在改造工程中加速混流式水轮机转轮设计的方法_下_

1、2001年9月 水利水电快报 EWRHI 第22卷第18期机 电文章编号:1006 0081(2001 18 0010 02在改造工程中加速混流式水轮机转轮设计的方法(下瑞士 M 萨拉贝热尔等摘要:水电站的改造对混流式水轮机转轮设计工具有很高的要求。灵活性、几何形状的适应性、水力精度和高速度是这些设计工具的主要技术。介绍了一种混流式水轮机转轮水力设计的新工具, 其中, 一种繁殖遗传算法(br eeder g enetic alg orithm 与混流式水轮机转轮几何形状的参数化定义以及三维欧拉法则模拟相联系, 因此, 水力设计可自动优化, 以使特定的目标函数最小。主题词:混流式水轮机; 转轮;

2、 设计; 最优化方法中图分类号:T K 730. 323 文献标识码:B在尾水管进口处的子午面流速分布Z 7=f (Cm3 目标函数目标函数最好是按照顾客的技术要求, 考虑了在几个不同运行点上的预测性能, 或者单加权效率。但是, 该性能信息不能直接由无粘性流的欧拉法则提供, 因此, 优化必须基于能使用三维欧拉法则获得的水力参数的一个目标函数。在用三维欧拉法则对混流式转轮进行优化的过程中。通常选取设计目标, 以使损耗最小, 空化的安全裕度最大, 并优化转轮与尾水管之间的相互作用。因此, 由压力系数C P 确定的静压力, 必须在整个流道中对蒸汽压力维持一定的安全裕度。转轮进口和出口之间的动量转换必

3、须与欧拉设计水头相一致。关于叶片负荷, 通常认为靠近进水边的叶片负荷较大, 向尾边逐渐降低。此外, 从进水边至尾边, 水流的相对流动应尽可能加快。为了避免大的压力梯度, 从下环到上冠, 似乎需要获得一个连续的负荷分布。在进水口到尾水管的子午面和涡旋速度的分布保证了稳定的尾水管运行、并优化了转轮和尾水管之间的相互作用。根据许多三维欧拉转轮设计的经验和在用不同的目标函数作了某些实验后, 下列方面包括本文所给出的用于优化的目标函数:空化Z 1=f (P , P 蒸发在欧拉设计水头下的动量转换在下环(叶片背面 的Cp 分布在下环(叶片正面 的Cp 分布叶片负荷回水流道的负荷收稿日期:2001 06 0

4、1Z 2=f (H , uCu Z 3=f (Cp ss Z 4=f (Cp ss Z 5=f (Cp ss -Cp ps Z 6=f (Cp 上冠-Cp 下环在尾水管进口处的涡漩流速分布Z 8=f (Cu 则目标函数定义为基于以上所列各项加权后之和:目标函数Z = (g i Z i 式中 g i 是各项的加权因子, Z i 是各特定目标的数值表达式。这种方法的加权因子在某种程度上需根据经验确定, 但是, 一旦确定, 就不需要改变。当然, 如果一个特性对一个特定的设计特别重要, 如在高水头混流式水轮机转轮中空化目标的加权也可改变。4 改造工程这种新的设计工具已经应用于解决几项改造工程的各种问题

5、。根据问题, BGA 设计整个叶片翼型, 或者用该算法优化叶片几何形状的细部。对于不同的几何边界条件和不同水力问题, 已经对BGA 的特点作了研究和改进。在很多情况下, 它也用于优化叶片的零件, 或为特定水力或几何问题的叶片设计提供新的线索。这样, 有经验的设计工程师通过新的由BGA 提供的非常规设计, 对叶片设计有新的理解。作为一个实例, 介绍了费尔泽改造工程一个转轮重新设计时这种方法的实际应用。4. 1 水轮机设计要点阿尔巴尼亚费尔泽改造工程中, 应用该方法进行了转轮的重新设计, 使这种方法的应用效果和用途得到证明。VA T ECH 水电公司(前苏尔茨水电公司 接到了费尔泽水电站2台混流式

