水力机械优化设计理论及应用

水力机械优化设计理论及应用报告提纲123456

前言

水力机械全三维反问题设计方法

流动性能分析及性能预估

水力机械优化设计技术

工程应用

结语

一、

前

言水力机械水轮机水泵蓄能泵水下推进器1、水轮机将水流能量转换为旋转机械能发电类型主要包含反击式和冲击式2、水泵将电能转换为旋转机械能输送流体类型主要包含叶片式和容积式3、蓄能泵(液力透平)即可作泵又可作水轮机的可逆机组类型主要包含混流、斜流、贯流4、水下推进器将电能、化学能转换为叶片旋转机械能推动航行器前进类型主要包螺旋桨和泵喷推进器水力机械广泛应用于国民经济的各个领域5水轮机是水电能源开发的核心设备2~30m中低水头(<60m)总蕴藏量、装机居世界首位近5年水力发电量占比18.4%电网优质的调峰调频资源解决风能和太阳能的消纳难题+10~80m 30~700m适用水

头300~1400m水轮机组将水能转换成电能6水泵装置是国民经济的重要支柱通用机械、液体输送的心脏急需用泵：核泵、多级高压泵、单流道泵、喷灌滴灌设备，等等国防用泵：飞机、火箭、舰艇等特种泵水泵机组将机械能转换成水流的压能和动能高扬程大容量+500~1500300~800适用比速

ns10~300水力性能预估水力设计、优化理论稳定性控制模型试验技术全三维粘性计算流体动力学分析及空化两相流理论全三维反问题设计及智能优化设计理论高精度的水力模型试验台及转轮流态成像观测系统过流部件的流固耦合分析及动态响应理论研究水力机械设计关键技术二、水力机械全三维反问题设计方法9全三维反问题设计叶片形状以满足流动边界条件确定r rblz zblr

2

r

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f

V

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V!

bl(V

V! )

f

(V

V!准三维/二维设计叶片无限薄，流线上叶片加厚叶片方程来流有旋，叶片有限厚给定叶片速度矩分布规律转轮进口条件由多部件联合计算确定，与实际流动一致周向平均速度矩分布压力系数分布实现单部件设计向多部件联合作用设计的突破转轮的载荷分布规律与设计给定基本一致提高了设计过程中转轮性能的可控性优化前脱流消失壁面脱流优化后轴面速度分布形态系数α、β

优化0.01.02610优化前优化后0.5SpanVm

(m/s)0.01.00.5Span2610Vm

(m/s)S1

峰值1峰值2S2圆周速度矩半径轴面速度半径圆周速度：可参考相近比转速机组轴面速度：无参考目标函数尾水管损失最小设计变量转轮叶片出口角m1VVm

2α

β

S1S210创新了水力机械转轮部件的设计理论三、流动性能分析及性能预估步骤2CFD数值计算三维N-S方程

数值求解内流机理分析及

性能参数计算步骤3流场性能分析基于全三维粘性计算流体动力学理论开展性能预估捕捉水力机械内部的流动细节，揭示引发特殊流动现象的机理步骤1

开展性能预估

的前处理网格划分边界条件设置湍流模型选择求解计算精度设置开展计算域内NS方程求解流动细节研究性能参数计算性能预估是开展水力机械水力设计及优化的基础整体计算区域都采用结构化网格，提高了数值计算精度和求解稳定性针对水力机械（水轮机、水泵）过流部件目前已开发了多种高质量的结构化网格模块，可以快速生成结构化网格，大大节省网格划分时间边界条件设置采用模块化的命令语言完成，提升了性能分析的速度O型网格叶片（1）性能预估前处理技术后盖板水泵叶轮水轮机叶轮水轮机叶轮轴流泵叶轮和导叶（2）三维N-S方程数值求解动量方程和连续性方程方程时均化湍流模型水力机械全三维粘性流场求解求解流

程整机全流道全三维粘性计算（3）水力机械内流机理分析及性能参数计算建立了完整的性能预估模型获得内部流动细节及特殊流动现象预测各种涡流的位置和压力脉动幅值、提高水力效率计算精度能够揭示内部流动参数和外特性间的关联关系可在流体机械领域推广轴流式水力机械间隙流动双吸泵内部流动（3）水力机械内流机理分析及性能参数计算4050607080900.60.81.01.21.41.60.20.40.61.01.21.4原型效率

[%]扬程H/HR0.8流量Q/QP计算扬程 试验扬程计算效率 试验效率准确预测水力机械的外特性，为水力机械的优化设计奠定基础10.08.06.04.02.00.0幅值(kPa)0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0频率(Hz)真机试验数值模拟展现水力机械内部的非定常涡带运动为水力机械稳定性预测提供依据获得水力机械内部详细流动细节转轮内叶道涡通道内流速和湍动能变化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）水力机械内流机理分析及性能参数计算轴流泵内部流线尾水管测点上压力脉动测试值离心泵内部流场（4）水力机械空化性能预测技术（a）1/8T（b）2/8T（c）3/8T（d）4/8T（e）5/8T（f）6/8T（g）7/8T（h）Tk改进空化模型（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模型空化预测模型在大量的研究中得到不断改进，考虑了表面张力、空泡二阶导数，有效提高了水力机械空化预测的准确性。螺旋型涡带(小开度)，涡带集中于直锥段，旋转方向与转轮的旋转方向一致，旋转范围几乎占据了整个直锥段，在中心死水区形成空化区。柱状涡带(大开度)，涡带旋转方向与转轮旋转方向相反，在旋转过程中随着螺距的增大强度变弱，并逐渐消失。9193929400.10.30.40.5效率(%)0.2空化系数空化分数状态σc=0.07临界空化系数水轮机精准预测水力机械空化性能（4）水力机械空化性能预测技术尾水管空腔空化0.9Q 1.2Q不同流量叶尖泄漏流涡压力变化20进口压力（20413.9Pa） 进口压力（8746.39Pa）诱导轮空化状态随进口压力变化（4）水力机械空化性能预测技术水

