CN107075949B - 反转式水泵水轮机的优化设计方法、以此设计的反转式水泵水轮机及自发电系统 - Google Patents

反转式水泵水轮机的优化设计方法、以此设计的反转式水泵水轮机及自发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供反转式水泵水轮机的优化设计方法。本发明示例性实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法包括：第一叶轮，包括第一叶片；以及第二叶轮，以与第一叶轮隔开规定距离的方式配置，第二叶轮包括多个第二叶片，反转式水泵水轮机的优化设计方法包括：对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤；对设计变量编制正交表的步骤；通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤；以及利用多个反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤。

Description

反转式水泵水轮机的优化设计方法、以此设计的反转式水泵 水轮机及自发电系统
技术领域
本发明涉及反转式水泵水轮机的优化设计方法、以此设计的反转式水泵水轮机及自发电系统。
背景技术
近几年，对用于在水力、风力、太阳光、海洋等自然中有效提取可再生能源资源的自发电系统的关注度日益增加。
但是，由于天气急剧发生变化等因素，从而难以通过从天然资源中提取可再生能源来供给稳定的电力。
为了有效解决如上所述的问题，自发电系统试图通过使用抽水泵用反转水泵水轮装置来实现电力的稳定化。
但是，以往的抽水泵用反转水泵水轮机装置存在因逆流而造成流体力学性能下降的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一实施例的目的在于，所要提供可改善流体力学性能的反转式水泵水轮机的优化设计方法、以此设计的反转式水泵水轮机及自发电系统。
解决问题的方案
根据本发明的一实施方式，提供如下的反转式水泵水轮机的优化设计方法，即，上述反转式水泵水轮机的优化设计方法包括：第一叶轮，包括第一叶片；以及第二叶轮，以与上述第一叶轮隔开规定距离的方式配置，上述第二叶轮包括多个第二叶片，上述反转式水泵水轮机的优化设计方法包括：对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤；对上述设计变量编制正交表的步骤；通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤；以及利用多个上述反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤。
在此情况下，上述反应变量为水泵效率及水轮机效率，上述设计变量可包括从第一叶片及第二叶片的前缘延伸至后缘的虚拟翼弦线L1至弧线L2的最大弧形的高度h以及从上述前缘至作为上述最大弧形的高度的位置为止的最大弧形的距离d及最大厚度t。
在此情况下，上述第一叶片及上述第二叶片可根据美国国家航空咨询委员会(NACA)翼型来定义。
在此情况下，上述对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤还可包括通过固定上述最大厚度t，并将上述最大弧形的高度h及距离d除以从上述第一叶片及上述第二叶片的前缘至后缘的长度之后以百分比来表示，由此确定美国国家航空咨询委员会翼型的步骤。
在此情况下，上述对上述设计变量编制正交表的步骤可包括2n因子设计法。
在此情况下，在通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤中，可利用计算流体力学，恒定地固定扬程h及流量Q，并导出上述反应变量值。
在此情况下，通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤还可包括利用上述反应变量值进行分散分析来判断具有主要效果的设计变量的步骤。
在此情况下，通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤还可包括对上述数值分析结果的有效性进行验证的步骤。
在此情况下，利用多个上述反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤还可包括恒定地固定扬程h及流量Q，并同时考虑上述反应变量值来计算上述最佳设计变量值的步骤。
另一方面，根据本发明的再一实施方式，提供包括通过前述的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的第一叶轮及第二叶轮的反转式水泵水轮机。
另一方面，根据另一实施方式，提供如下的自发电系统，即，上述自发电系统包括：前述的反转式水泵水轮机；电力蓄电器，与上述风力发电机相连接来对所上述生产出的上述电力进行存储；电力调节装置，一端与上述电力蓄电器相连接，另一端与上述反转式水泵水轮机相连接，来对所生产出的上述电力进行调节；下部储罐，与上述反转式水泵水轮机相连接来储存流体；以及上部储罐，以位置高于上述下部储罐的方式设置来储存流体。
发明的效果
本发明一实施例的反转式水泵水轮机通过对第一叶片及第二叶片的最大弧形的高度及最大弧形的距离进行调节，从而在以水泵模式及水轮机模式进行工作的情况下，可同时优化水泵效率及水轮机效率。
附图说明
图1为示出本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法的流程图。
