水力機械優(yōu)化設(shè)計理論及應(yīng)用

水力機械優(yōu)化設(shè)計理論及應(yīng)用報告提綱123456

前言

水力機械全三維反問題設(shè)計方法

流動性能分析及性能預(yù)估

水力機械優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

工程應(yīng)用

結(jié)語

一、

前

言水力機械水輪機水泵蓄能泵水下推進器1、水輪機將水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能發(fā)電類型主要包含反擊式和沖擊式2、水泵將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能輸送流體類型主要包含葉片式和容積式3、蓄能泵(液力透平)即可作泵又可作水輪機的可逆機組類型主要包含混流、斜流、貫流4、水下推進器將電能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換為葉片旋轉(zhuǎn)機械能推動航行器前進類型主要包螺旋槳和泵噴推進器水力機械廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域5水輪機是水電能源開發(fā)的核心設(shè)備2~30m中低水頭(<60m)總蘊藏量、裝機居世界首位近5年水力發(fā)電量占比18.4%電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰調(diào)頻資源解決風(fēng)能和太陽能的消納難題+10~80m 30~700m適用水

頭300~1400m水輪機組將水能轉(zhuǎn)換成電能6水泵裝置是國民經(jīng)濟的重要支柱通用機械、液體輸送的心臟急需用泵：核泵、多級高壓泵、單流道泵、噴灌滴灌設(shè)備，等等國防用泵：飛機、火箭、艦艇等特種泵水泵機組將機械能轉(zhuǎn)換成水流的壓能和動能高揚程大容量+500~1500300~800適用比速

ns10~300水力性能預(yù)估水力設(shè)計、優(yōu)化理論穩(wěn)定性控制模型試驗技術(shù)全三維粘性計算流體動力學(xué)分析及空化兩相流理論全三維反問題設(shè)計及智能優(yōu)化設(shè)計理論高精度的水力模型試驗臺及轉(zhuǎn)輪流態(tài)成像觀測系統(tǒng)過流部件的流固耦合分析及動態(tài)響應(yīng)理論研究水力機械設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)二、水力機械全三維反問題設(shè)計方法9全三維反問題設(shè)計葉片形狀以滿足流動邊界條件確定r rblz zblr

2

r

z

r)

f

V

r

V!

bl(V

V! )

f

(V

V!準三維/二維設(shè)計葉片無限薄，流線上葉片加厚葉片方程來流有旋，葉片有限厚給定葉片速度矩分布規(guī)律轉(zhuǎn)輪進口條件由多部件聯(lián)合計算確定，與實際流動一致周向平均速度矩分布壓力系數(shù)分布實現(xiàn)單部件設(shè)計向多部件聯(lián)合作用設(shè)計的突破轉(zhuǎn)輪的載荷分布規(guī)律與設(shè)計給定基本一致提高了設(shè)計過程中轉(zhuǎn)輪性能的可控性優(yōu)化前脫流消失壁面脫流優(yōu)化后軸面速度分布形態(tài)系數(shù)α、β

優(yōu)化0.01.02610優(yōu)化前優(yōu)化后0.5SpanVm

(m/s)0.01.00.5Span2610Vm

(m/s)S1

峰值1峰值2S2圓周速度矩半徑軸面速度半徑圓周速度：可參考相近比轉(zhuǎn)速機組軸面速度：無參考目標函數(shù)尾水管損失最小設(shè)計變量轉(zhuǎn)輪葉片出口角m1VVm

2α

β

S1S210創(chuàng)新了水力機械轉(zhuǎn)輪部件的設(shè)計理論三、流動性能分析及性能預(yù)估步驟2CFD數(shù)值計算三維N-S方程

數(shù)值求解內(nèi)流機理分析及

性能參數(shù)計算步驟3流場性能分析基于全三維粘性計算流體動力學(xué)理論開展性能預(yù)估捕捉水力機械內(nèi)部的流動細節(jié)，揭示引發(fā)特殊流動現(xiàn)象的機理步驟1

