水轮机调速系统优化方法及系统、电子设备和存储介质与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种水轮机调速系统优化方法及系统、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.水电机组过渡过程表征了机组从一种稳定工况或状态过渡到另一种性质不同的稳定工况或状态所经历的过程，直接关联着水电站的经济技术指标以及安全运行。调速系统作为水电机组过渡过程的基础和根本，其运行品质优劣直接影响到机组的运行性能和工况调节。调速系统为适应机组过渡过程运行状态及运行工况的转换，满足调节对象的要求，应选择最佳地调节参数组合；调节参数组合的好坏，决定了机组过渡过程特性的优劣。
3.水电站调速系统参数优化对实现水电机组过渡过程控制性能优化具有重要意义。目前学者对水电站调速系统参数优化方面做了大量研究，但目前现有技术虽然能够在静态水流环境下保持水轮机稳定工作，但在动态水流情况下，系统不稳定。
4.因此，如何提供一种水轮机调速系统优化方法及系统、电子设备和存储介质，对水轮机调速系统参数进行优化，提高系统在态流量下的稳定性，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种水轮机调速系统优化方法及系统、电子设备和存储介质。
6.本发明提供一种水轮机调速系统优化方法，包括：
7.基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；
8.基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；
9.基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
10.根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系包括：水轮机过流能力与单位流量之间的关系式、叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式和水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式；
11.其中，水轮机过流能力与单位流量之间的关系式用于优化叶栅稠密度；叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式用于优化叶片扭角参数；转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式用于优化叶片厚度参数。
12.根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
13.基于水轮机流态特征，通过计算叶栅前后速度差，确定转轮过流截面平均速度，在相同的单位转速及效率条件下，确定水轮机过流能力与单位流量之间的关系式；
14.水轮机过流能力与单位流量之间的关系式为：
[0015][0016]
其中，q
′
表示单位流量；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0017]
根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
[0018]
分析叶片扭角、单位转速与单位流量之间的关系，确定叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式；
[0019]
叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式为：
[0020][0021]
其中，r1表示车轮边缘；r2表示车轮部分的相对半径；q
′
表示单位流量；d表示转轮直径；δβ0表示叶的相对扭转角。
[0022]
根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
[0023]
计算转轮圆柱截面轴向速度，确定水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式；
[0024]
水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式为：
[0025][0026]
其中，ψ表示叶片排挤系数；表示水流高度；d
′
＝d/d；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0027]
根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数化值，具体包括：
[0028]
基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，以水轮机过流能力达到最大为目标，水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅几何参数优化值。
[0029]