图2为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的状态的简图。
图3为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的状态的简图。
图4为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的内部转子及外部转子的立体图。
图5为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机在以水泵模式和水轮机模式进行工作时的第一叶轮及第二叶轮的立体图。
图6为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的第一叶片及第二叶片的简图。
图7为示出在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时的水轮机效率的分散分析结果的图表。
图8为示出在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的剖视图。
图9为示出在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时的水泵效率的分散分析结果的图表。
图10为示出在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的剖视图。
图11为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，用于对水轮机功率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。
图12为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，用于对水轮机效率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。
图13为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，用于对水泵功率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。
图14为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，用于对水泵效率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。
图15为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的水泵及水轮机效率的图表。
图16为示出在具有通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的自发电系统中水泵水轮机以水泵模式进行工作的状态的简图。
图17为示出在具有通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的磁力发电系统中水泵水轮机以水轮机模式进行工作的状态的简图。
图18为示出本发明一实施例的反转式水泵水轮机的功率的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所属技术领域的普通技术人员容易地实施本发明。本发明可通过多种不同的方式实现，而并不局限于本说明书中所说明的实施例。为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，在整个说明书中，对于相同或类似的结构要素赋予了相同的附图标记。
以下，参照附图，对本发明一实施例的反转式水泵水轮机及其优化设计方法进行更详细的说明。
图1为示出本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法的流程图。
参照图1，本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法可包括：对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤(步骤S10)；对设计变量编制正交表的步骤(步骤S20)；在正交表中通过解释数值来导出反应变量值的步骤(步骤S30)；以及利用多个反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤(步骤S40)。
本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法在反转式水泵水轮机以水泵及水轮机模式来进行工作的情况下，可同时优化水泵及水轮机效率。
图2为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的状态的简图。图3为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的状态的简图。图4为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的内部转子及外部转子的立体图。图5为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机在以水泵模式和水轮机模式进行工作时的第一叶轮及第二叶轮的立体图。
参照图2、图3及图5，通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机10可包括第一叶轮13及第二叶轮17。
在本发明的一实施例中，通过将与流动的流体初遇的前叶轮规定为“第一叶轮13”，将后遇的叶轮规定为“第二叶轮17”来进行说明。
