高水头长短叶片混流式转轮短叶片的多学科优化

发布时间：2020-02-08 07:45

【摘要】：转轮是水力机组的核心部件,也是水电运行中最容易受到破坏的部件。新型转轮需要尽量提高效率,改善空蚀、磨蚀和应力集中等问题以改善整体性能,达到机组安全、经济的运行指标。带有短叶片的转轮具有高效区较宽、振动小、抗空蚀磨损等优势,发展前景广阔。在水力机械优化设计过程中,优化中的两个重要的学科是水力性能和结构性能。为了探索更好的水轮机优化设计路线,缩短研发周期,确保机组稳定、高效运转,本文基于多学科优化设计方法,同时考虑水轮机转轮的水力性能和结构性能,对高水头混流式水轮机转轮短叶片进行多学科优化设计。本文采用CFD计算与FEM分析相结合的优化流程,以提升转轮整体性能,优化中将包括上冠下环在内的转轮整体考虑进去,以得到与实际更接近的应力分布。通过采用UG二次开发的Open Grip语言编译程序对叶片几何进行参数化,运用Bezier曲线拟合叶片各截面几何翼型骨线,实现转轮的参数化。优化自变量为短叶片翼型骨线外形、翼型头部偏移量、翼型相对厚度,约束条件为进出口总压差,优化目标为转轮效率、转轮叶片最低静压值和转轮最大静应力,进行学科间耦合信息传递及各学科的分析,运用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法展开全局寻优从而得到最终优化结果。本文基于NSGA-Ⅱ多目标遗传算法分别对三个工况下的转轮进行优化,再通过超传递近似法对不同几何在三个工况下的优化目标进行加权,对加权目标函数进行比较,最终的优化几何选取大流量工况下优化的几何。优化后的结果显示,优化后的转轮效率得到提高,最低静压得到提升,最大静应力有所降低,转轮的整体性能得到了提高,对水轮机转轮短叶片多学科优化设计的工程应用进行了一定的探索。
【图文】：

水电装机,全球,容量

水能作为国际公认的清洁能源，开发利用技术相比核能、风能，太阳能等能源更为成熟。2016 年，全球水电稳步增长，总装机容量达到 1246GW，新增装机容量 31.5GW，其中抽水蓄能新增装机6.4GW，如图1-1和图1-2所示。同年全球水电总发电量约为4102TWh，是贡献最大的可再生能源[1]。据国际行业预测，到 2050 年，全球水电装机将由目前的 10亿 kW 翻一番达到 20 亿 kW。亚洲、非洲、南美是今后水电建设的重点地区。我国是全球最大的水电国家，，水电总装机容量已经占据全球四分之一的份额。以三峡工程为代表的一系列大型水电项目的建设，极大地促进了全球水电行业的飞跃发展，成就举世瞩目。图 1-1 2016 年世界各区域水电新增装机容量Fig.1-1 New installed capacity of hydropower in 2016 in the world水轮机是水电站中把水流的能量转换的核心设备，其性能的好坏直接决定着电站的经济效益。开发出性能优越的水轮机模型，保证机组稳定高效运行，意义非常重大[2]。衡量水轮机水力性能的三大重要指标是效率、空化及稳定性。其中

翼型,拟合,二维,贝塞尔曲线

2013 年 Q.Wang[73]等运用 β 样条曲线设计了中等厚度的风机翼情况下，并且运用改良的粒子群优化算法对翼型进行优化，改并对雷诺数对翼型特性的影响进行了阐述。线拟合示意线的具体表达式如下：,( ),m m nP B t,( ) ( 1 ) , 0 , 1 , 2 . . . .m m n mm n nB t c t t m n 0 t 1折线多边形的顶点，m ,nB 是伯恩斯坦基函数。下，四顶点三阶贝塞尔曲线的精度能满足要求。3 2 2 30 1 2 3 ) 3 (1 ) 3 (1 ) t a t t a t t a t a3 2 2 30 1 2 3 ) 3 (1 ) 3 (1 ) t b t t b t t b t bm ， bm 分别为控制点坐标 , m m mP a b ， m 0,1, 2,3；t 表征骨线总长的比率，；。个控制点分别为 P0、P1、P2、P3。曲线从头部 P0走向尾部 P3，部的切向方向。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK733.1

【参考文献】