专利名称：一种水电站水轮机设计的优化系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种水力机械设计的优化系统及方法，具体的说是一种水电站水轮机设计的优化系统及方法。
背景技术：
水轮机的稳定性指标、效率指标与空化指标并为水轮机的三大性能指标。水轮机稳定性关系到机组是否能安全运行，效率关系到水流能量的利用程度，空化不仅关系到机组的寿命而且也会在一定程度上影响水轮机的稳定。在水电建设项目中只有机组运行稳定、效率高和抗空蚀性能好的水轮机方能有好的发电效益。目前，水轮机的效率已经可以达到90%以上，抗空化的性能也有很大的提高。但是，随着单机容量的提高，机组尺寸的增大，严重的振动和叶片断裂等影响水轮机稳定性能的问题逐渐显现出来，不仅影响了电站的正常运行，甚至对厂房的安全构成威胁。而水轮机稳定性所涵盖的内容很广，从水力影响因素来看，就包括了涡带引起的压力脉动、涡流和空化，加上不同稳定性影响因子在不同电站水轮机流道各部件的影响程度和出现的部位存在差异。因此，水轮机的稳定性问题越来越受到人们的关注，而水力稳定性也已成为大型混流式水轮机设计的又一个准则。对于上述水轮机稳定性水力影响因素的探讨以及在流道各部件影响差异判断分析，传统的人工方法是不可能全面考虑的，必须借助计算机技术、计算流体力学分析技术和数据库技术等现代技术才能对水轮机稳定性问题做出全面的、科学的、有效的分析和判断。在现有的水轮机优化设计中，已经开发了水轮机选型设计的软件包，但不能对初设的水轮机参数，模型结构等进行最优化；而在水轮机的流道中，只有压力脉动可以作为工程量进行测量，但这一测量工作量大成本也高。而且，由于模型与原型之间还没有完整的相似律，也就使得在设计后利用模型的测量预测压力脉动还不能完全作为原型对水轮机稳定性的依据。因此，如果将影响水轮机稳定性能的各水力因素进行综合考虑，并在一个系统上预测和分析影响水轮机稳定性的最重要影响因子和最严重的流道部位，就能有助于设计人员对水轮机更好的进行优化设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种水电站水轮机设计的优化方法及系统，可以将水轮机选型和流道的设计与优化聚于一体，可以实现水轮机从初设到整体优化的一站式设计，在保证高效率的同时，大大提高了该水轮机的稳定性，而且很大程度上减小了空化的发生。本发明解决以上技术问题的技术方案是:
一种水电站水轮机设计的优化系统，包括:互相通信连接的总体处理模块、数值计算模块、权重分析模块、数据存储模块、影响因子指标库和方法库； 总体处理模块，用于调用系统中的其他模块，实现各模块间通信连接；
的数值计算模块包括:三维非定常紊流压力子模块、三维非定常紊流流场子模块和三维非定常空化两相紊流子模块，它们分别用于蜗壳进口至尾水管出口这一全流道的压力、流场和空化的仿真计算；
权重分析模块包括:压力脉动权重子模块、涡流权重子模块和空化权重子模块，它们分别用于流道中分析断面上的各个记录点的压力、速度矢量和空泡组分等数据样本在不同时刻的回归计算，得出三个影响因子在各个断面不同时刻的“贡献”，进而得出影响水轮机稳定性的最重要因子以及不同影响因子在各流道部件中出现的最严重部位；
数据存储模块包括:参数数据库和模型数据库，它们分别用于存储历史参数资料(水轮机各选型参数及转轮型号)和模型资料(流道各部件型号尺寸及数字模型图)，以及存储水轮机的初设资料和对应的优化结果；
影响因子指标库，用于利用变量投影重要性指标对国内外众多历史资料进行计算，建立起来的有关三个影响因子的指标库，用于确定三个因子在每个断面同一时刻&的“贡献”大小；
方法库，是根据解决国内外众多存在水轮机稳定性问题的经验资料建立的数据库，用于在权重分析完成后，对修改流道各部件的参数和模型结构提供意见以及提供其他的辅助措施。一种水电站水轮机设计的优化方法按以下步骤进行:
