Francis99高水头混流式水轮机多学科设计优化

发布时间：2020-05-28 20:28

【摘要】：水轮机是将水能转换为机械能的核心部件,其性能提升一直是水轮机领域的研究热点。为提升水轮机在多种工况下运行的综合性能,本文基于多学科可行性方法开展了Francis99混流式水轮机转轮的多学科设计优化和尾水管肘管的多工况设计优化研究工作,主要工作及成果如下:基于贝塞尔曲线控制原理,采用GRIP语言对Francis99混流式水轮机转轮的长叶片和尾水管肘管进行三维参数化造型设计。转轮长叶片选取6个截面翼型曲线,共14个设计变量表达其几何形状,优化过程综合考虑其水力性能和结构性能,选择水轮机水力效率、转轮叶片表面最小水压力和最大静应力为目标函数。尾水管肘管通过6个设计变量控制肘管中线和各截面宽度、高度变化规律,以静压恢复系数和总压损失系数作为目标函数衡量其回复性能。本文提出了一种基于RBF神经网络近似模型和NSGA-Ⅱ算法的优化方法,首先采用最优拉丁超立方试验设计方法进行设计变量的全局灵敏度计算,分析设计变量对目标函数的影响大小,从而确定敏感变量;然后采用超传递近似法计算各运行工况的权重因子,将多种工况下同类目标函数加权归一处理,建立了敏感变量和目标函数之间的RBF神经网络模型,用该近似模型代替原有的多学科多工况优化问题;最后采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行优化计算,最终建立了转轮长叶片多学科设计优化流程和尾水管肘管多工况设计优化流程。对Francis99混流式水轮机转轮长叶片进行多学科设计优化,结果表明:在优化对应的三个工况点下,优化后转轮叶片的水力性能和结构性能均有所提升,水轮机加权水力效率提高了0.38%,转轮叶片表面最小水压力提升了2.43%,最大静应力降低了5.00%。对尾水管肘管进行多工况设计优化,结果表明:优化针对的最优工况和小流量工况,优化后尾水管对水能的利用率进一步提高,其加权静压恢复系数提高了2.48%,加权总压损失系数减小了3.42%,这表明本文针对Francis99水轮机所建立的转轮长叶片多学科优化系统和尾水管肘管多工优化系统是有效的,并具有一定的工程价值。
【图文】：

示意图,混流式水轮机,示意图,活动导叶

10图 2-2 Francis 99 混流式水轮机示意图Fig.2-2 Schematic diagram of Francis 99 model combination该模型水轮机有三个典型工况的水力试验数据，本文选取这三个工况对转轮进行多学科设计优化工作，表 2-1 给出了该水轮机模型的基本参数，3 个典型工况在模型特性曲线的位置如图 2-3 所示，分别定义为工况 I（小流量工况，，活动导叶开度 3.72°）、工况 I（最优工况，活动导叶开度 9.84°）、工况 V（大流量工况，活动导叶开度 12.44°），工况 I、IV 和 V 的基本参数和效率试验值如表 2-2 所示。另外，为验证优化前后水轮机在其他工况运行的性能，增加两个工况，定义为工况 II（活动导叶开度 6.72°），工况 III（活动导叶开度 8.13°）。表 2-1 Francis99 模型水轮机参数Table2-1 Parameters of Francis99 model turbine转轮直径 D2/(mm) 固定导叶数活动导叶数长叶片数短叶片数349 14 28 15 15

模型综合,计算工况,特性曲线,工况点

第二章 Francis99 模型水轮机参数化造型表 2-2 优化计算工况点Table2-2 Operating conditions工况点导叶开度(°)水头（m）效率(%)转速n(r/s)流量Q(m3/s)转速系数/(r/s)gHnDned=流量系数/(m3/s)DgHnDq2ed=工况 I 3.91 12.29 71.7 6.77 0.07 0.22 0.05工况 IV 9.84 11.91 92.6 5.59 0.20 0.18 0.15工况 V 12.44 11.84 90.6 6.16 0.22 0.20 0.17
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV734.1

【参考文献】