潮汐电站用双向对旋轴流式水泵水轮机水力优化设计

论文摘要

潮汐能作为一种可再生能源,高效、清洁、并且可以大规模开发和应用。潮汐机组双向运行方式可以提供相对连续的电力,具有很强的电网适应性,可调峰运行,然而潮汐机组反向运行抽水工作时,效率特别低。由于对旋机组效率更高、结构更紧凑、性能曲线更稳定、抗气蚀性能更好,将对旋技术应用于潮汐电站上,期望能够在充分发挥发电优势的基础上,更有效地提升机组抽水工况的性能,为下一步发电提供更多的势能。对旋技术在风机上应用较为广泛,在泵和水轮机领域还很少见,其水动力设计、结构设计等技术还不成熟,对旋机构动-动干涉剧烈,内部流动复杂,将其应用在潮汐机组上,在实现其正反向发电以及正反向抽水基础功能的前提下,提升各向工况的性能具有重要的工程意义和学术价值。本文针对潮汐电站双向对旋轴流式水泵水轮机进行了水力优化设计,采用理论分析和水力优化设计计算相结合的方法对双向对旋轴流式水泵水轮机的性能进行研究,重点总结分析了对旋叶轮变转速和稳定性,探索了变转速下对旋轴流式潮汐机组性能变化规律,为后续开发潮汐电站机组发电方式提供了理论支持。主要研究内容和结论如下:1.构建了适用于潮汐电站上两种常见的对旋机组结构,对“S”形叶片双向对旋轴流式水泵水轮机进行了水力设计,对不同叶轮级间间隙对机组性能的影响做了计算与分析,获得了不同级间间隙下机组扬程（水头）和效率变化规律,并从涡量分布以及轴截面压力云图分析总结了级间间隙对机组的影响,初步确定了机组性能最佳级间间隙的范围。2.以各翼型安放角和级间间隙为优化参数,通过二次回归正交组合试验设计方法进行优化,对优化得到的回归模型做了显著性检验,并做了单因子效应分析和双因子效应分析。总结得到分别从改变单因素和双因素方面上,提高泵工况扬程、效率以及提高水轮机工况水头和效率的方法。3.通过变量转换直接寻优法找出各向工况最优方案;通过频率分析及统计寻优,以各工况临界值作为条件,在频率次数出现较高的区域内确定各工况因素的值。对所有列出的优化方案进行统计筛选,得出了各向工况综合性能达到最优的一组优化方案。4.分析首级叶轮、次级叶轮等转速运行下泵工况和水轮机工况两转轮性能变化,揭示了等转速下首级叶轮与次级叶轮功率变化规律。对泵工况和水轮机工况分别进行首级叶轮变转速和次级叶轮变转速分析,并分析了首级叶轮和次级叶轮周期径向力的变化,得到了两级叶轮等功率运行的匹配转速,揭示了变转速下首级叶轮和次级叶轮径向力的变化规律。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 对旋设计研究现状

1.2.2 叶轮优化研究现状

1.2.3 对旋叶轮变转速研究现状

1.3 本课题研究的主要内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要研究内容

第二章贯流式对旋多工况水轮机设计理论基础

2.1 “S”形叶片的动力势能

2.2 多因素优化设计理论与方法

2.2.1 正交试验统计分析

2.2.2 Box-Behnken设计

2.2.3 均匀试验设计

2.2.4 二次饱和D-最优设计

2.2.5 二次正交回归组合设计

2.3 本章小结

第三章双向对旋轴流式水泵水轮机水力设计

3.1 双向对旋轴流式水泵水轮机机组结构

3.2 双向对旋轴流式叶轮水力设计

3.2.1 结构参数选择

3.2.2 流线法设计计算截面

3.2.3 “S”叶片的造型

3.3 不同叶轮级间间隙对性能的影响

3.3.1 对旋水轮机流体域三维造型与网格划分

3.3.2 泵与水轮机工况边界条件设置

3.3.3 级间间隙对外特性的影响

3.3.4 不同级间间隙内部流动分析

3.4 本章小结

第四章对旋叶轮优化设计及结果寻优分析

4.1 二次回归正交组合试验设计方法

4.1.1 二次回归正交组合试验设计变量及设计方案的确定

4.1.2 二次回归正交组合结果统计方法

4.1.3 回归方程的显著性检验

4.2 二次回归正交组合结果统计分析

4.2.1 单因子效应分析

4.2.2 双因子互作效应分析

4.2.3 变量转换直接寻优

4.2.4 频率分析及统计寻优

4.2.5 优化性能对比与综合性能

4.3 本章小结

第五章对旋叶轮变转速及稳定性分析

5.1 两级叶轮等转速运行特性分析

5.2 泵工况叶轮变转速匹配运行性能

5.2.1 泵工况次级叶轮变转速匹配

5.2.2 两级叶轮匹配运行性能

5.3 水轮机工况叶轮变转速匹配运行性能

5.3.1 水轮机工况首级叶轮变转速匹配

5.3.2 水轮机工况次级叶轮变转速匹配

5.3.3 两级叶轮匹配运行性能

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 研究结果总结

6.2 工作展望

附表

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及工作内容

一、论文成果

二、部分授权及受理专利

三、获奖情况

四、参加科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李扬

导师: 朱荣生

关键词: 潮汐能,对旋叶轮,水泵水轮机,二次回归正交,变转速

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,地球物理学,水利水电工程,新能源

单位: 江苏大学

基金: 江苏省产学研项目(BY2016072-02)“特种轴流泵关键技术研制及产业化”,山西省重点研发计划(201603D121012)“新型高效轴流泵及装置系统关键技术研制”

分类号: P743.3;TV136

总页数: 87

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