参照图2，当反转式水泵水轮机10以水泵模式来进行工作时，流体从左侧向右侧方向流动，在此情况下，流体初遇的前(front)叶轮为第一叶轮13，以与第一叶轮13向右侧方向隔开规定距离的方式配置的后(rear)叶轮为第二叶轮17。
在此情况下，第一叶轮13与第二叶轮17相隔开的规定距离，例如，可以为23.2mm，但此距离的前提条件为壳体11的直径为150mm。第一叶轮13与第二叶轮17相隔开的规定距离可以为壳体11直径的15％～16％。
并且，参照图3，当反转式水泵水轮机10以水轮机模式进行工作时，流体从右侧向左侧方向流动，在水轮机模式下，流体初遇的前(front)叶轮为第一叶轮13，后(rear)叶轮为第二叶轮17。
参照图2及图3，本发明一实施例的反转式水泵水轮机10的第一叶轮13及第二叶轮17的相对旋转速度可以为1800rpm，第一叶轮13与第二叶轮17之间的叶尖间隙(tipclearance)可以为0.2mm，但并不局限于此。
参照图2至图4，内部转子21使第一叶轮13旋转，外部转子23使第二叶轮17旋转。内部转子21与外部转子23之间恒定地维持相对的旋转速度，从而使2个叶轮13、17与2个转子21、23之间的旋转扭矩被抵消。在此情况下，通过第一叶轮13发生的各个运动量变化与通过第二叶轮17发生的各个运动量相同。
在上述工作条件下，能够以与放电相对应的方式自动调节第一叶轮13及第二叶轮17，在低放电状态下，可抑制不稳定的工作，在高放电状态下，可抑制空穴现象。
在此情况下，空穴现象是指，在流体中若出现低压力空间，则包含于水中的气体会从水中脱离并聚集到低压力空间，由此产生无水空间的现象。因空穴现象而使效率下降。
并且，在上述工作条件下，即使在无变速箱等辅助装置的情况下，也充分提高感应电流，并使转子21、23与叶轮13、17之间的旋转扭矩被抵消，从而防止产生旋转扭矩。
参照图5，通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机10的第一叶轮13及第二叶轮17可分别包括多个第一叶片15及第二叶片19。
在此情况下，如图5所示，第一叶轮13可包括5个第一叶片15，第二叶轮17可包括4个第二叶片19，但本发明的一实施例并不局限于此。
图6为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的第一叶片及第二叶片的简图。
参照图6，在本发明的一实施例中，通过将从第一叶片15及第二叶片19的前缘延伸至后缘的虚拟实线规定为“翼弦线L1”来进行说明。并且，如图6所示，在第一叶片15及第二叶片19的中央以虚线来表示的线为弧线L2。
在此情况下，从翼弦线L1至弧线L2的距离为弧形的高度，在高度最高位置的高度为最大弧形的高度(h＝h1、h2、h3、h4)。并且，从第一叶片15及第二叶片19的前缘至作为最大弧形的高度h位置的距离为最大弧形的距离(d＝d1、d2、d3、d4)。并且，在第一叶片15及第二叶片19的厚度最厚的位置中的厚度为最大厚度t。
在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，第一叶片15及第二叶片19能够以美国国家航空咨询委员会翼型来定义，但并不局限于此。但是，在本发明的一实施例中，以下适用美国国家航空咨询委员会翼型中的3族和5族来对第一叶片及第二叶片进行说明。
在此情况下，翼型是指叶片的翼型，美国国家航空咨询委员会为NationalAdvisory Committee for Aeronautics的缩写，是由美国国家航空咨询委员会开发的机翼中的一种。通常以美国国家航空咨询委员会oooo的方式在美国国家航空咨询委员会的后面加上4位数字代码，其中，第一位数字为以百分比来表示的最大弧形的高度的值，第二位数字为以百分比表示的最大弧形的距离的值，第三位数字和第四位数字为以百分比表示的最大厚度的值。
在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，通过对第一叶片15及第二叶片19的最大厚度t、最大弧形的高度h及最大弧形的距离d进行调节，从而可同时优化反转式水泵水轮机效率及功率。
在此情况下，第一叶片15及第二叶片19的中间风扇的最大厚度t以规定值来进行说明，例如，在中间风扇中，规定为“美国国家航空咨询委员会翼型09”来进行说明，但并不局限于此。若第一叶片15及第二叶片19的最大厚度t过于厚，则可能使制造费用增加，相反，若过于薄，则在旋转，可能使翼破损。
另一方面，参照图1及图6，本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法可包括对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤(步骤S10)。
首先，在对反应变量及对上述反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤(步骤S10)中，为了确定用于优化反应变量值的第一叶片15及第二叶片19的形状而选定设计变量。
因此，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，与第一叶片15及第二叶片19的形状有关的机械设计变量可以为最大厚度t、最大弧形的高度h及最大弧形的距离d。
并且，为了通过优化本发明一实施例的第一叶片15及第二叶片19的形状来实现同时优化水泵效率及水轮机效率的目的，可根据水泵效率及水轮机效率来设定反应变量。
在此情况下，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，为了满足扬程h及流量Q，在用于最佳设计的设计变量中去掉轮毂和保护罩中的有关叶片翼型的设计变量，以下的设计变量为中间风扇中的有关叶片翼型的设计变量。
