一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法

本发明涉及工业余压能量回收，尤其是涉及一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法。

背景技术：

1、多级液力透平广泛应用于石油、化工、冶金等行业的高余压能量回收，这些行业的余能具有水头高、流量小、水头和流量可调节等特点，最大可能地利用余能是设计者追求的目标。但是，随着利用余能的增加，多级液力透平的设计级数随之增加，这对多级液力透平的结构提出了更大的挑战。

2、目前，多级液力透平是根据水头和流量等设计要求直接设计得到的。但是，工业领域的高余压水一般可以通过阀门调节水头和流量，这样就导致余能会发生变化，水轮机的运行工况多种多样。对于工况变化或水头过高的情况，不可能利用所有的余能，利用余能过高将导致水轮机级数增多或单级水头增加，设计难度增加，同时对水轮机结构要求过高，不易实现；但利用余能过低，级数变少，结构较易实现，但不能充分利用水能，水能利用率过低。因此，为了保证多级液力透平结构合理，并实现水能高效利用，在不同水头、流量条件工况下，基于功率和结构合理性综合性能，对高水头小流量多级液力透平进行水能高效利用多目标综合性能评估，为多级液力透平各过流部件进一步优化设计提供高效利用水能的转轮设计参数和设计级数具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，可以有效解决多级液力透平设计根据具体水头和流量设计要求进行，无法保证水能高效利用，无法评估结构合理性等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，包括以下步骤：

3、步骤一、在不同流量和水压的运行工况下，规划不同的最大级数和不同转速的设计方案；

4、步骤二、计算不同转速和不同最大设计级数的转轮直径d1、叶片进口安放角β1、叶片进口绝对液流角α1；

5、步骤三、根据计算得到的转轮直径d1、叶片进口安放角β1、叶片进口绝对液流角α1，判断方案的合理性；

6、步骤四、针对各转轮参数合理方案，分别设计不同的利用级数方案；

7、步骤五、针对不同转轮参数合理方案，不同的利用级数方案，计算各方案的功率和相对轴径；

8、步骤六、绘制不同转速下，不同转轮参数合理方案的相对轴径和功率随利用级数变化曲线；

9、步骤七、统计不同转速时，所有方案的相对轴径和功率的最大值和最小值；

10、步骤八、建立考虑轴径和功率综合性能的多目标函数；

11、步骤九、计算不同转轮参数合理方案的不同利用级数方案的多目标函数，并绘制不同转速下，不同转轮参数合理方案的多目标函数随利用级数变化曲线；

12、步骤十、对各转轮参数合理方案的最优利用级数方案进行汇总和重新排序；

13、步骤十一、确定基于功率的转轮参数和利用级数。

14、优选的，所述步骤二中转轮直径为：

15、

16、其中：qd＝q

17、式中：q11a、q11b分别为单位流量的取值上限值和下限值，r/min；n11a、n11b分别为单位转速的取值上限值和下限值，m3/s；qd为单级流量，m3/s；hd为单级水头，m；n为转速，r/min；d1为转轮进口直径，m；h为总水头，m；q为总流量，m3/s；z为最大设计级数。

18、优选的，所述步骤三中转轮几何参数合理的判断原则为：同时满足存在d1且取最大值、β1≥c1且α1≥c2，c1为角度合理的经验数值，c2为角度合理的经验数值。

19、优选的，所述步骤五中对多级液力透平的轴径进行无量纲化处理，计算公式如下：

20、d′＝dd2

21、式中：d′为相对轴径；d为轴径，m；d2为转轮出口直径，m；k2为经验系数。

22、优选的，所述步骤八中综合考虑轴径和功率的多级液力透平多目标函数为：

23、

24、式中：f为相同转速时多级液力透平多目标函数；d′max、d′min分别为相同转速的所有不同利用级数方案中相对轴径的最大值和最小值；pmax、pmin分别为相同转速的所有不同利用级数方案中功率的最大值和最小值。

25、优选的，所述步骤十中重新排序方法为：

26、s1、对不同转速对应的转轮参数合理方案分别进行统计；

27、s2、相同转速下，各转轮参数合理方案按照最优利用级数从小到大排列，相同利用级数的方案不分先后，依次排列；

28、s3、相同转速下，完成排序的各方案重新进行编号；

29、s4、统计得到各方案对应的功率。

30、因此，本发明采用上述一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，针对余能通过阀门调节，水压、流量多变的运行工况，利用不同工况下的水压和流量，基于结构和功率多目标综合性能评估，通过设计不同的方案，并根据转轮几何参数计算和合理性判断，以及考虑功率和轴径的多目标综合性能的评估，最终得到结构合理、发电功率大的多级液力透平的转轮几何参数和利用级数最优方案，为多级液力透平各过流部件进一步优化设计提供设计参数和优化方案。

31、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于：所述步骤二中转轮直径为：

3.根据权利要求2所述的一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于：所述步骤三中转轮几何参数合理的判断原则为：同时满足存在d1且取最大值、β1≥c1且α1≥c2，c1为角度合理的经验数值，c2为角度合理的经验数值。

4.根据权利要求3所述的一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于：所述步骤五中对多级液力透平的轴径进行无量纲化处理，计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于：所述步骤八中综合考虑轴径和功率的多级液力透平多目标函数为：

6.根据权利要求5所述的一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，其特征在于：所述步骤十中重新排序方法为：

技术总结本发明公开了一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，涉及工业余压能量回收技术领域，利用不同工况下的水压和流量，通过设计不同的方案，并根据转轮几何参数计算和合理性判断，以及考虑功率和轴径的多目标综合性能的评估，最终得到结构合理、发电功率大的多级液力透平的转轮几何参数和利用级数最优方案。本发明采用上述一种多级液力透平水能高效利用多目标综合评估方法，对多级液力透平进行水能高效利用多目标综合性能评估，通过对不同方案的转轮几何参数进行计算和合理性判断，并根据考虑功率和轴径的多目标综合性能评估，最终得到结构合理、发电功率大的多级液力透平的转轮几何参数和利用级数最优方案。技术研发人员：张自超,张利红,李延频,陈德新受保护的技术使用者：华北水利水电大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12