[发明专利]水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法和装置

权利要求书

1.一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，其特征在于，包括：将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，

获取所述计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；

获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；

获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩；

根据所述平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算域包括引水区、活动导叶区、所述活动导叶至所述桨叶的过渡区，桨叶区和尾水区，并将所述引水区、所述过渡区和所述尾水区组合为无叶片区。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述计算域的周向平均流动控制策略，包括：

获取周向平均速度的径向分量和轴向分量；

其中，所述径向分量为：

其中，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；

所述轴向分量为

其中，是周向平均速度的轴向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；

获取周向平均流动势函数的控制方程为：

其中，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，Φ是源和汇诱导流场的势函数，B是叶片数，K是周向平均流动势函数，t_θ是叶片的周向厚度；

获取周向平均流动流函数的控制方程为：

其中，是平均速度矩，f是叶片包角，E_r是单位质量流体具有的相对运动机械能，r是径向坐标，z是轴向坐标，是平均速度，是周向平均速度的径向分量，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的周向分量，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述计算域的周期脉动流动控制策略，包括：

获取周期脉动流动控制方程为：

其中，W是速度，在桨叶区方程中对应相对速度，在导叶区方程中对应绝对速度；t_θ是叶片的周向厚度，桨叶区方程中对应桨叶厚度，导叶区方程中对应导叶厚度，无叶片区方程中为0；B是叶片数，桨叶区方程中对应桨叶数，导叶区方程中对应导叶数，无叶片区方程中为0；k是展开式的项数，φ是周期脉动流场的势函数。

5.如权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息，包括：

获取所述叶片设计信息为：

其中，f是叶片包角，V_m是轴面速度，s是流线在轴面上的投影长度，V_θr是速度矩。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩，包括：

计算域进口至活动导叶进口的引水区内速度矩为0，活动导叶出口速度矩给定为：

其中，是平均速度矩，β是桨叶出口速度矩系数，H是水头，g是重力加速度，η_H是水力效率，ω是角速度；

导叶内速度矩按照五次多项式规律给定，桨叶进口速度矩给定为：

其中，是平均速度矩，H是水头，g是重力加速度，η_H是水力效率，ω是角速度；

导叶出口至桨叶进口的过渡区内速度矩按照线性规律给定：

其中，其中，是平均速度矩，s_r是过渡区内轴面流线的相对长度；

桨叶出口至计算域出口的尾水区内速度矩给定为：

其中，α是桨叶出口速度矩系数，是平均速度矩，H是水头，g是重力加速度，η_H是水力效率，ω是角速度；

桨叶内速度矩按照五次多项式规律给定。