(-)根据水电站给定的最大水头、最小水头、设计水头、装机容量和机组台数的特征参数，调用数据存储模块中的参数数据库和模型数据库，得到水轮机中蜗壳、导叶和尾水管的初设结果，所述初设结果包括各部件的型号、结构尺寸和性能参数；
(二)读取水轮机的初设结果，调用数值计算模块，根据最大水头与最小水头的比值是否大于1.4，若大于1.4，则对水轮机稳定性影响因子涡带、涡流和空化进行蜗壳进口至尾水管出口的仿真计算；若小于1.4，则对水轮机稳定性影响因子涡带和涡流进行蜗壳进口至尾水管出口的仿真计算；
曰完成仿真计算后，调用权重分析模块和影响因子指标库，计算并确定流道各部件在不同影响因子上的“贡献率”，得出水轮机稳定性权重分析结果，即影响水轮机稳定性的最重要因子；
(E)根据权重分析结果，调用方法库和模型数据库确定修改意见，如果需修改水轮机初设模型，而模型库中又无模型可选，则自动进入模型数据库的自设单元，进行人为的修改，并将结果发送到水电站数据存储模块；
将优化设计结果通过数据存储模块存入相应的数据库，用户可根据各数据库中的数据存储属性，自动查询和获取水轮机的选型和流道设计的优化结果。这样，本发明根据水电站给定的最大水头、最小水头、设计水头、装机容量、机组台数等特征参数，调用数据存储模块中的参数数据库和模型数据库，得到水轮机中蜗壳、导叶、尾水管等部件的初设结果。读取待优化水轮机的参数和模型数据，调用数值计算模块，有选择性的对全流道进行稳定性能预测计算，即:判断最大水头与最小水头的比值是否大于1.4，确定是否也选择三维非定常空化两相紊流子模块。在数值计算完成后，调用权重分析模块，把在不同时刻计算得到的数据传递给对应的权重子模块。在每一个权重子模块，将各个断面上的每个记录点在纟到彳不同时刻的数据作为样本，以遗传算法中的回归方法为基础，建立时间和样本数据的回归方程，进而计算出每个记录点从$到&每个时刻的偏差，并对每个断面中不同记录点在同一时刻\的偏差取平均。然后，调用影响因子指标库，确定出三个影响因子在每个断面同一时刻&的“贡献”，把不同时刻的“贡献”进行累加即可得到每个断面不同影响因子的权重分布。最后，综合考虑各断面的权重分析结果，就能得出影响水轮机稳定性的最重要因子，同时也能分析出某一影响因子在各流道部件中出现的最严重部位。完成水轮机稳定性能预测后，调用方法库和模型数据库，得出决策流道各部件最优组合的修改意见和措施，并将最终优化结果发送保存到数据存储模块。本发明进一步限定的技术方案是:
前述的水电站水轮机设计的优化系统，各模块的信息通过设置在系统中的管理接口相互共享。前述的水电站水轮机设计的优化方法，步骤曰中，计算并确定流道各部件在不同影响因子上的“贡献率”具体为:在对全流道进行不同稳定性影响因子的数值计算前，预先定出垂直于各部件轴线的几个分析断面n2，4----，在每个断面上取几个记录点
而每个记录点可以记录^不同时刻的数值计算数
据，包括压力、速度矢量和空泡组分；在数值计算完成后，调用权重分析模块，将不同时刻计算得到的数据传递给对应的权重子模块；在每一个权重子模块，将各个断面上的每个记录点在'到'不同时刻的数据作为样本，以遗传算法中的回归方法为基础，建立时间和样本数据的回归方程，进而计算出每个记录点从$到&每个时刻的偏差，并对每个断面中不同记录点在同一时刻&的偏差取平均；引入影响因子指标库，确定出三个因子在每个断面某一时刻I的“贡献”，把不同时刻的“贡献”进行累加即可得到每个断面不同影响因子的权重分布；综合考虑各断面的权重分析结果，得出影响水轮机稳定性的最重要因子。前述的水电站水轮机设计的优化方法，步骤(-)中，得到水轮机中蜗壳、导叶和尾水管的初设结果具体为以下两种方法之一:⑴直接从数据存储模块里的数据库获取；⑵由设计人员在两个数据库的自设单元对水轮机进行初设。