《Journal of Energy Storage》：A design strategy for efficient bidirectional operation of contra-rotating pump-turbines based on geometric parameter correlation analysis
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Ce An|Shijie Li|Wensheng Ma|Yibin Li|Chenxu Zhang|Zhuravkov Michael中国兰州730050，兰州理工大学能源与动力工程学院摘要在全球能源结构转型以及可再生能源整合需求日益迫切的背景下，低水头大流量抽水蓄能技术已成为拓
Ce An|Shijie Li|Wensheng Ma|Yibin Li|Chenxu Zhang|Zhuravkov Michael
中国兰州730050，兰州理工大学能源与动力工程学院
摘要
在全球能源结构转型以及可再生能源整合需求日益迫切的背景下，低水头大流量抽水蓄能技术已成为拓展储能应用的重要方向。双向反向旋转式可逆泵涡轮机因其结构紧凑且具有高效潜力而备受关注。然而，现有的双向轴流泵叶片设计往往在实现反向运行的同时会降低效率。因此，本文提出了针对双向反向旋转式可逆泵涡轮机的优化设计策略。研究首先确定了九个关键几何参数，包括前缘入射角、后缘入射角、轮毂和导叶的扭转角、叶片数量、轴向叶片长度、叶片厚度、级间距离以及叶片扫掠几何形状。通过正交实验设计制定了27种设计方案，并通过数值模拟进行分析。相关性分析表明，在泵送和涡轮运行模式下，导叶的扭转角、轮毂的扭转角以及后缘入射角是影响效率和负载比的最重要设计变量。基于此分析，研究进一步以后缘入射角以及轮毂和导叶的扭转角作为优化变量。结合神经网络替代模型与NSGA-II多目标遗传算法，以保持高效率并降低次级叶轮的轴功率为目标进行优化。结果表明，采用不等叶片数量的优化模型可在显著降低负载比的同时保持约72%的效率。此外，双向运行时的水头特性也更加稳定。总之，本文提出的优化策略有效实现了双向反向旋转式轴流泵涡轮机的高效设计及负载比控制，为低水头双向抽水蓄能技术的发展提供了可行的方法。
引言
在化石燃料日益减少以及气候变化影响加剧的双重驱动下，世界各国正在积极推进向多元化低碳能源结构的转型[1]、[2]。随着电力系统中间歇性及不可调度能源的比例持续上升[3]，储能技术，尤其是抽水蓄能技术的重要性愈发凸显[4]。目前，大多数抽水蓄能系统都建在山区，较高的水头和较大的落差有助于提升能量转换效率[5]。不过，这些地理优势也在一定程度上限制了其他地区发展抽水蓄能技术，制约了海上或平坦地形区域的相关项目进展。尽管存在效率相对较低等诸多挑战[8]，但具有大流量特性的低水头抽水蓄能方案仍被认为具有巨大潜力，为该领域的发展带来了新的机遇[6]、[7]。
近年来，随着低水头抽水蓄能技术的进步，反向旋转结构逐渐引起了研究人员的关注，并被引入到抽水蓄能装置的研究中。为了设计出比转速更高、结构更紧凑且高效范围更宽的轴流泵，反向旋转结构已成为重要的研究方向[9]、[10]、[11]。多项数值模拟研究表明，经过良好设计的低水头反向旋转式可逆泵涡轮机在泵送模式和涡轮模式下均有实现高效率的潜力[12]、[13]。Ruben等人[14]通过调整速度比对反向旋转式可逆泵涡轮机的性能进行了实验评估，他们将两个叶轮轴通过锥齿轮与电机轴垂直连接。Prasasti等人[15]利用计算流体动力学优化了反向旋转式可逆泵涡轮机的设计，并确定了不同转速下的流量和水头范围。Daan等人[3]认为反向旋转式可逆泵涡轮机具备实现低水头抽水蓄能的潜力，同时还提出了一种用于实现电网频率控制的双速控制架构。
现有的反向旋转式可逆泵涡轮机设计采用单向结构，因此能够在泵送和涡轮运行模式下实现相对较高的效率。然而，许多当前的抽水蓄能应用，尤其是涉及潮汐能的应用，对可逆泵涡轮机提出了更高要求，需要其满足双向运行条件[16]。以泵为例，双向泵站主要采用以下几种方式[17]：（1）直接反转叶轮的旋转方向；（2）将叶轮叶片旋转180°；（3）更换叶轮或整体倒置泵体；（4）利用阀门控制的特殊流道。对这些方案的全面比较表明，通过直接反转叶轮来实现反向泵送操作是最简单且最便捷的技术方法，也是目前双向轴流泵研究的核心焦点。