開展性能預(yù)估

的前處理網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置湍流模型選擇求解計算精度設(shè)置開展計算域內(nèi)NS方程求解流動細節(jié)研究性能參數(shù)計算性能預(yù)估是開展水力機械水力設(shè)計及優(yōu)化的基礎(chǔ)整體計算區(qū)域都采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，提高了數(shù)值計算精度和求解穩(wěn)定性針對水力機械（水輪機、水泵）過流部件目前已開發(fā)了多種高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模塊，可以快速生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，大大節(jié)省網(wǎng)格劃分時間邊界條件設(shè)置采用模塊化的命令語言完成，提升了性能分析的速度O型網(wǎng)格葉片（1）性能預(yù)估前處理技術(shù)后蓋板水泵葉輪水輪機葉輪水輪機葉輪軸流泵葉輪和導(dǎo)葉（2）三維N-S方程數(shù)值求解動量方程和連續(xù)性方程方程時均化湍流模型水力機械全三維粘性流場求解求解流

程整機全流道全三維粘性計算（3）水力機械內(nèi)流機理分析及性能參數(shù)計算建立了完整的性能預(yù)估模型獲得內(nèi)部流動細節(jié)及特殊流動現(xiàn)象預(yù)測各種渦流的位置和壓力脈動幅值、提高水力效率計算精度能夠揭示內(nèi)部流動參數(shù)和外特性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可在流體機械領(lǐng)域推廣軸流式水力機械間隙流動雙吸泵內(nèi)部流動（3）水力機械內(nèi)流機理分析及性能參數(shù)計算4050607080900.60.81.01.21.41.60.20.40.61.01.21.4原型效率

[%]揚程H/HR0.8流量Q/QP計算揚程 試驗揚程計算效率 試驗效率準確預(yù)測水力機械的外特性，為水力機械的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)10.08.06.04.02.00.0幅值(kPa)0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0頻率(Hz)真機試驗數(shù)值模擬展現(xiàn)水力機械內(nèi)部的非定常渦帶運動為水力機械穩(wěn)定性預(yù)測提供依據(jù)獲得水力機械內(nèi)部詳細流動細節(jié)轉(zhuǎn)輪內(nèi)葉道渦通道內(nèi)流速和湍動能變化Velocity10.38.87.45.84.42.01.50.0[m

s^-1]0.500.430.360.270.210.140.070.0Tur.Kin.

Energy[m^2

s^-2]（3）水力機械內(nèi)流機理分析及性能參數(shù)計算軸流泵內(nèi)部流線尾水管測點上壓力脈動測試值離心泵內(nèi)部流場（4）水力機械空化性能預(yù)測技術(shù)（a）1/8T（b）2/8T（c）3/8T（d）4/8T（e）5/8T（f）6/8T（g）7/8T（h）Tk改進空化模型（a）1/8T（b）2/8T（c）3/8T（d）4/8T（e）5/8T（f）6/8T（g）7/8T（h）Tk’Schnerr-Sauer模型空化預(yù)測模型在大量的研究中得到不斷改進，考慮了表面張力、空泡二階導(dǎo)數(shù)，有效提高了水力機械空化預(yù)測的準確性。螺旋型渦帶(小開度)，渦帶集中于直錐段，旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向一致，旋轉(zhuǎn)范圍幾乎占據(jù)了整個直錐段，在中心死水區(qū)形成空化區(qū)。柱狀渦帶(大開度)，渦帶旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反，在旋轉(zhuǎn)過程中隨著螺距的增大強度變?nèi)酰⒅饾u消失。9193929400.10.30.40.5效率(%)0.2空化系數(shù)空化分數(shù)狀態(tài)σc=0.07臨界空化系數(shù)水輪機精準預(yù)測水力機械空化性能（4）水力機械空化性能預(yù)測技術(shù)尾水管空腔空化0.9Q 1.2Q不同流量葉尖泄漏流渦壓力變化20進口壓力（20413.9Pa） 進口壓力（8746.39Pa）誘導(dǎo)輪空化狀態(tài)隨進口壓力變化（4）水力機械空化性能預(yù)測技術(shù)水

