[發明專利]一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法

有效

• 申請號: 201710833337.4
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107529643B
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發明（設計）人: 朱國俊;羅興锜;馮建軍;郭鵬程;吳廣寬
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

本發明公開了一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法，具體包括以下步驟：根據混流式轉輪的優化設計變量和來流有旋的轉輪全三維反問題計算方法獲得轉輪葉片的三維葉片翼型數據，即得轉輪葉片葉型；獲得各工況下轉輪葉片的水力效率η_i、轉輪葉片上的最低壓力系數Cp_i以及葉片上的最大等效應力σ_i；對獲得的各工況下轉輪葉片的水力效率η_i、轉輪葉片上的最低壓力系數Cp_i以及葉片上的最大等效應力σ_i進行處理，并獲得優化問題的最終目標函數d_η(X)、d_Cp(X)、d_σ(X)，根據所得的目標函數建立數學模型對混流式轉輪葉片開展優化。本發明解決了目前混流式轉輪設計技術中無法同時兼顧不同工況下水力和強度性能的問題。

技術領域

本發明屬于水力機械轉輪的優化技術領域，涉及一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法。

背景技術

水輪機是水力能源開發領域中的關鍵設備，水輪機轉輪則是決定水輪機整體性能優劣的核心部件，因此其優化設計方法對水力能源的開發利用率有至關重要的影響。

目前，套用相近比轉速的模型轉輪并依據CFD數值分析技術的分析結果進行改型是常規的混流式水輪機轉輪設計方法，這種方法耗時較長且極度依賴人工經驗，隨著計算機科技的發展，雖然也出現了一些水輪機轉輪的自動優化設計方法，但這些方法在優化過程中都只將轉輪的水力性能作為目標函數，因此無法兼顧多個不同工況點下的轉輪水力和靜強度性能，所以仍然無法獲得兼顧轉輪多學科性能的全局最優解。

發明內容

本發明的目的是提供一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法，通過集成來流有旋的轉輪全三維反問題計算方法、轉輪的性能分析流程、多學科目標函數處理方法以及全局類多目標優化算法實現兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化設計，解決了目前混流式轉輪設計技術中無法同時兼顧不同工況下水力和強度性能的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法，具體包括以下步驟：

步驟1，通過采用貝塞爾曲線參數化技術，對來流有旋的轉輪全三維反問題計算方法中的葉片區相對速度矩分布邊界條件、轉輪的上冠型線以及葉片厚度分布邊界條件進行參數化控制，并得出混流式轉輪的優化設計變量，最后根據混流式轉輪的優化設計變量和來流有旋的轉輪全三維反問題計算方法獲得轉輪葉片的三維葉片翼型數據，即得轉輪葉片葉型；

步驟2，對步驟1獲得的轉輪葉片三維葉型構建多工況下的轉輪葉片水力、強度性能分析體系對其進行性能分析，獲得各工況下轉輪葉片的水力效率η_i、轉輪葉片上的最低壓力系數Cp_i以及葉片上的最大等效應力σ_i，其中i表示工況編號，i∈(1,…,k)，k≥2，k為整數；

步驟3，對步驟2中獲得的各工況下轉輪葉片的水力效率η_i、轉輪葉片上的最低壓力系數Cp_i以及葉片上的最大等效應力σ_i進行處理，并獲得優化后的目標函數d_η(X)、d_Cp(X)、d_σ(X)，根據所得的目標函數建立數學模型。

本發明的特點還在于，

步驟1.1，確定葉片區上冠和下環流線處的相對速度矩分布曲線；

步驟1.2，選取控制變量對整個葉片區的相對速度矩分布進行控制；

步驟1.3，選取轉輪上冠型線作為優化對象，并選取控制變量對轉輪上冠型線的幾何形狀進行參數化控制；

步驟1.4，選取控制變量控制各流面上的翼型厚度分布從而實現對轉輪葉片的厚度分布的控制；