[发明专利]基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机转轮叶片优化方法

权利要求书

1.基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机转轮叶片优化设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，基于CFD数值模拟方法，建立水轮机全过流通道三维数值仿真模型，获取最优工况时尾水管进口处的流速分布特性；

所述步骤1的具体过程为：

基于CFD数值分析方法，建立包含引水部件、导水部件、转轮以及尾水管在内的所有过流部件的水轮机全流道三维数值仿真模型，对最优工况的水轮机内部流场进行模拟，并获取尾水管进口截面处的轴向速度分布曲线；

步骤2，结合贝塞尔曲线及CFD数值仿真计算方法，以尾水管进口轴向速度分布规律为优化变量，以尾水管过流量保持恒定为约束条件，以尾水管水力损失最小为目标函数，建立尾水管进口轴向速度分布优化设计模型，并采用粒子群优化算法为优化方法进行优化；

所述步骤2的具体过程为：

步骤2.1，采用分段四点三次贝塞尔曲线，对步骤1中得到的转轮出口轴向速度分布曲线进行拟合，获取优化设计变量；采用3段贝塞尔曲线对初始轴面流速分布规律曲线进行拟合，各段贝塞尔曲线的控制点分别为，第一段A₀(x₀，y₀)、A₁(x₁，y₁)、A₂(x₂，y₂)、A₃(x₃，y₃)，第二段A₃(x₃，y₃)、A₄(x₄，y₄)、A₅(x₅，y₅)、A₆(x₆，y₆)，第三段为A₆(x₆，y₆)、A₇(x₇，y₇)、A₈(x₈，y₈)、A₉(x₉，y₉)，其中第一段和第二段共用控制点A₃，第二段和第三段共用控制点A₆；优化变量X如下公式(1)所示：

步骤2.2，确立优化约束条件及优化目标函数，结合步骤2.1中确立的优化变量X，建立转轮出口轴向速度优化设计的数学模型；

约束条件：

∫V_ZdA＝Q_opt (2)；

目标函数：

f(X)＝min(h_dt) (3)；

式中，V_Z表示转轮出口的轴面速度，A为尾水管进口截面，Q_opt为水轮机最优工况流量，h_dt表示尾水管水力损失，根据以下式(4)计算得出：

h_dt＝(P_in-P_out)/ρg (4)；

式中：P_in为尾水管进口截面总压，P_out为尾水管出口截面总压，ρ为流体介质密度，g为重力加速度；

步骤2.3，结合批处理程序语言及Fortran语言，编制基于ANSYSCFX粒子适应度计算机自动计算过程；

步骤2.4，采用粒子群算法为优化算法开展转轮出口轴向速度分布的最优化求解，在计算完成后获得一组使尾水管水力损失最小的变量X；这组变量X所对应的速度分布曲线即为最优转轮出口轴向速度分布曲线；

步骤3，结合贝塞尔曲线及CFD数值计算方法，以转轮叶片骨线为优化变量，以最优工况转轮出口轴向速度分布规律和步骤2中求解得出的最优轴向速度分布规律一致为约束条件，以转轮叶片在最优工况和额定工况效率最优为目标函数，建立尾水管进口轴向速度分布优化设计模型，并结合多目标NSGA-II优化算法对模型进行求解；

所述步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，采用四点三次贝塞尔曲线，对转轮叶片翼型骨线进行参数化，获取翼型骨线优化变量；

所述步骤3.1的具体过程为：

步骤3.1.1，取叶片与轮毂轮缘的两条交线，在叶片上根据叶片形状用不同叶高位置的五个流面去截取与叶片的交线，得到七个翼型；

步骤3.1.2，采用保角变换法将三维翼型展开成二维翼型；翼型展开后，做一系列二维翼型压力面和吸力面的内切圆，依次连接这些内切圆的圆心即可得到翼型的骨线；

步骤3.1.3，利用贝塞尔曲线的原理对骨线进行拟合，并将厚度套加在拟合出的骨线上，即可得到拟合后翼型，然后进行逆变换将二维翼型还原成三维翼型，用七个翼型分别对压力面和吸力面建模，得到参数化后的叶片；

步骤3.2，确定约束条件及目标函数，结合步骤3.1中构建的优化变量，建立转轮叶片优化设计的数学模型；

所述步骤3.2的具体过程为：

步骤3.2.1，设定约束条件如下：

A)能量约束条件

0.995≤H_BJS/H_B≤1.005 (5)；

式中：H_BJS为流场计算得到的水头，H_B为给定的计算水头；

为了便于计算，将公式(5)写成如下形式：

H_BJS/H_B-1.005≤0 (6)；

0.995-H_BJS/H_B≤0 (7)；

B)最低压力约束条件

P_min≥P_V (8)；

式中，P_min为流场计算得到的叶片表面最低压力；P_V为计算温度下水的饱和蒸汽压，计算介质为25℃水，该介质对应的饱和蒸汽压力为3169Pa；

为了便于计算，将公式(8)写成如下形式：

3169-P_min≤0 (9)；

C)轴向流速分布约束：

δ_max≤0.5 (10)；

为了便于计算，将公式(10)写成如下形式：

δ_max-0.5≤0 (11)；

式中：δ_max为流场计算得到的轴面流速与给定的轴面流速分布规律之间偏差的最大值；

步骤3.2.2，设定目标函数如下：以转轮叶片在最优工况和额定工况下的效率同时达到最优为目标函数进行优化设计，根据水轮机的基本方程，定义效率的计算公式如下：

eff＝Mω/ρgQH (12)；

式中：M为转轮的旋转力矩；ω为角速度；ρ为流体介质密度；g为重力加速度；Q为水轮机流量；H为水轮机水头；

目标函数可表示为如下形式：

f(X_blade)＝max(eff_opt，eff_rated)

(13)；

其中，下标opt和rated分别代表最优工况和额定工况；L_i表示第i个翼型的弦长，x_ij、y_ij分别表示从轮毂侧计起的第i个翼型的第j个控制点的横坐标及纵坐标，i＝1，4，7，j＝1，2；

步骤3.3，结合批处理程序语言及Fortran语言，实现基于ANSYS CFX的计算机自动化数值模拟计算过程；

步骤3.4，采用多目标NSGA-II算法开展限定最优工况转轮出口轴向速度分布规律条件下的转轮叶片多工况优化求解计算，计算完成后，获得一组转轮叶片骨线参数，这组参数所对应的叶片可使得最优工况尾水管水力损失最小，并且最优工况和额定工况均达到最优的转轮叶片骨线参数。