另一方面，在本发明一实施例的对反应变量及对上述反应变量的反应变量值产生影响的设计变量进行选择的步骤(步骤S10)中，以美国国家航空咨询委员会翼型来下定义的第一叶片15及第二叶片19可通过如下方式确定美国国家航空咨询委员会翼型，即，固定最大厚度t，并将最大弧形的高度h及最大弧形的距离d除以从第一叶片及第二叶片的前缘至后缘的长度后以百分比来表示。
另一方面，参照图1及图6，本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法可包括对设计变量编制正交表的步骤(步骤S20)。
在本发明的一实施例的对设计变量编制正交表的步骤(步骤S20)中，为了掌握全部特性而进行有效实验，并且为了合理分析上述实验结果，通过作为适合的实验计划法的正交排列法来进行实验。
另一方面，在本发明的一实施例的对设计变量编制正交表的步骤(步骤S20)中，可包括2n因子设计法。在此情况下，2n因子设计法是指，对n个因子中的各个因子的水平以2种，例如，以美国国家航空咨询委员会翼型的3族和5族来表示，并通过进行实验来对各个因子的重要性进行判断的方式。
在此情况下，若要求得4种因子的全部效果，则需要将实验的次数设置为24＝16次来求得多个因子的主要效果和交互作用。但是，在交互作用的情况下，存在诸多可忽略的情况，在这种情况下使用部分实施法。
并且，部分实施法中通过排除可忽略的效果来进行实验，因而相对于相同因子数量的因子设计法，可减少实验次数。正交排列法为部分实施法中的一种方法，在本发明的一实施例中，各个设计变量被设定为具有2种水平，作为2种水平类的正交表，如下表1。
表1
实验号 第一叶片_h 第一叶片_d 第二叶片_h 第二叶片_d
1 3 3 3 3
2 5 3 3 5
3 3 5 3 5
4 5 5 3 3
5 3 3 5 5
6 5 3 5 3
7 3 5 5 3
8 5 5 5 5
即，在本发明的一实施例中，用于调节第一叶片15及第二叶片19形状的设计变量为在水轮机模式下具有第一叶片及第二叶片的最大弧形的高度h1、h2及最大弧形的距离d1、d2等4个，在水泵模式下具有第一叶片及第二叶片的最大弧形的高度h3、h4及最大弧形的距离d3、d4等4个。
在此情况下，若要求得4个设计变量的全部效果，则需要将实验次数设置为24＝16次来求得多个设计变量的主要效果和交互作用。
但是，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，为了通过进行8次的实验来生成4个设计变量的效果，第四个(“第二叶片_d”)变量的排列为“第一叶片_h×第一叶片_d×第二叶片_h”。即，例如，当美国国家航空咨询委员会翼型的3族为(-)，且5族为(+)时，实验号2中的排列为“(+)×(-)×(-)＝(+)”，第四个变量排列为(+)，因而美国国家航空咨询委员会翼型为5。
因此，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法的正交表中，通过选择L8来实施8次实验，并对其结果进行了分析。
参照图1及图6，本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法可包括在正交表中通过解释数值来导出反应变量值的步骤(步骤S30)。
在此情况下，在正交表中导出反应变量值的步骤(步骤S30)中，利用计算流体力学，恒定地固定扬程h及流量Q，并导出作为反应变量值的水轮机效率η1及水泵效率η2。
在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，当第一叶片15及第二叶片19的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时，水轮机效率η1如下表2。但是，此时使扬程h大致固定为2m，流量Q固定为112.734m3/s。
表2
实验号 H(m) Q(m<sup>3</sup>/s) η<sub>1</sub>
1 2.037061 112.734 0.782835
2 2.037197 112.734 0.797533
3 2.037197 112.734 0.777279
4 2.041325 112.734 0.796121
5 2.039125 112.734 0.773496
6 1.94171 112.734 0.594484
7 1.966503 112.734 0.548488
8 2.032603 112.734 0.779462
即，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化方法中，若对水轮机效率η1进行比较，则在实验号4中，作为反应变量值的水轮机效率η1为0.796121，因而具有最大值。
另一方面，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，当第一叶片15及第二叶片19的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时，水泵效率η2如下表3。但是，在此情况下，使扬程h大致固定为2m，流量Q固定为8275m3/s。
表3
即，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法中，若对水泵效率η2进行比较，则在实验号3中，作为反应变量值的水泵效率η2为0.624651，因而具有最大值。
