件完成對混流式水輪機的力特性和能量損失的分析。

優選的，所述全計算域三維模型包括：蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管。

優選的，得到所述劃分結果的方法包括：對所述蝸殼、所述固定導葉、所述轉輪和所述尾水管區域進行高質量結構化網格劃分；對所述活動導葉區域進行非結構網格劃分。

優選的，得到所述計算網格的方法包括：

設置湍流模型、定工況邊界條件，對開機啟動過程起始導葉開度下的初始計算域進行網格無關性驗證，得到驗證結果；