根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，以水轮机过流能力到最大为目标，水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅几何参数优化值，具体包括：
[0030]
基于水轮机过流能力与单位流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅稠密度优化值；
[0031]
基于叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶片扭角参数优化值；
[0032]
基于转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶片厚度参数优化值。
[0033]
本发明还提供一种水轮机调速系统优化系统，包括：特征分析单元、参数优化单元和系统优化单元；
[0034]
特征分析单元，用于基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过
流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；
[0035]
参数优化单元，用于基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；
[0036]
系统优化单元，用于基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0037]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述任一种水轮机调速系统优化方法的步骤。
[0038]
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种水轮机调速系统优化方法的步骤。
[0039]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法及系统、电子设备和存储介质，通过对水轮机流态特征进行分析，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，对水轮机叶栅几何参数进行优化，提高水轮机过流能力，提高系统在态流量下的稳定性。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1为本发明提供的水轮机调速系统优化方法流程图；
[0042]
图2为本发明提供的水电站水轮机调速系统结构示意图；
[0043]
图3为本发明提供的轮毂空蚀系统运行状态对比图；
[0044]
图4为本发明提供的桨叶空蚀系统运行状态对比图；
[0045]
图5为本发明提供的水轮机调速系统优化系统结构示意图；
[0046]
图6为本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
图1为本发明提供的水轮机调速系统优化方法流程图，如图1所示，本发明提供一种水轮机调速系统优化方法，包括：
[0049]
步骤s1，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；
[0050]
步骤s2，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；
[0051]
步骤s3，基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0052]
具体的，水电站水轮机调速系统是一种近似于直流道的水平轴流式水轮机调速装置，图2为本发明提供的水电站水轮机调速系统结构示意图，如图2所示，该涡轮不设导流蜗壳，将叶片分为固定叶片和旋转叶片两种类型，具有流道直、流量大、效率高的优点。
[0053]
在步骤s1中，根据水电站水轮机调速系统，分析水轮机流态特征。水轮机流态特征包括：导叶流态和转轮流态。
[0054]
导叶流态分析：
[0055]
(1)调速导叶及导叶间流态
[0056]
在每一调速导叶入口和出口位置，导叶压力与吸力之间，由于流通面积减小，压力分布逐渐减小，而进、出水流量均有较大的增加。此外，水流在进口和出口过程中会丢失，也会产生压降。事实上，导叶压力远大于吸侧压力。
[0057]
(2)调速导叶出口流态
[0058]
水电站水轮机调速系统的导水机构为轴向，导叶设置在球泡体收缩段，使水流在导流叶片上有一定的角度旋转。水轮机的导叶与转轮非常接近，由于旋转离心力的作用，导叶出口的流速较大，在球泡处的速度较大，而压力正好相反。
[0059]
转轮流态分析：
[0060]
调速部分是水电站水轮机的核心部件，能够实现系统的高效调速，转轮中的流态是影响运行速度的重要因素。
[0061]
(1)转轮流速分布
[0062]
水轮机的叶角是可调节的，不同叶片角度下的流型有很大差异，表现出不同的水轮机性能。在叶角较小时(叶角为10
°
)时，叶片压力和吸力侧的速度分布不均匀，叶片入口和出口侧的速度均大于叶片内侧。叶片中部的扇形区域存在低速度区，这主要是由于叶片呈对称倒“s”型，前后翼型骨关节曲度变化很大，无叶外缘脱落，水流平稳，无倒流、冲击和涡旋影响。叶片进口处有一定的出流，主要偏离最优工作点，使叶片进口处发生水碰撞。受流角度影响小，受流影响最大，水流明显受阻。