图7为示出在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时的水轮机效率的分散分析结果的图表。图8为示出在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的剖视图。图9为示出在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时的水泵效率的分散分析结果的图表。图10为示出在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，第一叶片及第二叶片的剖视图。
参照图7至图10，本发明一实施例的通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤(步骤S30)可包括利用上述反应变量值进行分散分析来判断具有主要效果的设计变量的步骤。
参照图7，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，当第一叶片15的最大弧形的高度h1的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水轮机效率的平均值为0.720525，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水轮机效率的平均值为0.7419。因此，当第一叶片15的最大弧形的高度h1的美国国家航空咨询委员会翼型为5族时，因水轮机效率η1大而更加适合。
但是，在此情况下，当第一叶片15的最大弧形的高度h1的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水轮机效率η1作为两点的情况下，直线的倾斜度缓慢，因而水轮机效率的主要效果并非为第一叶片15的最大弧形的高度h1。
参照图7，当第一叶片15的最大弧形的距离dl的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水轮机效率η2的平均值为0.737087，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水轮机效率η2的平均值为0.725338。因此，当第一叶片15的最大弧形的距离dl的美国国家航空咨询委员会翼型为3族时，因水轮机效率η1大而更加适合。
但是，在此情况下，当第一叶片15的最大弧形的距离dl的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水轮机效率η1作为两点的情况下，直线的倾斜度缓慢，因而水轮机效率的主要效果并非为第一叶片15的最大弧形的距离d1。
因此，参照图8，第一叶片15的最大弧形的高度h1及最大弧形的距离d1在美国国家航空咨询委员会翼型为5族及3族时有效。但是，在此情况下，第一叶片15的最大厚度t被固定。
参照图7，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，当第二叶片19的最大弧形的高度h2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水轮机效率η2的平均值为0.788442，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水轮机效率η2的平均值为0.673983。
因此，当第二叶片19的最大弧形的高度h2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族时，因水轮机效率η1大而更加适合。
但是，在此情况下，当第二叶片19的最大弧形的高度h2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水轮机效率η1作为两点的情况下，直线的倾斜度大，因而水轮机效率的主要效果为第二叶片19的最大弧形的高度h2。
参照图7，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，当第二叶片19的最大弧形的距离d2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水轮机效率η2的平均值为0.680482，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水轮机效率的平均值为0.781943。
因此，当第二叶片19的最大弧形的距离d2的美国国家航空咨询委员会翼型为5族时，因水轮机效率η1大而更加适合。
但是，在此情况下，当第二叶片19的最大弧形的距离d2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水轮机效率η1作为两点的情况下，直线的倾斜度大，因而水轮机效率的主要效果为第二叶片19的最大弧形的距离d2。
参照图7及图8，第二叶片19的最大弧形的高度h2及最大弧形的距离d2在美国国家航空咨询委员会翼型为3及5时有效。但是，在此情况下，第二叶片19的最大厚度t被固定。
因此，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，在水轮机效率η1中，第一叶片15的最大弧形的高度h1及最大弧形的距离dl不产生大的影响，而第二叶片19的最大弧形的高度h2及最大弧形的距离d2具有主要效果，因而第二叶片的最大弧形的高度h2及最大弧形的距离d2的有效美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族。