泵基于改進空化模型的誘導(dǎo)輪空化計算t＝3.0s時轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力分布▲流固耦合作用下壓力脈動各主要頻率有所降低；▲流固耦合作用下轉(zhuǎn)輪與尾水管各壓力脈動頻率更加接近轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，更容易引起共振；▲壓力脈動幅值增大與共振一起導(dǎo)致葉片上較大動應(yīng)力的產(chǎn)生，促進葉片發(fā)生裂紋。t＝0s時轉(zhuǎn)輪葉片無應(yīng)力狀態(tài)（5）水力機械過流部件流固耦合分析技術(shù)精準預(yù)測水力機械的動應(yīng)力特性（6）水力機械過渡過程研究分析的新方法單位流量變化轉(zhuǎn)輪葉片力矩變化葉片受力變化受力頻率分析t=0st=3st=5s壓力脈動壓力脈動雙向貫流式水輪機的工況轉(zhuǎn)換過程四、水力機械優(yōu)化設(shè)計技術(shù)優(yōu)化算法驅(qū)動的自動優(yōu)化技術(shù)已成為水力機械優(yōu)化設(shè)計的主流水輪機過流部件優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)特征點形成線面特征幾何文件定義Part定義拓撲結(jié)構(gòu)生成網(wǎng)格計算域的劃分及定義全三維數(shù)值仿真計算基于CFD的水輪機性能預(yù)估參數(shù)化造型模塊計算網(wǎng)格劃分模塊CFD流場計算模塊智能優(yōu)化算法模塊智能優(yōu)化算法處理優(yōu)化的具體流程斷面高度斷面寬度蝸形部分包角控制點初始值擬合值斷面高度蝸形部分包角控制點初始值擬合值蝸形部分斷面參數(shù)化

貝塞爾曲線迎水面坡度迎水面部分包角迎水面坡度角參數(shù)化控制點初始值擬合值支墩尾部參數(shù)化迎水面坡度蝸殼幾何形狀參數(shù)化表示三維幾何模型建立六面體網(wǎng)格劃分湍流模型選擇邊界條件設(shè)置形狀參數(shù)導(dǎo)葉出流特性支墩尾部導(dǎo)葉出口：流量均勻度速度標準差壓力標準差性能參數(shù)優(yōu)化參數(shù)化造型技術(shù)縮短了復(fù)雜過流部件的優(yōu)化周期（1）引水部件優(yōu)化設(shè)計最優(yōu)化算法為核心的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計體系突破了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理念轉(zhuǎn)輪幾何性能分析流程性能參數(shù)修改水力性能 不同工況點強度性能 性能多學(xué)科優(yōu)化多工況優(yōu)化兼顧自行循環(huán)流程驅(qū)動自動化設(shè)計邊界條件或轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)提升設(shè)計的自動化水平，縮短了設(shè)計周期提高設(shè)計優(yōu)化的創(chuàng)新性水平兼顧了轉(zhuǎn)輪多學(xué)科、多工況的性能全三維反問題設(shè)計方法或葉片幾何改型技術(shù)轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)化設(shè)計體系（2）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計對應(yīng)1個工況點對應(yīng)k個工況點n個目標函數(shù)k×n個目標函數(shù)目前的進化類優(yōu)化算法無法有效求解當(dāng)

k×n＜5時，優(yōu)化問題為常規(guī)多目標優(yōu)化問題當(dāng)

k×n

≥5時，優(yōu)化問題變?yōu)?/p>

高維多目標優(yōu)化問題（2）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計多工況優(yōu)化技術(shù)的提出成功實現(xiàn)水力機械多工況優(yōu)化問題的降維轉(zhuǎn)輪優(yōu)化目標函數(shù)基于歐式距離概念的多工況目標函數(shù)降維方法1

n 2

2dVE(ef

X

,

efY

)

Xj

Yj

j

1

VE

ef,ef,ef,

,

ef

,

1

dVE(efX,efO

)1 2 3 i n 2

2VP

p1,

p2

,

p3

,

,

pi

,

dVP(pX,pY)

(NorP)min,Xj

(NorP)min,Yj

Min:dVP(pX,pO

)

j

1

VS

es,es,es

,

,es

,

1

d (es,es

)1 2 3 i n 2

2 VS X OdVS

(esX

,

esY

)

