【摘要】：轉(zhuǎn)輪是水力機(jī)組的核心部件,也是水電運(yùn)行中最容易受到破壞的部件。新型轉(zhuǎn)輪需要盡量提高效率,改善空蝕、磨蝕和應(yīng)力集中等問題以改善整體性能,達(dá)到機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行指標(biāo)。帶有短葉片的轉(zhuǎn)輪具有高效區(qū)較寬、振動小、抗空蝕磨損等優(yōu)勢,發(fā)展前景廣闊。在水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計過程中,優(yōu)化中的兩個重要的學(xué)科是水力性能和結(jié)構(gòu)性能。為了探索更好的水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計路線,縮短研發(fā)周期,確保機(jī)組穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn),本文基于多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法,同時考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力性能和結(jié)構(gòu)性能,對高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪短葉片進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。本文采用CFD計算與FEM分析相結(jié)合的優(yōu)化流程,以提升轉(zhuǎn)輪整體性能,優(yōu)化中將包括上冠下環(huán)在內(nèi)的轉(zhuǎn)輪整體考慮進(jìn)去,以得到與實(shí)際更接近的應(yīng)力分布。通過采用UG二次開發(fā)的Open Grip語言編譯程序?qū)θ~片幾何進(jìn)行參數(shù)化,運(yùn)用Bezier曲線擬合葉片各截面幾何翼型骨線,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的參數(shù)化。優(yōu)化自變量為短葉片翼型骨線外形、翼型頭部偏移量、翼型相對厚度,約束條件為進(jìn)出口總壓差,優(yōu)化目標(biāo)為轉(zhuǎn)輪效率、轉(zhuǎn)輪葉片最低靜壓值和轉(zhuǎn)輪最大靜應(yīng)力,進(jìn)行學(xué)科間耦合信息傳遞及各學(xué)科的分析,運(yùn)用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法展開全局尋優(yōu)從而得到最終優(yōu)化結(jié)果。本文基于NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法分別對三個工況下的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化,再通過超傳遞近似法對不同幾何在三個工況下的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行加權(quán),對加權(quán)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較,最終的優(yōu)化幾何選取大流量工況下優(yōu)化的幾何。優(yōu)化后的結(jié)果顯示,優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪效率得到提高,最低靜壓得到提升,最大靜應(yīng)力有所降低,轉(zhuǎn)輪的整體性能得到了提高,對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪短葉片多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的工程應(yīng)用進(jìn)行了一定的探索。
【圖文】：

水能作為國際公認(rèn)的清潔能源，開發(fā)利用技術(shù)相比核能、風(fēng)能，太陽能等能源更為成熟。2016 年，全球水電穩(wěn)步增長，總裝機(jī)容量達(dá)到 1246GW，新增裝機(jī)容量 31.5GW，其中抽水蓄能新增裝機(jī)6.4GW，如圖1-1和圖1-2所示。同年全球水電總發(fā)電量約為4102TWh，是貢獻(xiàn)最大的可再生能源[1]。據(jù)國際行業(yè)預(yù)測，到 2050 年，全球水電裝機(jī)將由目前的 10億 kW 翻一番達(dá)到 20 億 kW。亞洲、非洲、南美是今后水電建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)。我國是全球最大的水電國家，，水電總裝機(jī)容量已經(jīng)占據(jù)全球四分之一的份額。以三峽工程為代表的一系列大型水電項(xiàng)目的建設(shè)，極大地促進(jìn)了全球水電行業(yè)的飛躍發(fā)展，成就舉世矚目。圖 1-1 2016 年世界各區(qū)域水電新增裝機(jī)容量Fig.1-1 New installed capacity of hydropower in 2016 in the world水輪機(jī)是水電站中把水流的能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，其性能的好壞直接決定著電站的經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)出性能優(yōu)越的水輪機(jī)模型，保證機(jī)組穩(wěn)定高效運(yùn)行，意義非常重大[2]。衡量水輪機(jī)水力性能的三大重要指標(biāo)是效率、空化及穩(wěn)定性。其中

2013 年 Q.Wang[73]等運(yùn)用 β 樣條曲線設(shè)計了中等厚度的風(fēng)機(jī)翼情況下，并且運(yùn)用改良的粒子群優(yōu)化算法對翼型進(jìn)行優(yōu)化，改并對雷諾數(shù)對翼型特性的影響進(jìn)行了闡述。線擬合示意線的具體表達(dá)式如下：,( ),m m nP B t,( ) ( 1 ) , 0 , 1 , 2 . . . .m m n mm n nB t c t t m n 0 t 1折線多邊形的頂點(diǎn)，m ,nB 是伯恩斯坦基函數(shù)。下，四頂點(diǎn)三階貝塞爾曲線的精度能滿足要求。3 2 2 30 1 2 3 ) 3 (1 ) 3 (1 ) t a t t a t t a t a3 2 2 30 1 2 3 ) 3 (1 ) 3 (1 ) t b t t b t t b t bm ， bm 分別為控制點(diǎn)坐標(biāo) , m m mP a b ， m 0,1, 2,3；t 表征骨線總長的比率， ；。個控制點(diǎn)分別為 P0、P1、P2、P3。曲線從頭部 P0走向尾部 P3，部的切向方向。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK733.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2577455