另一方面，参照图9，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，当第一叶片15的最大弧形的高度h3的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水泵效率η2的平均值为0.611792，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水泵效率η2的平均值为0.5954。
因此，当第一叶片15的最大弧形的高度h3的美国国家航空咨询委员会翼型为3族时，因水泵效率η2大而更加适合。
但是，在此情况下，当第一叶片15的最大弧形的高度h3的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水泵效率η2作为两点的情况下，直线的倾斜度大，因而水泵效率的主要效果为第一叶片15的最大弧形的高度h3。
参照图9，当第一叶片15的最大弧形的距离d3的美国国家航空咨询委员会翼型分别为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水泵效率η2的平均值为0.59982，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水泵效率η2的平均值为0.607311。因此，当第一叶片15的最大弧形的距离d3的美国国家航空咨询委员会翼型为5族时，因水泵效率η2大而更加适合。
但是，在此情况下，当第一叶片15的最大弧形的距离d3的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水泵效率η2作为两点的情况下，直线的倾斜度缓慢，因而水轮机效率的主要效果并非为第一叶片15的最大弧形的距离d3。
参照图9及图10，因此，第一叶片15的最大弧形的高度h3及最大弧形的距离d3在美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族时有效。但是，在此情况下，第一叶片15的最大厚度t被固定。
参照图9，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，当第二叶片19的最大弧形的高度h4的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水泵效率η2的平均值为0.605353，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水泵效率η2的平均值为0.60184。
因此，当第二叶片19的最大弧形的高度h4的美国国家航空咨询委员会翼型为3族时，因水泵效率η2大而更加适合。
但是，在此情况下，当第二叶片19的最大弧形的高度h4的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水泵效率η2作为两点的情况下，直线的倾斜度缓慢，因而水泵效率的主要效果并非为第二叶片19的最大弧形的高度h4。
参照图9，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，当第二叶片19的最大弧形的距离d4的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在美国国家航空咨询委员会翼型为3族时的水泵效率η2的平均值为0.600766，在美国国家航空咨询委员会翼型为5族时的水泵效率η2的平均值为0.606427。
因此，当第二叶片19的最大弧形的距离d4的美国国家航空咨询委员会翼型为5族时，因水泵效率η2大而更加适合。
但是，在此情况下，当第二叶片19的最大弧形的距离d4的美国国家航空咨询委员会翼型为3族和5族时，在以水泵效率η2作为两点的情况下，直线的倾斜度缓慢，因而水轮机效率的主要效果并非为第二叶片19的最大弧形的距离d4。
参照图9及图10，第二叶片19的最大弧形的高度h4及最大弧形的距离d4在美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族时有效。但是，在此情况下，第二叶片19的最大厚度t被固定。
参照图9及图10，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，在水泵效率η2中，第二叶片19的最大弧形的高度h4及最大弧形的距离d4不产生大的影响，而第一叶片15的最大弧形的高度h3具有主要效果，因而第一叶片的最大弧形的高度h3及最大弧形的距离d3的有效美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族。
图11为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，用于对水轮机功率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。图12为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，用于对水轮机效率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。图13为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，用于对水泵功率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。图14为在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，用于对水泵效率的解释数值结果的有效性进行验证的图表。