max,

Xj

max,Yj

j

1

多工況目標函數(shù)集合 目標函數(shù)降維處理 最終的目標函數(shù)全三維反問題計算模型性能評估有限元網(wǎng)格軸面流線有厚葉片初始設(shè)計參數(shù)H,Q,n,軸面流道,葉片速度矩優(yōu)化目標：水力效率空化系數(shù)優(yōu)化葉片速度矩分布更新前更新后水力機械內(nèi)部流動參數(shù)與幾何參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，依靠試驗篩選最優(yōu)組合不易實現(xiàn)?；谛阅茴A(yù)估和全三維反問題計算的優(yōu)化設(shè)計，改變了傳統(tǒng)設(shè)計理念和模式。提高了水力性能拓寬了運行范圍減少了試驗轉(zhuǎn)輪縮短了研發(fā)周期（2）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計基于全三維反問題方法的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)可快速完成新轉(zhuǎn)輪的設(shè)計優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計體系轉(zhuǎn)輪葉片參數(shù)化控制模塊轉(zhuǎn)輪葉片性能分析模塊多目標優(yōu)化算法模塊功能：基于參數(shù)化全三維反問題設(shè)計方法或葉片幾何參數(shù)化方法控制轉(zhuǎn)輪葉片幾何形狀功能：對優(yōu)化過程中的轉(zhuǎn)輪樣本個體的多學(xué)科、多工況性能開展計算功能：對優(yōu)化過程中的樣本個體開展評估，并引導(dǎo)幾何參數(shù)的優(yōu)化方向（2）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計基于葉片參數(shù)化控制的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)可實現(xiàn)已有轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計Bézier曲線控制點P1

P0

c1

(Q

P0

)P2

P3

c2

(P3

Q)(rs

,

s

),(rm

,

m

),(rh

,

h

)(re,

e

)SR

rs

,

MR

rm

,

HR

rhc1~c6WC

eCT

s

m

hSR,

MR,

HR,

CT

,WC骨線參數(shù)化控制水力性能計算分析優(yōu)化求解目標函數(shù)揚程及水力效率同時達到最優(yōu)優(yōu)化算法NSGA-II或PSO（3）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)案例離心式泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)單個翼型骨線參數(shù)化（貝塞爾曲線） 多個翼型組合生成葉片三維初始值擬合曲線

控制點網(wǎng)格劃分基于歐式距離概念提出多工況優(yōu)化方法1

n

j

12

2

dVE

(ef

X

,

efY

)

Xj

Yj12n

j

12

dVP

(

pX

,

pY

)

(NorP)min,

Xj

(NorP)min,Yj1n

j

12

2

dVS(esX

,

esY

)

max,

Xj

max,YjMin:dVP(pX,pO)dVS(esX,esO)dVE(efX,efO

)基于遺傳算法的多學(xué)科優(yōu)化原始葉片優(yōu)化后最大應(yīng)力276MP最大應(yīng)力237MP（3）轉(zhuǎn)輪部件的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)案例軸流式轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)（4）出水部件優(yōu)化設(shè)計彎肘型尾水管自動造型采用NSGA-II算法，以尾水管的總壓損失在多個工況下最小為目標函數(shù)，進行優(yōu)化。CFD計算：自動網(wǎng)格劃分；同時求解多個目標工況流場斷面中線斷面寬度斷面高度調(diào)整肘管形狀控制尺寸參數(shù)：

X

x1,

x2

,

x3

,

x4

,

x5

,

x6

,

更新前更新后出水部件的優(yōu)化設(shè)計進一步提升水力機械的整體水力性能彎肘型尾水管的優(yōu)化設(shè)計體系壓力分布更均勻消除了上冠處二次橫流優(yōu)化前優(yōu)化后三維流線對比葉片最大等效應(yīng)力對比優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后（5）優(yōu)化設(shè)計結(jié)果展示混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計（5）優(yōu)化設(shè)計結(jié)果展示軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化后葉片0100200300

00.2 0.4 0.6 0.81葉片表面壓力(kPa)Streamwise

(0-1)優(yōu)化前優(yōu)化后0100200300

00.2 0.4 0.6 0.81葉片表面壓力(kPa)Streamwise

(0-1)優(yōu)化前 優(yōu)化后-200020040001葉片表面壓力(kPa)優(yōu)化前 優(yōu)化后0.2 0.4 0.6 0.8Streamwise