在双向轴流泵的叶轮设计方面，通常将其分为三类：双向对称翼型、对称翼型以及非对称翼型。其中，双向对称翼型包括平板形、椭圆形和S形叶片等多种形式，其中S形叶片最为常见[18]。Tang Fangping等人[17]在其轴流泵的叶轮叶片上采用了双向对称翼型。虽然这种方式便于在双向运行状态之间切换，但其效率相对较低。Mao Ning等人[19]对采用S形叶片的双向轴流泵进行了数值模拟研究，分析了其在正向和反向流动条件下的性能，并研究了叶轮区域的流动情况。Wu Zhong等人[20]探讨了叶轮叶片数量等几何参数对双向轴流泵动态特性的影响。Meng Fan[21]则设计了采用非对称翼型结构的双向轴流泵的水力模型，并对其内部流动特性以及熵产损失进行了分析。
综上所述，现有的双向轴流泵叶片设计往往在实现反向泵送操作的同时会降低运行效率。因此，我们的研究团队提出了开发双向反向旋转式可逆泵涡轮机模型的方案，其中包括对叶轮优化以及变速运行的相关研究[22]、[23]。为了进一步优化叶轮，本文提出了针对双向反向旋转式可逆泵涡轮机的优化策略。通过分析几何参数与外部性能特性之间的关联，筛选出三个关联度较高的参数进行进一步的多目标优化。研究结果表明，本文提出的优化策略能有效实现双向反向旋转式轴流泵涡轮机的高效设计及负载比控制。
章节节选
计算方法
几十年来，各种形式的模型系列一直是工业应用中最常用的湍流模型。本研究采用可实现的双层模型[24]来求解湍流动能(k)和耗散率(ε)的传输方程。该模型的特点在于它将计算域划分为两个不同的区域[25]：靠近壁面的层和远离壁面的主体流动层。在近壁面区域
反向旋转叶轮优化方案的设计
在叶轮建模过程中，需要确定众多的设计变量。根据初步经验，本次正交实验设计选择了九个设计变量作为实验因素。这些变量包括：前缘入射角Δβ?、后缘入射角Δβ?以及叶片厚度δ（如图5a所示）；导叶处的轴向叶片长度lb?以及级间距离l?（如图5b所示），而
测试系统
如图17所示，测试系统包括模型泵、水箱、阀门I和II（闸阀）以及相关的管道。此外，还包括一些测量仪器：电磁流量计、压力变送器、电气仪表以及数据采集设备。
该多功能测试系统配备了以下仪器及其关键参数：
与传统泵的压力测量方式不同，本测试装置采用了三种压力测量方式
样本建立与神经网络替代模型
为了优化4叶片叶轮的设计，在保持泵涡轮机高效率的同时降低次级叶轮的轴功率，首先需要建立设计变量与性能目标（效率η和负载比Pr）之间的映射关系。由于对所有运行条件进行完整的计算流体动力学模拟需要巨大的计算成本，本研究采用了替代建模方法
讨论
当前反向旋转式可逆泵涡轮机的中等往返效率可归因于若干固有因素。首先，由于制造限制，在缩小原型尺寸后不得不增加叶片厚度，这降低了有效的流道面积并带来了额外的水力损失。其次，双向设计本身就意味着与单向优化设计相比会牺牲一定的效率，因为叶片形状必须同时适应正向和反向流动
结论
本文提出了一种用于反向旋转轴流泵的新型优化设计方法。该方法分析了关键叶轮设计变量对反向旋转泵涡轮机在泵送和涡轮运行模式下最终性能的影响。具体工作内容总结如下：
（1）选择了九个关键的叶轮设计变量，每个变量有三个取值水平。通过正交实验设计，共建立了27种新的反向旋转泵涡轮机设计方案。通过相关性分析
CRediT作者贡献说明
Ce An：撰写——初稿，概念构思。Shijie Li：数据整理。Wensheng Ma：撰写——审阅与编辑，资金获取。Yibin Li：方法论。Chenxu Zhang：软件相关工作。Zhuravkov Michael：指导。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文所汇报工作的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了重庆市技术创新与应用发展项目（编号CSTB2024TIAD - STX0017）以及甘肃省自然科学基金（编号26JRRA526）的支持。