[0063]
最佳叶片角(叶片角15
°
)时，导向叶片的压力和吸力分布较均匀，而导叶从入口边缘向出口边缘旋转的速度不一致，均呈减小趋势。此时，叶片角增大，阻力变小，叶扇中部没有出现明显的低速区，叶片根部与轮毂交界处的速度明显降低。轮翼上的水流从入口到出口流线平滑，流动情况类似小角度，不存在倒流和冲击。
[0064]
不同叶片角度的设置都存在一定问题，使用小角度叶片时，叶片压力和吸力侧的速度分布不均匀，入口和出口侧的速度较大；使用大角度叶片时，叶片的压力和吸力分布较均匀，叶片进口、外缘出口存在较大流速差，叶片进口侧叶轮有涡流，导叶从入口边缘向出口边缘旋转的速度不一致。用不同角度的流动形态，定性地解释了不同叶片角度下叶片性能的差异。
[0065]
(2)叶片压力分布
[0066]
叶面压力分布与叶片速度同样重要，两者相互作用。叶轮倾角越小，前后压差越大，吸力侧压力分布越不均匀。叶片倾角越大，叶栅阻力越大，产生的压力面与吸力面之间的压力差越大。流入相对速度级联时，叶缘处的一部分进入叶缘即为压头，然后沿叶片进口边流动，由于弯曲产生离心力，使水流从叶片上脱落，叶压和吸力侧压力降低。随后，随着叶栅的流速，平均压力沿叶片出口方向逐渐减小。在靠近某一点处，压差表面与叶背之间的压
差面减小到最小的叶片边缘，叶片的前后面压力趋于一致。叶片后侧压力略有升高，叶片出口侧、前后侧压力变化不大。
[0067]
在叶片压力分布上，前、后两个位置的进口压力都很小，叶片后部边缘也出现了低压力区。水电站水轮机调速系统在实际运行中还显示，空蚀严重的水出口压力面、吸力面进口的叶片及空蚀区占叶片总面积的10％左右，与实际情况基本一致。
[0068]
根据目前的趋势，推测未来低水头的水力资源开发将越来越倾向于采用大容量、高比速机组，即要求水电机组有较大的流量和出力。然而，水轮机的性能在很大程度上取决于通流部件，尤其是叶片的设计是否合理。通过理论分析本发明以叶栅几何参数对调速系统性能的影响作为优化指标。叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数。
[0069]
基于上述导叶流态和转轮流态，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数大变化对顺轮机过流能力的影响趋势(线性相关或其他形式)。
[0070]
对于水电站水轮机调速系统的水力计算，通常假定圆筒是独立的，叶片是无限薄的。转轮叶栅可视为由一系列无限薄翼型构成的平面叶栅。面内联级联的几何参数是层叠密度l/t、叶的相对扭转角δβ0、叶片数z1、叶片厚度σ。
[0071]
在步骤s2中，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值，对应的，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值。
[0072]
可以理解的是，在基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值时，可以是基于系统原始叶栅几何参数对系统一个或多个进行调整。参数优化值的确定方法可以是基于工作人员经验确定的，或是构建神经网络模型确定的等多种方法，本发明对此不作限定。
[0073]
在步骤s3中，基于确定的叶栅几何参数优化值，对水轮机调速系统原始的叶栅几何参数进行优化。
[0074]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过对水轮机流态特征进行分析，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，对水轮机叶栅几何参数进行优化，提高水轮机过流能力，提高系统在态流量下的稳定性。
[0075]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系包括：水轮机过流能力与单位流量之间的关系式、叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式和水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式；
[0076]
其中，水轮机过流能力与单位流量之间的关系式用于优化叶栅稠密度；叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式用于优化叶片扭角参数；转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式用于优化叶片厚度参数。
[0077]
具体的，为了提高参数优化的准确性，本发明中水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系包括：水轮机过流能力与单位流量之间的关系式、叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式和水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式。