参照图11至图14，本发明一实施例的通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤(步骤S30)还可包括对上述数值分析结果的有效性进行验证的步骤。
在图11至图14中，在本发明一实施例的反转式水泵水轮机以水轮机模式及水泵模式进行工作的情况下，实线表示通过解释数值来预测的功率及效率值，四角形表示通过进行性能试验来得出的功率及效率值。
如图11及图12所示，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作的情况下，通过解释数值来预测出的每分钟N的水轮机功率P1及效率η1比性能试验结果稍微高，但在整个区域中，水轮机功率P1及效率η1的分布呈现与数值分析结果相同的倾向，因而可以判断出本发明的数值分析结果为有效的结果。
如图13及图14所示，在通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作的情况下，通过解释数值来预测出的每分钟N的水泵功率P2比性能试验结果稍微高。
并且，所预测出的水泵效率η2稍微高于性能试验结果，但在整个区域中，水泵功率P2及效率η2的分布呈现与数值分析结果相同的倾向，因而可以判断出本发明的数值分析结果为有效的结果。
图15为示出通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的水泵及水轮机效率的图表。
参照图15，本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法还可包括根据多个反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤(步骤S40)。
另一方面，根据多个反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤还可包括恒定地固定扬程h及流量Q，并同时考虑上述反应变量值来计算上述最佳设计变量值的步骤。
在本发明的一实施例的利用多个反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤(步骤S40)中，若在水轮机模式下对水轮机效率η1进行比较，则在实验号4中，作为反应变量值的水轮机效率η1为0.796121，因而具有最大值，在水泵模式下，在实验号4中，作为反应变量值的水泵效率η2为0.58413。
并且，在实验号3中，作为反应变量值的水轮机模式下的水轮机效率η1为0.777239，在水泵模式下的水泵效率η2为0.624651，因而具有最大值。因此，可以实现同时考虑到水泵及水轮机效率的优化设计。
因此，当考虑到水轮机效率及水泵效率时，最大弧形的高度h3及最大弧形的距离d3的美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族的第一叶片15以及最大弧形的高度h2及最大弧形的距离d2的美国国家航空咨询委员会翼型为3族及5族的第二叶片19对本发明一实施例的反转式水泵水轮机的水泵及水轮机效率有效。
图16为示出在具有通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的自发电系统中水泵水轮机以水泵模式进行工作的状态的简图。图17为示出在具有通过本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的反转式水泵水轮机的磁力发电系统中水泵水轮机以水轮机模式进行工作的状态的简图。图18为示出本发明一实施例的反转式水泵水轮机的功率的图表。
参照图16及图17，本发明一实施例的自发电系统1可包括风力发电机31、电力蓄电器33、电力调节装置35、反转式水泵水轮机10、上部储罐45、下部储罐47、磁阀37、逆变器39及马达41。
在此情况下，自发电系统1包括：作为新再生能源的风力发电机31；反转式水泵水轮机10，进行抽水发电；上部储罐45；下部储罐47；以及磁阀37，由此生产出稳定的电力。
在此情况下，风力发电机31利用设置有自发电系统1的地区的风来生产电力。由风力发电机31生产的电力存储于电力蓄电器33中。参照图16，电力蓄电器33的一端与逆变器39相连接，另一端与电力调节装置35相连接。
如图16所示，电力蓄电器33用于存储直流电力，并借助逆变器39将直流电力转换为交流电力来向与反转式水泵水轮机10相连接的马达41供给。
如图17所示，由反转式水泵水轮机10生产的水轮机的功率为交流电力，从而借助逆变器39将交流电力转换为直流电力来存储于电力蓄电器33中。
并且，电力蓄电器33供给规定电力PG，由于风力发电机31的功率随着风速的加快而变大，因而在过度供给电力的情况下，以水泵模式来启动反转式水泵水轮机10。
在此情况下，当在以水泵模式启动反转式水泵水轮机10来使储存于下部储罐47的流体向上部储罐45移动的过程中，若需要电力，则通过排放储存于上部储罐45的流体来生产电力。像这样，过度电力通过水泵模式作为潜在能源得到存储。
参照图18，在自发电系统1进行工作的期间内，例如，要求至少24kW的容量，虽然未示出，但电力蓄电器33中设置有电表，因而可以测定上述容量。
参照图17及图18，电力调节装置35的一端与磁阀37相连接，另一端与电力蓄电器33相连接，从而可知功率是否大于规定电力PG。
在此情况下，当从风力装置供给伴随不足功率的电力PG时，为了将被存储的潜在能源转换为水力功率，电力调节装置35使反转式水泵水轮机以水轮机模式进行工作。
另一方面，在上部储罐45及下部储罐47内储存有流体，上部储罐45及下部储罐47可借助溢流管43相连接。在此情况下，上部储罐45以高于下部储罐47的方式配置。
因此，参照图16至图18，当使存储于下部储罐47的流体向上部储罐45移动时，电力蓄电器33可通过向反转式水泵水轮机10供给压力来使反转式水泵水轮机以水泵模式进行工作。