6、水轮机大修和更换转轮的合同。水轮机额定水瑞士 M 萨拉贝热尔等 在改造工程中加速混流式水轮机转轮设计的方法(下头99m, 设计运行点的流量为113m 3/s, 比转速(n q 为56。最高水头时最大出力为127. 6M W 。转轮设计的主要决定参数是水头范围大, 为70128m, 以及最严格的空化保证值。新转轮的水力特性必须在模型试验中证明。只允许很小的调整, 使新转轮与原水轮机的一定几何形状相符合。要特别注意转轮与尾水管水流之间的相互作用, 以达到稳定和平稳运行。在该改造工程中, 更换转轮由有经验的工程师用常规方法设计。原先的费尔泽转轮与新转轮特性曲线的比较(图3 , 使这项任务的问题显而易

7、见。设计目标和所有的保证值都与常规设计的转轮十分吻合。模型试验证明了该优秀设计的水力质量。使用优化算法对转轮重新设计, 对BGA 方法的特性作了检验。经模型试验得到证明的这种最佳的常规设计, 可作为对BGA 方法的一 个标准。的水流更加快速(压力分布如图5所示 。因此, 在进口边背面的压力大大高于蒸汽压力, 空化的安全裕度比常规设计更大。因为所用的目标函数不涉及进口边的入射角(图5 , 所以没有由进口边入射角引起的相当高的负荷峰。图5所示的压力分布还表明, 叶片荷载比常规设计的更均匀。值得注意的是, 子午面流道曲率也被优化程序改变, 给出一个更尖的角。这需要在将来目标函数的版本中加以改进。除了

8、这些已改进的性能外, 优化叶片的水力参数与常规设计很相似。图5 BGA 的关系问题4. 4 评价和讨论常规设计和BGA 设计都采用完全三维的纳维埃 斯托克斯结合尾水管的转轮计算进行评估。成果表明BGA 设计达到的性能非常接近于由有经验的设计人员按常规水轮机设计的性能(图6 。虽然BGA 设计的转轮几何形状与常规设计略有不同, 但是, 水力特性就粘滞损耗方面质量相似, 空化裕度甚至略胜一筹。模型试验证明用BGA 法设计转轮的质量与常规设计转轮的质量是相似的。需时则大大减少。BGA 的目的并不是代替设计工程师。它为设计工作提供了一个良好的开端, 减少了例行任务, 因此, 设计人员能够获得更多的时间

9、, 以便对设计进行更富创造性和系统的思考。图3 费尔泽水电站原转轮和改造后转轮的特性曲线4. 2 有经验的设计人员进行的设计(设计1一位有经验的工程师所做的原设计遵循转轮设计的共同准则。叶片表面连续和平稳的压力变化保证转轮内水流的质量。靠近进水边叶片负荷最高, 在正面相对水流速度不断加快。在背面, 压力比蒸汽压力高, 流速只略微加快。叶面上均匀的负荷分布降低了回流流量, 也有助于使损耗最小。在尾水管进口处, 选择适当的子午面速度分布和涡漩速度分布, 以保证尾水管稳定运行, 优化转轮与尾水管之间的相互作用(图4 。压力分布的波动是一个与进水边的高曲率有关的数字现象, 没有被欧拉模拟的网格完 全捕捉到。图6 水轮机设计的性能预测(设计1和2从本文提到的设计的比较中可以清楚地看出, BGA 设计工具对有经验的和没有经验的水轮机设计人员都是极其有用的工具。使用这种设计工具的风险之一是, 由于在选择目标图4 有经验设计人员非常成功设计的关键问题(设计1函数时较为单一化, 优化过程可能找到一个伪最佳值。BGA 设计与由有经验的设计人员所进行的设计比较表明, 在本文给出的例子中, 情况就不是这样。将来, BGA 设计的目标函数, 可以通过机械考虑和转轮的重量优化而得到开拓。在优化