[0078]
可以理解的是，上述表达式的具体表现形式可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。
[0079]
由于叶栅稠密度改变将影响流经涡轮的流量，因此，水轮机过流能力与单位流量
之间的关系式能够反应叶栅稠密度与水轮机过流能力之间的对应关系，用于优化叶栅稠密度。
[0080]
充分考虑实际水电站工作环境，当叶片扭角越大，则水轮机的过流能力就越强，叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式，用于优化叶片扭角参数。
[0081]
叶片厚度与叶片排挤系数负相关，转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式能够反应叶片厚度与水轮机过流能力之间的对应关系，用于优化叶片厚度参数。
[0082]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过对水轮机流态特征进行分析，确定水轮机过流能力与单位流量之间的关系式、叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式和水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式，分别用于优化叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数，能够有针对性的确定参数的优化指标，提高水轮机过流能力，进一步提高系统在态流量下的稳定性。
[0083]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
[0084]
基于水轮机流态特征，通过计算叶栅前后速度差，确定转轮过流截面平均速度，在相同的单位转速及效率条件下，确定水轮机过流能力与单位流量之间的关系式；
[0085]
水轮机过流能力与单位流量之间的关系式为：
[0086][0087]
其中，q
′
表示单位流量；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0088]
具体的，叶栅稠密度是流道设计中的一个重要参数，其大小不仅影响流道的过流容量，而且影响其空化性能。叶数与水轮机的强度和刚度直接相关，增大叶数可以提高转轮的强度和刚度。与此同时，当叶片弦长一定时，水轮机的转轮叶栅密度将大大增加。
[0089]
叶栅密度与叶片数密切相关，其关系如下：
[0090][0091]
式中，θ为叶片包角。
[0092]
从机翼绕水的环流和非环流关系出发，导出平面叶栅前后流速关系式：
[0093][0094]
式中，w
2u
、w
1u
、wz分别表示出口周向速度、进口周向速度、轴向速度；τ表示层叠密度，即当l/t参数发生变化时，不同叶片串联特性；β0表示桨叶安放角度。
[0095]
结合公式(1)和公式(2)，设导水机构在某个开口处等效半径下的r转轮入口角为α，则轴上的分速可以用如下公式表示：
[0096][0097]
式中，c
1u
表示入口侧的绝对速度。
[0098]
假定水流在所要求的圆柱段的轴向速度相当于由水轮机转轮流截面计算的平均转速，即：
[0099][0100]
式中，q
′
表示单位流量；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0101]
式(4)表明，导水机制在α角度下和β0安放角度下开启，随着叶栅稠密度的改变，流经涡轮的流量也随之改变；且随着叶栅稠密度l/t(l表示弦长、t表示栅距)的增大，水轮机流量减小。
[0102]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过分析导叶流态和转轮流态，确定不同流态下水轮机工作状态。通过计算叶栅前后速度差，确定转轮过流截面平均速度，在相同的单位转速及效率条件下，分析过流能力与单位流量之间的关系，准确地反映了叶栅稠密度对水轮机调速系统的影响，以此优化水轮机叶栅稠密度，有效地改善了优化的效果。
[0103]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
[0104]
分析叶片扭角、单位转速与单位流量之间的关系，确定叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式；
[0105]
叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式为：
[0106][0107]
其中，r1表示车轮边缘；r2表示车轮部分的相对半径；q
′
表示单位流量；d表示转轮直径；δβ0表示叶的相对扭转角。
[0108]
具体的，经分析，当转速一定时，叶片扭角与过流能力成正比；当水流流量保持不变的情况下，叶片扭角与转轮转速成反比。
[0109]
基于此，通过公式分析叶片扭角与单位转速和流量的关系：
[0110][0111]
式中，r1表示车轮边缘；r2表示车轮部分的相对半径；q
′
表示单位流量；d表示转轮直径；δβ0表示叶的相对扭转角。