相反，当储存于上部储罐45的流体向下部储罐47移动时，由于所配置的上部储罐45与下部储罐47之间存在高度差，因而使反转式水泵水轮机10以水轮机模式进行工作来排出功率。
另一方面，在上部储罐45与反转式水泵水轮机10之间连接有磁阀37，从而对流量进行调节。下部储罐47与反转式水泵水轮机10相连接。
在此情况下，水泵水轮机的头部为15m，在水泵模式下的压力可以为625kW。由此，自发电系统1保证与因风力装置而产生的功率相对应的恒定的电力(PG＝1MW)。
本发明一实施例的反转式水泵水轮机的优化设计方法通过将第一叶片及第二叶片的最大弧形的高度及最大弧形的距离作为设计变量，从而可同时优化作为水轮机效率及水泵效率的反应变量。
以上，对本发明的一实施例进行了说明，但本发明的思想并不局限于本说明书所提出的实施例，理解本发明思想的本发明所属技术领域的普通技术人员可在相同思想的范围内通过对结构要素进行附加、变更、删除、追加等方式来容易地提出其他实施例，但这也应属于本发的思想范围之内。
产业上的可利用性
本发明一实施例的反转式水泵水轮机通过对第一叶片及第二叶片的最大弧形的高度及最大弧形的距离进行调节，从而在以水泵模式及水轮机模式进行工作的情况下，可同时优化水泵效率及水轮机效率。

Claims (10)

1.一种反转式水泵水轮机的优化设计方法，
上述反转式水泵水轮机包括：
第一叶轮，其在圆形截面壳体的外周面上以能够旋转的方式结合，上述第一叶轮包括多个第一叶片；以及
第二叶轮，其在上述壳体的外周面上以与上述多个第一叶片的旋转方向相反的方向能够旋转的方式结合且以与上述第一叶轮隔开规定距离的方式配置，上述第二叶轮包括多个第二叶片，
上述第一叶片及上述第二叶片以美国国家航空咨询委员会翼型来定义，上述反转式水泵水轮机的优化设计方法的特征在于，包括：
用水泵效率及水轮机效率来选择反应变量，及用对上述反应变量产生影响且根据上述第一叶片的最大弧形的高度(h)的美国国家航空咨询委员会翼型的第一代码值、根据上述第一叶片的最大弧形的距离(d)的美国国家航空咨询委员会翼型的第二代码值、根据上述第二叶片的最大弧形的高度(h)的美国国家航空咨询委员会翼型的第三代码值、根据上述第二叶片的最大弧形的距离(d)的美国国家航空咨询委员会翼型的第四代码值来选择设计变量的步骤；
用作为上述设计变量的上述第一代码值至上述第四代码值编制正交表的步骤；
通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤；以及
从多个上述反应变量值来计算具备优化的反应变量值的上述设计变量值的步骤，
其中，在上述编制正交表的步骤中，当上述第一代码值至上述第三代码值为相互不同的两个值时，上述第四代码值被规定为上述第一代码值至上述第三代码值中个数少的值，当上述第一代码值至上述第三代码值为相同的值时，上述第四代码值被规定为与上述第一代码值至上述第三代码值相同的值。
2.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，上述第一叶轮与上述第二叶轮的规定距离为上述壳体直径的15％～16％。
3.根据权利要求2所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，上述第一叶片及上述第二叶片通过固定最大厚度(t)来规定美国国家航空咨询委员会翼型的值。
4.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，上述对上述设计变量编制正交表的步骤包括2n因子设计法，其中，所述2n因子设计法是指对n个因子中的各个因子的水平以美国国家航空咨询委员会翼型的3族和5族进行实验来对所述各个因子的重要性进行判断的方式。
5.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，在通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤中，利用计算流体力学，恒定的固定扬程(H)及流量(Q)，并导出上述反应变量值。
6.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤还包括利用上述反应变量值进行分散分析来判断具有主要效果的设计变量的步骤。
7.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，通过数值分析来从上述正交表中导出上述反应变量值的步骤还包括对上述数值分析结果的有效性进行验证的步骤。
8.根据权利要求1所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法，其特征在于，利用多个上述反应变量值来计算最佳设计变量值的步骤还包括恒定的固定扬程(H)及流量(Q)，并同时考虑上述反应变量值来计算上述最佳设计变量值的步骤。
9.一种反转式水泵水轮机，其特征在于，包括通过权利要求1至8中的一项所述的反转式水泵水轮机的优化设计方法来设计的第一叶轮及第二叶轮。
10.一种自发电系统，其特征在于，包括：
根据权利要求9所述的反转式水泵水轮机；
风力发电机，利用风来生产电力；
电力蓄电器，与上述风力发电机相连接来对所生产出的上述电力进行存储；
电力调节装置，一端与上述电力蓄电器相连接，另一端与上述反转式水泵水轮机相连接，来对所生产出的上述电力进行调节；
下部储罐，与上述反转式水泵水轮机相连接来储存流体；以及
上部储罐，以位置高于上述下部储罐的方式设置来储存流体。
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