【摘要】：水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心部件,其性能提升一直是水輪機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為提升水輪機(jī)在多種工況下運(yùn)行的綜合性能,本文基于多學(xué)科可行性方法開展了Francis99混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化和尾水管肘管的多工況設(shè)計(jì)優(yōu)化研究工作,主要工作及成果如下:基于貝塞爾曲線控制原理,采用GRIP語言對Francis99混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的長葉片和尾水管肘管進(jìn)行三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)輪長葉片選取6個(gè)截面翼型曲線,共14個(gè)設(shè)計(jì)變量表達(dá)其幾何形狀,優(yōu)化過程綜合考慮其水力性能和結(jié)構(gòu)性能,選擇水輪機(jī)水力效率、轉(zhuǎn)輪葉片表面最小水壓力和最大靜應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)。尾水管肘管通過6個(gè)設(shè)計(jì)變量控制肘管中線和各截面寬度、高度變化規(guī)律,以靜壓恢復(fù)系數(shù)和總壓損失系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)衡量其回復(fù)性能。本文提出了一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型和NSGA-Ⅱ算法的優(yōu)化方法,首先采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的全局靈敏度計(jì)算,分析設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)函數(shù)的影響大小,從而確定敏感變量;然后采用超傳遞近似法計(jì)算各運(yùn)行工況的權(quán)重因子,將多種工況下同類目標(biāo)函數(shù)加權(quán)歸一處理,建立了敏感變量和目標(biāo)函數(shù)之間的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,用該近似模型代替原有的多學(xué)科多工況優(yōu)化問題;最后采用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,最終建立了轉(zhuǎn)輪長葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化流程和尾水管肘管多工況設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。對Francis99混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪長葉片進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,結(jié)果表明:在優(yōu)化對應(yīng)的三個(gè)工況點(diǎn)下,優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪葉片的水力性能和結(jié)構(gòu)性能均有所提升,水輪機(jī)加權(quán)水力效率提高了0.38%,轉(zhuǎn)輪葉片表面最小水壓力提升了2.43%,最大靜應(yīng)力降低了5.00%。對尾水管肘管進(jìn)行多工況設(shè)計(jì)優(yōu)化,結(jié)果表明:優(yōu)化針對的最優(yōu)工況和小流量工況,優(yōu)化后尾水管對水能的利用率進(jìn)一步提高,其加權(quán)靜壓恢復(fù)系數(shù)提高了2.48%,加權(quán)總壓損失系數(shù)減小了3.42%,這表明本文針對Francis99水輪機(jī)所建立的轉(zhuǎn)輪長葉片多學(xué)科優(yōu)化系統(tǒng)和尾水管肘管多工優(yōu)化系統(tǒng)是有效的,并具有一定的工程價(jià)值。
【圖文】：

10圖 2-2 Francis 99 混流式水輪機(jī)示意圖Fig.2-2 Schematic diagram of Francis 99 model combination該模型水輪機(jī)有三個(gè)典型工況的水力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選取這三個(gè)工況對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，表 2-1 給出了該水輪機(jī)模型的基本參數(shù)，3 個(gè)典型工況在模型特性曲線的位置如圖 2-3 所示，分別定義為工況 I（小流量工況，，活動導(dǎo)葉開度 3.72°）、工況 I（最優(yōu)工況，活動導(dǎo)葉開度 9.84°）、工況 V（大流量工況，活動導(dǎo)葉開度 12.44°），工況 I、IV 和 V 的基本參數(shù)和效率試驗(yàn)值如表 2-2 所示。另外，為驗(yàn)證優(yōu)化前后水輪機(jī)在其他工況運(yùn)行的性能，增加兩個(gè)工況，定義為工況 II（活動導(dǎo)葉開度 6.72°），工況 III（活動導(dǎo)葉開度 8.13°）。表 2-1 Francis99 模型水輪機(jī)參數(shù)Table2-1 Parameters of Francis99 model turbine轉(zhuǎn)輪直徑 D2/(mm) 固定導(dǎo)葉數(shù) 活動導(dǎo)葉數(shù) 長葉片數(shù) 短葉片數(shù)349 14 28 15 15

第二章 Francis99 模型水輪機(jī)參數(shù)化造型表 2-2 優(yōu)化計(jì)算工況點(diǎn)Table2-2 Operating conditions工況點(diǎn) 導(dǎo)葉開度(°)水頭（m）效率(%)轉(zhuǎn)速n(r/s)流量Q(m3/s)轉(zhuǎn)速系數(shù)/(r/s)gHnDned=流量系數(shù)/(m3/s)DgHnDq2ed=工況 I 3.91 12.29 71.7 6.77 0.07 0.22 0.05工況 IV 9.84 11.91 92.6 5.59 0.20 0.18 0.15工況 V 12.44 11.84 90.6 6.16 0.22 0.20 0.17
【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】：2018
【分類號】：TV734.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2685790