[0112]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过分析叶片扭角、单位转速与单位流量之间的关系，确定轮缘及轮毂截面相对半径，以此优化叶片扭角参数，准确地反映了叶片扭角对叶轮流量的影响，以此优化水轮机叶片扭角，有效地改善了优化的效果。
[0113]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，具体包括：
[0114]
计算转轮圆柱截面轴向速度，确定水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式；
[0115]
水轮机过流能力与叶片排挤系数之间的关系式为：
[0116][0117]
其中，ψ表示叶片排挤系数；表示水流高度；d
′
＝d/d；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0118]
具体的，由于管状流道中的刀片数目相对较小，所以当考虑到叶片的相对扭角时，叶片与叶片之间的相对扭度就会假设叶片无限细而非排出的水流由叶片厚度所引起。
[0119]
而事实上，叶片具有一定的厚度，这对流道流动能力及系统工作前后速度和压力分布都有影响。
[0120]
在考虑桨叶厚度的情况下，中间圆柱段的轴向速度(过流能力)可以表示为：
[0121][0122]
其中，ψ表示叶片排挤系数；表示水流高度；d
′
＝d/d；d表示轮毂直径；d表示转轮直径。
[0123]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过计算转轮圆柱截面轴向速度，优化叶片厚度参数，分析过流能力与叶片排挤系数之间的关系，间接地反映了叶片厚度对水轮机调速系统的影响，以此优化水轮机叶片厚度，有效地改善了优化的效果。
[0124]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数化值，具体包括：
[0125]
基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，以水轮机过流能力达到最大为目标，水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅几何参数优化值。
[0126]
具体的，以具体的实例为例，表1为水电站水轮机调速系统在不同叶栅稠密度下的几何参数调整方案。由表可知，在c转轮上增加一个等价于不变的叶片弦长时，叶栅稠密度大大提高，叶栅稠密度比b转轮大。在三个转轮中，c转轮叶栅稠密度比b转轮叶栅稠密度和a转轮叶栅稠密度要大。同一机组速度和效率条件下，过流容量与单位流量之间的关系如表2所示。
[0127]
表1.转轮的叶栅几何参数
[0128][0129]
表2.a、b和c水轮机过流能力分析/％
[0130][0131][0132]
分析结果表明，叶栅稠密度越小(叶片数越少)，流道流速越大，最佳转速也越高。但若叶栅稠密度太小或叶片数目太少，则无法满足强度、刚度、气蚀性能的要求。因此，在设计水电站水轮机转轮时，应通过多种方案比较来确定叶片的数目，再通过优化方法来选择叶栅稠密度。
[0133]
表3给出了两个具有相同密度、扭转角度不同的叶栅b、d参数，能量特性对比结果见表4。
[0134]
表3.叶片扭角参数
[0135][0136]
表4.b、d水轮机过流能力分析/％
[0137][0138]
由表3和表4可知，保证转轮转速一致的条件下，b转轮的过流能力小于d转轮的过流能力。带有叶片扭角的d转轮在单位流量相同的情况下，转轮的转速要小于b转轮。
[0139]
充分考虑实际水电站工作环境，当叶片扭角越大，则水轮机的过流能力就越强，在
过流能力超过某一临界值时，叶片扭角不会再发生改变。由此可知，增大叶片扭角，可提高水轮机的过流能力。在这个过程中，叶片扭角设置应该合理，如果过大，则会导致系统工作困难，为此，转轮的叶片扭转角应设置在15
°
～25
°
之间。
[0140]
当叶片厚度增加时，叶片排挤系数ψ将减小，通过公式(6)能够确定系统工作前后速度接近水流，压力降低，空蚀性能降低。反之，如果叶片排挤系数ψ变大，则会导致水轮机过流能力变差，空蚀效果明显。因此，在系统参数优化方面，应尽可能地满足水电站水轮机的强度和刚度要求，叶片厚度选择合理，保持良好的过流能力，避免空蚀问题出现。
[0141]
因此，可得到如下几点优化结论：
[0142]
(1)总体来说，减小叶栅稠密度可以使转轮的工作状态达到最佳，增加过流量，提高机组转轮转速。
[0143]
(2)增加叶轮的叶片数，可以提高系统工作效率。要获得良好平缓的能效特性，就必须在适当减少叶片数的同时，也要减少某些最有效的工作条件，同时增加流动的最佳工作条件和更有效地流动。
[0144]
(3)增大叶片扭角可以提高叶轮的流量，但叶片的扭曲角度太大，很难加工。
[0145]
(4)增大叶片厚度可提高转轮的强度和刚度，但会减小过流量。因此，在满足强度、刚度要求的前提下，应将叶片厚度取相应的最低值，不得留得过多。
[0146]