(0-1)優(yōu)化前葉片最優(yōu)工況葉片優(yōu)化前后壓力分布對比工

況原始轉(zhuǎn)輪優(yōu)化后變化最優(yōu)工況93.96%94.36%↑0.40%額定工況90.77%91.14%↑0.37%（5）優(yōu)化設(shè)計結(jié)果展示軸流泵轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計葉輪優(yōu)化解與初始值對比變量c1c2c3c4c5c6MRHRCTWCEfficiencyMinP初始值0.580.440.530.470.520.450.00.00.00.095.7-104.69最優(yōu)解0.560.390.640.410.370.460.71-6.631.714.1696.4-43.060.89

0.950.940.930.920.910.90.96

0.970 20040060080010001200

1400運行步數(shù)Efficency(%)優(yōu)化過程個體初始值-0.3

-0.24-0.18-0.12-0.06

020040060080010001200

1400運行步數(shù)minip(MPa)優(yōu)化過程解初始值0.970.960.950.940.930.920.910.90.89

-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.05

0minip(MPa)Efficency(%)優(yōu)化過程解Preto解優(yōu)化后葉輪（5）優(yōu)化設(shè)計結(jié)果展示離心泵轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計五、工

程應(yīng)

用大藤峽電站水輪機是目前世界上單機容量最大（200MW）的軸流轉(zhuǎn)槳式機組，轉(zhuǎn)輪直徑D1=10.4m水電站總裝機容量1600MW，共安裝8臺200MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，其中左岸3臺，右岸5臺。工程分兩期，左岸3臺機組為第一期工程。一期合同招標方式：采用水力模型在中立試驗臺上進行同臺對比。競標結(jié)果：浙富控股采用水力機械優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研發(fā)的水力模型，在同臺對比實驗中獲得技術(shù)第一標，以2.9億中標所有3臺水輪機及其附屬設(shè)備。特征水頭（m）數(shù)值最大水頭37.79額定水頭25.00最小水頭12.91加權(quán)平均水頭26.961.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)在中國水利科學(xué)研究院水試臺上進行水力模型的同臺對比試驗在中國水利科學(xué)研究院水試臺上進行水力模型的同臺對比試驗。大藤峽水輪機模型試驗裝置六葉片模型轉(zhuǎn)輪同臺試驗對比廠家：哈電，東電，浙富，福伊特(國外)，東芝(國外)

。1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)模型特性曲線（中國水科院中立試驗臺）大藤峽真機轉(zhuǎn)輪（D1=10.4m）模型最優(yōu)效率93.84%，為公開的軸流式水輪機最高紀錄高效率區(qū)寬廣,空化性能優(yōu)越、壓力脈動小采用新設(shè)計理念研發(fā)的水輪機的綜合性能已達到了國際領(lǐng)先水平1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)大藤峽在額定工況下的空化狀態(tài)：可保證無空化運行初生空化狀態(tài)裝置空化狀態(tài)臨界空化狀態(tài)額定工況空化曲線氣泡臨界空化仿真結(jié)果1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)2.阿根廷賽佩尼克水電站國家主席習(xí)近平和阿根廷總統(tǒng)共同見證了項目協(xié)議的簽署軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，裝機容量3x120MW，轉(zhuǎn)輪直徑7.0mBladeloadingnear

hub(σp=0.519)3002001000-100Bladeloading,

kPa0.00.20.40.60.8

1.0Streamwise(0-1)InitialOptimizedBladeloading,

kPaBladeloadingnear

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1.0Streamwise(0-1)InitialOptimizedGreen:

OptimizedRed:

Initial最大水頭最大出力工況裝置空化系數(shù)（σp=0.519）時，空化現(xiàn)象消失。試驗得出該工況初生空化系數(shù)σi=0.502。水輪機模型試驗裝置模型轉(zhuǎn)輪2017年10月通過模型試驗驗收水力性能全面由于合同要求，獲得了業(yè)主和監(jiān)理方的高度認可1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)2.阿根廷賽佩尼克水電站1.大藤峽水電站水輪機的研發(fā)3.河南陶岔電站燈泡貫流式水輪機，裝機容量2x30MW，轉(zhuǎn)輪直徑5.1m經(jīng)斯諾文尼亞水力試驗臺測試：模型最高效率94.25%，為貫流式最高紀錄模型驗收結(jié)論：綜合性能國際領(lǐng)先平均水溫(℃)14.6重力加速度(m/s2)9.791最大特征揚程(m)114.5最小特征揚程(m)100.9設(shè)計特征揚程(m