本发明的有益效果是:⑴将水轮机选型和流道的设计与优化聚于一体，可以实现水轮机从初设到整体优化的一站式设计；⑵权重分析计算的引入，实现了水轮机稳定性的不同影响因子的综合考虑，更能全方面的得出流道各部件在不同影响因子下的贡献率，进而为设计人员实现流道各部件的最优组合设计提供依据；⑶整个优化设计过程集成于一个系统中进行，使用方便快捷，测量工作量小，成本低Μ)实现了影响水轮机稳定性能的不同因子的综合预测和评估，使设计人员在水轮机设计和流道各部件最优配组合的设计上缩短了时间，进而也提高了电站水轮机组和厂房的稳定性，在保证高效率的同时，大大提高了该水轮机的稳定性，而且很大程度上减小了空化的发生。
图1是本发明的系统连接框图。 图2为本发明实施例水电站水轮机流道各部件初设的流程图。
图3是本发明的方法的流程图。
具体实施例方式实施例1
实施例1:以某一水电站为例，利用本发明进行水轮机流道各部件的优化。本实施例水电站水轮机设计的优化系统连接如图1所示，水电站水轮机优化设计系统包括:总体处理模块201、数值计算模块202、权重分析模块203、数据存储模块204、影响因子指标库205和方法库206 ；
其中，总体处理模块201，用于调用系统的其他模块，实现各模块间的“合作”。数值计算模块202包括:三维非定常紊流(压力)子模块2021、三维非定常紊流(流场)子模块2022、三维非定常空化两相紊流子模块2023。它们分别用于蜗壳进口至尾水管出口这一全流道的压力、流场和空化的仿真计算。
权重分析模块203包括:压力脉动权重子模块2031、涡流权重子模块2032和空化权重子模块2033。它们分别用于流道中分析断面上的各个记录点的压力、速度矢量和空泡组分等数据样本在不同时刻的回归计算，得出三个影响因子在各个断面不同时刻的“贡献”，进而得出影响水轮机稳定性的最重要因子以及不同影响因子在各流道部件中出现的最严重部位。数据存储模块204包括:参数数据库2041和模型数据库2042。它们分别用于存储历史参数资料(水轮机各选型参数及转轮型号)和模型资料(流道各部件型号尺寸及数字模型图)，以及存储水轮机的初设资料和对应的优化结果。同时，所述的参数数据库和模型数据库均有自设单元，设计人员可以自行设计水轮机的参数和结构模型。
影响因子指标库205是利用变量投影重要性指标对国内外众多历史资料进行计算，建立起来的有关三个影响因子的指标库。用于确定三个因子在每个断面同一时刻&的“贡献”大小。方法库206是根据解决国内外众多存在水轮机稳定性问题的经验资料建立的数据库。用于据权重分析判断后，对修改流道各部件的参数、模型结构等提供意见以及提供其他的辅助措施。本系统是用于水电站水轮机流道优化设计的系统，可以实现用户以及可以转化成计算机描述和存储的数据的管理，且各模块的信息可通过系统中的管理接口相互共享。本实施例水电站水轮机设计的优化方法流程如图3所示，
(I)根据本水电站给定的最大水头、最小水头、设计水头、装机容量、机组台数等特征参数301 (见表1)，水电站水轮机流道各部件初设的流程如图2所示，调用参数数据库302和模型数据库303，得到水轮机中蜗壳、导叶、尾水管等部件的初设结果304。表I
权利要求