基于上述结论，根据水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，以水轮机过流能力达到最大为目标，水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅几何参数优化值。
[0147]
可以理解的是，可根据实际经验以及考虑成本、空蚀性能等多方面原因，确定的叶栅几何参数优化值可以不为最优值。
[0148]
另外，本发明中，叶栅几何参数的优化值的确定方法可以是基于优化算法，确定叶栅几何参数最优几何，也可以是工作人员基于经验对参数进行调整，具体优化值确定方法，以及所使用的优化算法具体类型，可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。
[0149]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过分析导叶流态和转轮流态，确定不同流态下水轮机工作状态。通过计算叶栅前后速度差，确定转轮过流截面平均速度，在相同的单位转速及效率条件下，分析过流能力与单位流量之间的关系，以此优化水轮机叶栅稠密度。分析叶片扭角、单位转速与单位流量之间的关系，确定轮缘及轮毂截面相对半径，以此优化叶片扭角参数。计算转轮圆柱截面轴向速度，优化叶片厚度参数。能够有效解决现有技术中优化方法受到动态水流影响，导致水轮机调速系统优化效果不佳的问题，提高系统在态流量下的稳定性，对实现水电机组过渡过程控制性能优化具有重要意义。
[0150]
可选的，根据本发明提供的水轮机调速系统优化方法，基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，以水轮机过流能力到最大为目标，水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅几何参数优化值，具体包括：
[0151]
基于水轮机过流能力与单位流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅稠密度优化值；
[0152]
基于叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶片扭角参数优化值；
[0153]
基于转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式，根据水轮机刚度和强
度需求约束为约束条件，确定叶片厚度参数优化值。
[0154]
具体的，将叶栅几何参数中叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数每一项单独确定最优值。除了水轮机刚度和强度需求约束为约束条件外，还应当考虑实际应用需求。
[0155]
基于水轮机过流能力与单位流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶栅稠密度优化值。
[0156]
分析结果表明，叶栅稠密度越小(叶片数越少)，流道流速越大，最佳转速也越高。但若叶栅稠密度太小或叶片数目太少，则无法满足强度、刚度、气蚀性能的要求。因此，在设计水电站水轮机转轮时，应通过多种方案比较来确定叶片的数目，再通过优化方法来选择叶栅稠密度。
[0157]
基于叶片扭角与单位转速和流量之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶片扭角参数优化值。
[0158]
分考虑实际水电站工作环境，当叶片扭角越大，则水轮机的过流能力就越强，在过流能力超过某一临界值时，叶片扭角不会再发生改变。由此可知，增大叶片扭角，可提高水轮机的过流能力。在这个过程中，叶片扭角设置应该合理，如果过大，则会导致系统工作困难，为此，转轮的叶片扭转角应设置在15
°
～25
°
之间。
[0159]
基于转轮圆柱截面轴向速度与叶片排挤系数之间的关系式，根据水轮机刚度和强度需求约束为约束条件，确定叶片厚度参数优化值。
[0160]
当叶片厚度增加时，叶片排挤系数ψ将减小，系统工作前后速度接近水流，压力降低，空蚀性能降低。反之，如果叶片排挤系数ψ变大，则会导致水轮机过流能力变差，空蚀效果明显。因此，在系统参数优化方面，应尽可能地满足水电站水轮机的强度和刚度要求，叶片厚度选择合理，保持良好的过流能力，避免空蚀问题出现。
[0161]
本发明提供的水轮机调速系统优化方法，通过分析导叶流态和转轮流态，确定不同流态下水轮机工作状态。通过计算叶栅前后速度差，确定转轮过流截面平均速度，在相同的单位转速及效率条件下，分析过流能力与单位流量之间的关系，以此优化水轮机叶栅稠密度。分析叶片扭角、单位转速与单位流量之间的关系，确定轮缘及轮毂截面相对半径，以此优化叶片扭角参数。计算转轮圆柱截面轴向速度，优化叶片厚度参数。能够有效解决现有技术中优化方法受到动态水流影响，导致水轮机调速系统优化效果不佳的问题，提高系统在态流量下的稳定性，对实现水电机组过渡过程控制性能优化具有重要意义。
[0162]
结合本发明与现有技术的仿真实验对比，对本发明所实现的技术效果进行说明：
[0163]
选择位于a江区上游5公里处的某水力发电厂，这是一项重要梯级工程，本项目通过发电、航运、灌溉，具有一定的综合效益。在电厂内共安置了6台单容量机组，使用该机组进行实验分析。水轮机的模型验收实验于2019年6月在一厂进行，1-5号机组已于2019年6月投产，6号(二号)已于2020年7月投入运行。
