[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

说明书

本发明公开了一种基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机转轮叶片优化方法，具体包括如下步骤：步骤1，建立水轮机全流道三维数值仿真模型，获取最优工况转轮出口速度分布曲线；步骤2，以转轮出口速度分布规律为优化变量，以尾水管水力损失最小为优化目标，建立转轮出口速度分布优化设计模型，并进行优化求解，得到最优转轮出口速度分布曲线；步骤3，以转轮叶片在最优工况和额定工况效率最优为目标函数，以步骤2优化得到的最优转轮出口速度分布曲线为约束条件，建立转轮叶片优化设计模型并求解。解决了目前轴贯流式水轮机转轮叶片优化方法存在的工作效率低、难以获得兼顾转轮叶片水力性能和尾水管水力损失的全局最优解的问题。

技术领域

本发明属于水力机械部件的优化技术领域，涉及一种基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机转轮叶片优化方法。

背景技术

轴流式和贯流式水轮机(以下简称轴贯流式水轮机)在我国低水头大流量水力资源开发中占有重要的地位，被广泛应用于水资源相对丰富且经济较发达的中东部地区水资源开发项目中。水轮机通常由引、导水部件、转轮和尾水管四大部分组成，其中转轮是能量转换的核心部件，是电站的发电能力、经济效益、电站的长期稳定运行的关键所在。轴贯流式水轮机的工作水头较低而流量较大，尾水管内的水力损失在所有过流部件水力损失中所占的比重较大，而转轮出口速度分布是影响尾水管内部流态及其水力损失的重要因素。提高转轮效率，优化尾水管内水流的流动状态并减少水力损失是轴贯流式水轮机优化设计的重要内容。水轮机转轮叶片的传统优化方法是建立在大量计算的基础上的，通过不断修改叶片几何形状，在提高叶片自身水力性能的同时，通过合理调整转轮出口的速度分布优化尾水管内的流动状态，减小水力损失，提高效率，最终获得满足要求的水力模型。这种方法需要设计人员具有较丰富的设计经验，工作量大、优化周期长，并且在设计过程中难以同时兼顾转轮叶片性能以及尾水管内的水力损失。因此，急需一种可以优化尾水管内部流态及水力损失，同时兼顾转轮叶片性能的优化设计方法，使得尾水管水力损失最小的同时，提升转轮叶片的性能，达到转轮叶片及尾水管均最优的全局最优解。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机水轮机转轮叶片优化方法，解决了目前轴贯流式水轮机水轮机转轮叶片优化方法存在的工作效率低、难以获得同时兼顾转轮叶片水力性能和尾水管水力损失的全局最优解的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于轴面流速控制的轴贯流式水轮机水轮机转轮叶片优化方法，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；

步骤2，结合贝塞尔曲线及CFD数值仿真计算方法，以转轮出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，建立转轮出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求解；

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。

本发明的特点还在于，

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的具体过程为：