1.种水电站水轮机设计的优化系统，其特征在于:包括:互相通信连接的总体处理模块、数值计算模块、权重分析模块、数据存储模块、影响因子指标库和方法库； 所述总体处理模块，用于调用系统中的其他模块，实现各模块间通信连接； 所述数值计算模块包括:三维非定常紊流压力子模块、三维非定常紊流流场子模块和三维非定常空化两相紊流子模块，它们分别用于蜗壳进口至尾水管出口这一全流道的压力、流场和空化的仿真计算； 所述权重分析模块包括:压力脉动权重子模块、涡流权重子模块和空化权重子模块，它们分别用于流道中分析断面上的各个记录点的压力、速度矢量和空泡组分等数据样本在不同时刻的回归计算，得出三个影响因子在各个断面不同时刻的“贡献”，进而得出影响水轮机稳定性的最重要因子以及不同影响因子在各流道部件中出现的最严重部位； 所述数据存储模块包括:参数数据库和模型数据库，它们分别用于存储历史参数资料和模型资料，以及存储水轮机的初设资料和对应的优化结果； 所述影响因子指标库，用于利用变量投影重要性指标对国内外众多历史资料进行计算，建立起来的有关三个影响因子的指标库，用于确定三个因子在每个断面同一时刻的“贡献”大小； 所述方法库，是根据解决国内外众多存在水轮机稳定性问题的经验资料建立的数据库，用于在权重分析完成后，对修改流道各部件的参数和模型结构提供意见以及提供其他的辅助措施。
2.按权利要求1所述的水电站水轮机设计的优化系统，其特征在于:所述各模块的信息通过设置在系统中的管理接口相互共享。
3.关于权利要求1所述系统的水电站水轮机设计的优化方法，其特征在于:按以下步骤进行: (-)根据水电站给定的最大水头、最小水头、设计水头、装机容量和机组台数的特征参数，调用数据存储模块中的参数数据库和模型数据库，得到水轮机中蜗壳、导叶和尾水管的初设结果，所述初设结果包括各部件的型号、结构尺寸和性能参数； (二)读取水轮机的初设结果，调用数值计算模块，根据最大水头与最小水头的比值是否大于1.4，若大于1.4，则对水轮机稳定性影响因子涡带、涡流和空化进行蜗壳进口至尾水管出口的仿真计算；若小于1.4，则对水轮机稳定性影响因子涡带和涡流进行蜗壳进口至尾水管出口的仿真计算； 曰完成仿真计算后，调用权重分析模块和影响因子指标库，计算并确定流道各部件在不同影响因子上的“贡献率”，得出水轮机稳定性权重分析结果，即影响水轮机稳定性的最重要因子； (E)根据权重分析结果，调用方法库和模型数据库确定修改意见，如果需修改水轮机初设模型，而模型库中又无模型可选，则自动进入模型数据库的自设单元，进行人为的修改，并将结果发送到水电站数据存储模块； 将优化设计结果通过数据存储模块存入相应的数据库，用户可根据各数据库中的数据存储属性，自动查询和获取水轮机的选型和流道设计的优化结果。
4.按权利要求3所述的水电站水轮机设计的优化方法，其特征在于:所述步骤曰中，计算并确定流道各部件在不同影响因子上的“贡献率”具体为:在对全流道进行不同稳定性影响因子的数值计算前，预先定出垂直于各部件轴线的几个分析断面 η2> n3——在每个断面上取几个记录点1^而每个记录点可以记录
5.按权利要求3所述的水电站水轮机设计的优化方法，其特征在于:所述步骤(-)中，得到水轮机中蜗壳、导叶和尾水管的初设结果具体为以下两种方法之一:⑴直接从数据存储模块里的数据库获取；⑵由设 计人员在 两个数据库的自设单元对水轮机进行初设。
全文摘要
本发明是一种水电站水轮机设计的优化方法及系统，优化方法为根据水电站给定的特征参数，调用参数数据库和模型数据库，得到水轮机流道各部件的初设结果；对全流道进行稳定性能仿真，计算出各部件中不同稳定性影响因子的权重，得出流道各部件的优化修改意见和措施，发送和保存优化设计结果。实现此方法的系统包括总体处理模块，数值计算模块，权重分析模块，数据存储模块，影响因子指标库和方法库。本发明实现了影响水轮机稳定性能的不同因子的综合预测和评估，使设计人员在水轮机设计和流道各部件最优配组合的设计上缩短了时间，进而也提高了电站水轮机组和厂房的稳定性。
文档编号G06F17/50GK103093056SQ201310043670
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者戴会超, 张鸿清, 柯云 申请人:戴会超