[0164]
水电站1号机组于2020年10月开始大修，运行时数为9940.93。检查中发现，轮缘、轮缘及其他部位无空蚀现象，而轮毂和桨叶部位存在明显空蚀情况。空蚀是指当水流经过狭窄通道或狭缝时，局部流速增加，压力下降到一定程度时，出现空蚀。
[0165]
检查发现1号水电站水轮机调速系统表面存在空蚀现象，轮毂表面的局部空蚀表现为在高速流动情况下，与流体接触的轮毂表面会出现表面被腐蚀现象，在轮毂表面形成许多白色的条纹。并且各桨叶片边缘上也出现空蚀现象。
[0166]
为了验证水电机组过渡过程控制性能优化方法的合理性，采用基于partical(粒子)模型数值模拟方法、基于混合粒子群算法优化方法和本发明提供的系统叶栅几何参数优化方法，对比分析两种空蚀情况下系统运行情况，图3为本发明提供的轮毂空蚀系统运行状态对比图，图4为本发明提供的桨叶空蚀系统运行状态对比图，对比结果如图3和图4所示。
[0167]
由图3可知，在轮毂空蚀情况下，使用基于partical粒子模型数值模拟方法，水轮机最终运行速度为-0.1m/s，比调速前快0.3m/s。使用基于混合粒子群算法优化方法，水轮机最终运行速度为0.1m/s，比调速前快0.5m/s。使用本发明提供的优化方法，水轮机最终运行速度为2.2m/s，比调速前快2.6m/s。
[0168]
由图4可知，在桨叶空蚀情况下，使用基于partical粒子模型数值模拟方法，水轮机最终运行速度为0.7m/s，比调速前快0.5m/s。使用基于混合粒子群算法优化方法，水轮机最终运行速度为0.7m/s，比调速前快0.5m/s。使用本发明提供的优化方法，水轮机最终运行速度为6.3m/s，比调速前快6.1m/s。
[0169]
通过上述分析结果可知，使用本发明提供的优化方法水轮机转速更快，调速效果更优。
[0170]
图5为本发明提供的电磁干扰信号的抑制效果对比示意图，如图5所示，本发明还提供一种水轮机调速系统优化系统，包括：特征分析单元510、参数优化单元520和系统优化单元530；
[0171]
特征分析单元510，用于基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；
[0172]
参数优化单元520，用于基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；
[0173]
系统优化单元530，用于基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0174]
具体的，水电站水轮机调速系统是一种近似于直流道的水平轴流式水轮机调速装置，图2为本发明提供的水电站水轮机调速系统结构示意图，如图2所示，该涡轮不设导流蜗壳，将叶片分为固定叶片和旋转叶片两种类型，具有流道直、流量大、效率高的优点。
[0175]
特征分析单元510，用于根据水电站水轮机调速系统，分析水轮机流态特征。水轮机流态特征包括：导叶流态和转轮流态。
[0176]
导叶流态分析：
[0177]
(1)调速导叶及导叶间流态
[0178]
在每一调速导叶入口和出口位置，导叶压力与吸力之间，由于流通面积减小，压力分布逐渐减小，而进、出水流量均有较大的增加。此外，水流在进口和出口过程中会丢失，也会产生压降。事实上，导叶压力远大于吸侧压力。
[0179]
(2)调速导叶出口流态
[0180]
水电站水轮机调速系统的导水机构为轴向，导叶设置在球泡体收缩段，使水流在导流叶片上有一定的角度旋转。水轮机的导叶与转轮非常接近，由于旋转离心力的作用，导叶出口的流速较大，在球泡处的速度较大，而压力正好相反。
[0181]
转轮流态分析：
[0182]
调速部分是水电站水轮机的核心部件，能够实现系统的高效调速，转轮中的流态是影响运行速度的重要因素。
[0183]
(1)转轮流速分布
[0184]
水轮机的叶角是可调节的，不同叶片角度下的流型有很大差异，表现出不同的水轮机性能。在叶角较小时(叶角为10
°
)时，叶片压力和吸力侧的速度分布不均匀，叶片入口和出口侧的速度均大于叶片内侧。叶片中部的扇形区域存在低速度区，这主要是由于叶片呈对称倒“s”型，前后翼型骨关节曲度变化很大，无叶外缘脱落，水流平稳，无倒流、冲击和涡旋影响。叶片进口处有一定的出流，主要偏离最优工作点，使叶片进口处发生水碰撞。受流角度影响小，受流影响最大，水流明显受阻。
[0185]
最佳叶片角(叶片角15
°
)时，导向叶片的压力和吸力分布较均匀，而导叶从入口边缘向出口边缘旋转的速度不一致，均呈减小趋势。此时，叶片角增大，阻力变小，叶扇中部没有出现明显的低速区，叶片根部与轮毂交界处的速度明显降低。轮翼上的水流从入口到出口流线平滑，流动情况类似小角度，不存在倒流和冲击。
[0186]
不同叶片角度的设置都存在一定问题，使用小角度叶片时，叶片压力和吸力侧的速度分布不均匀，入口和出口侧的速度较大；使用大角度叶片时，叶片的压力和吸力分布较均匀，叶片进口、外缘出口存在较大流速差，叶片进口侧叶轮有涡流，导叶从入口边缘向出口边缘旋转的速度不一致。用不同角度的流动形态，定性地解释了不同叶片角度下叶片性能的差异。
