[发明专利]一种兼顾水力、强度性能的混流式转轮多工况优化方法

摘要

本发明公开了一种兼顾水力、强度性能的混流式转轮多工况优化方法，具体包括以下步骤：根据混流式转轮的优化设计变量和来流有旋的转轮全三维反问题计算方法获得转轮叶片的三维叶片翼型数据，即得转轮叶片叶型；获得各工况下转轮叶片的水力效率ηi、转轮叶片上的最低压力系数Cpi以及叶片上的最大等效应力σi；对获得的各工况下转轮叶片的水力效率ηi、转轮叶片上的最低压力系数Cpi以及叶片上的最大等效应力σi进行处理，并获得优化问题的最终目标函数dη(X)、dCp(X)、dσ(X)，根据所得的目标函数建立数学模型对混流式转轮叶片开展优化。本发明解决了目前混流式转轮设计技术中无法同时兼顾不同工况下水力和强度性能的问题。

主权项

1.一种兼顾水力、强度性能的混流式转轮多工况优化方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1，通过采用贝塞尔曲线参数化技术，对来流有旋的转轮全三维反问题计算方法中的叶片区相对速度矩分布边界条件、转轮的上冠型线以及叶片厚度分布边界条件进行参数化控制，并得出混流式转轮的优化设计变量，最后根据混流式转轮的优化设计变量和来流有旋的转轮全三维反问题计算方法获得转轮叶片的三维叶片翼型数据，即得转轮叶片叶型；步骤2，对步骤1获得的转轮叶片三维叶型构建多工况下的转轮叶片水力、强度性能分析体系对其进行性能分析，获得各工况下转轮叶片的水力效率ηi、转轮叶片上的最低压力系数Cpi以及叶片上的最大等效应力σi，其中i表示工况编号，i∈(1,…,k)，k≥2，k为整数；步骤3，对步骤2中获得的各工况下转轮叶片的水力效率ηi、转轮叶片上的最低压力系数Cpi以及叶片上的最大等效应力σi进行处理，获得优化后的终目标函数dη(X)、dCp(X)、dσ(X)，根据所得的目标函数建立数学模型；所述步骤1的具体过程如下：步骤1.1，确定叶片区上冠和下环流线处的相对速度矩分布曲线；步骤1.2，选取控制变量对整个叶片区的相对速度矩分布进行控制；步骤1.3，选取转轮上冠型线作为优化对象，并选取控制变量对转轮上冠型线的几何形状进行参数化控制；步骤1.4，选取控制变量控制各流面上的翼型厚度分布从而实现对转轮叶片的厚度分布的控制；步骤1.5，采用来流有旋的转轮全三维反问题计算方法将步骤1.2～步骤1.4选取的控制变量生成三维叶型数据；所述步骤1.4的具体过程如下：首先，选取上冠流面处翼型的最大厚度作为叶片厚度分布控制变量之一，通过如下公式(1)确定叶片上冠流面处翼型的最大厚度值和下环流面处翼型的最大厚度值之间的关系：其中，为上冠处翼型的最大厚度，为下环处翼型的最大厚度，α为常系数，α取值范围为0.95～1.0；对于最大应用水头H_max≥200米的机组，α取最小值，对于最大应用水头H_max≤50米的机组，α取大值，对于最大应用水头位于50米和200米间时，α按以下公式(2)进行取值：其次，采用四点三次贝塞尔曲线对原始转轮叶片的相对厚度分布规律曲线进行拟合，并获得T₁(x_T1，y_T1)、T₂(x_T2，y_T2)、T₃(x_T3，y_T3)、T₄(x_T4，y_T4)四个控制点；将控制点T₃、T₄选为相对厚度控制的对象，为确保最大相对厚度值不变的同时只改变最大相对厚度的位置，选择T₃的横坐标x_T3作为控制变量之一，其纵坐标保持不变；此外，翼型尾部的厚度值必须由T₄的纵坐标y_T4控制，通过控制T₃的横坐标x_T3和T₄的纵坐标y_T4达到了控制叶片翼型相对厚度分布规律曲线的目的；最终，通过控制变量x_T3和y_T4的数值达到了控制各流面上翼型厚度分布规律的目的，即实现了对叶片厚度分布的控制。