[0187]
(2)叶片压力分布
[0188]
叶面压力分布与叶片速度同样重要，两者相互作用。叶轮倾角越小，前后压差越大，吸力侧压力分布越不均匀。叶片倾角越大，叶栅阻力越大，产生的压力面与吸力面之间的压力差越大。流入相对速度级联时，叶缘处的一部分进入叶缘即为压头，然后沿叶片进口边流动，由于弯曲产生离心力，使水流从叶片上脱落，叶压和吸力侧压力降低。随后，随着叶栅的流速，平均压力沿叶片出口方向逐渐减小。在靠近某一点处，压差表面与叶背之间的压差面减小到最小的叶片边缘，叶片的前后面压力趋于一致。叶片后侧压力略有升高，叶片出口侧、前后侧压力变化不大。
[0189]
在叶片压力分布上，前、后两个位置的进口压力都很小，叶片后部边缘也出现了低压力区。水电站水轮机调速系统在实际运行中还显示，空蚀严重的水出口压力面、吸力面进口的叶片及空蚀区占叶片总面积的10％左右，与实际情况基本一致。
[0190]
根据目前的趋势，推测未来低水头的水力资源开发将越来越倾向于采用大容量、高比速机组，即要求水电机组有较大的流量和出力。然而，水轮机的性能在很大程度上取决于通流部件，尤其是叶片的设计是否合理。通过理论分析本发明以叶栅几何参数对调速系统性能的影响作为优化指标。叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数。
[0191]
基于上述导叶流态和转轮流态，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数大变化对顺轮机过流能力的影响趋势(线性相关或其他形式)。
[0192]
对于水电站水轮机调速系统的水力计算，通常假定圆筒是独立的，叶片是无限薄的。转轮叶栅可视为由一系列无限薄翼型构成的平面叶栅。面内联级联的几何参数是层叠密度l/t、叶的相对扭转角δβ0、叶片数z1、叶片厚度σ。
[0193]
参数优化单元520，用于基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值，对应的，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值。
[0194]
可以理解的是，在基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值时，可以是基于系统原始叶栅几何参数对系统一个或多个进行调整。参数优化值的确定方法可以是基于工作人员经验确定的，或是构建神经网络模型确定的等多种方法，本发明对此不作限定。
[0195]
系统优化单元530，用于基于确定的叶栅几何参数优化值，对水轮机调速系统原始的叶栅几何参数进行优化。
[0196]
本发明提供的水轮机调速系统优化系统，通过对水轮机流态特征进行分析，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，对水轮机叶栅几何参数进行优化，提高水轮机过流能力，提高系统在态流量下的稳定性。
[0197]
需要说明的是，本发明提供的水轮机调速系统优化系统用于执行上述水轮机调速系统优化方法，其具体的实施方式与方法实施方式一致，在此不再赘述。
[0198]
图6为本发明提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(communicationsinterface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行水轮机调速系统优化方法，该方法包括：基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0199]
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0200]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的水轮机调速系统优化方法，该方法包括：基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0201]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的水轮机调速系统优化方法，该方法包括：基于水轮机流态特征，确定水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系；其中，叶栅几何参数包括：叶栅稠密度、叶片扭角参数和叶片厚度参数；基于水轮机叶栅几何参数与水轮机过流能力对应关系，确定叶栅几何参数优化值；其中，叶栅几何参数优化值包括：叶栅稠密度优化值、叶片扭角参数优化值和叶片厚度参数优化值；基于叶栅几何参数优化值，优化水轮机调速系统。
[0202]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0203]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
[0204]
最后应说明的是：以上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精神和范围。