泵基于改进空化模型的诱导轮空化计算t＝3.0s时转轮叶片的应力分布▲流固耦合作用下压力脉动各主要频率有所降低；▲流固耦合作用下转轮与尾水管各压力脉动频率更加接近转频的倍数，更容易引起共振；▲压力脉动幅值增大与共振一起导致叶片上较大动应力的产生，促进叶片发生裂纹。t＝0s时转轮叶片无应力状态（5）水力机械过流部件流固耦合分析技术精准预测水力机械的动应力特性（6）水力机械过渡过程研究分析的新方法单位流量变化转轮叶片力矩变化叶片受力变化受力频率分析t=0st=3st=5s压力脉动压力脉动双向贯流式水轮机的工况转换过程四、水力机械优化设计技术优化算法驱动的自动优化技术已成为水力机械优化设计的主流水轮机过流部件优化系统参数数据特征点形成线面特征几何文件定义Part定义拓扑结构生成网格计算域的划分及定义全三维数值仿真计算基于CFD的水轮机性能预估参数化造型模块计算网格划分模块CFD流场计算模块智能优化算法模块智能优化算法处理优化的具体流程断面高度断面宽度蜗形部分包角控制点初始值拟合值断面高度蜗形部分包角控制点初始值拟合值蜗形部分断面参数化

贝塞尔曲线迎水面坡度迎水面部分包角迎水面坡度角参数化控制点初始值拟合值支墩尾部参数化迎水面坡度蜗壳几何形状参数化表示三维几何模型建立六面体网格划分湍流模型选择边界条件设置形状参数导叶出流特性支墩尾部导叶出口：流量均匀度速度标准差压力标准差性能参数优化参数化造型技术缩短了复杂过流部件的优化周期（1）引水部件优化设计最优化算法为核心的转轮优化设计体系突破了传统优化设计理念转轮几何性能分析流程性能参数修改水力性能 不同工况点强度性能 性能多学科优化多工况优化兼顾自行循环流程驱动自动化设计边界条件或转轮几何参数提升设计的自动化水平，缩短了设计周期提高设计优化的创新性水平兼顾了转轮多学科、多工况的性能全三维反问题设计方法或叶片几何改型技术转轮叶片优化设计体系（2）转轮部件的优化设计对应1个工况点对应k个工况点n个目标函数k×n个目标函数目前的进化类优化算法无法有效求解当

k×n＜5时，优化问题为常规多目标优化问题当

k×n

≥5时，优化问题变为

高维多目标优化问题（2）转轮部件的优化设计多工况优化技术的提出成功实现水力机械多工况优化问题的降维转轮优化目标函数基于欧式距离概念的多工况目标函数降维方法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,

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,

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,

,

pi

,

dVP(pX,pY)

(NorP)min,Xj

(NorP)min,Yj

Min:dVP(pX,pO

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j

1

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es,es,es

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1

d (es,es

)1 2 3 i n 2

2 VS X OdVS

(esX

,

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max,

Xj

max,Yj

j

1

多工况目标函数集合 目标函数降维处理 最终的目标函数全三维反问题计算模型性能评估有限元网格轴面流线有厚叶片初始设计参数H,Q,n,轴面流道,叶片速度矩优化目标：水力效率空化系数优化叶片速度矩分布更新前更新后水力机械内部流动参数与几何参数关系复杂，依靠试验筛选最优组合不易实现。基于性能预估和全三维反问题计算的优化设计，改变了传统设计理念和模式。提高了水力性能拓宽了运行范围减少了试验转轮缩短了研发周期（2）转轮部件的优化设计基于全三维反问题方法的转轮优化设计系统可快速完成新转轮的设计优化转轮叶片的优化设计体系转轮叶片参数化控制模块转轮叶片性能分析模块多目标优化算法模块功能：基于参数化全三维反问题设计方法或叶片几何参数化方法控制转轮叶片几何形状功能：对优化过程中的转轮样本个体的多学科、多工况性能开展计算功能：对优化过程中的样本个体开展评估，并引导几何参数的优化方向（2）转轮部件的优化设计基于叶片参数化控制的转轮优化设计系统可实现已有转轮的优化设计Bézier曲线控制点P1

P0

c1

(Q

P0

)P2

P3

c2

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Q)(rs

,

s

),(rm

,

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),(rh

,

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)SR

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rhc1~c6WC

eCT

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hSR,

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CT

,WC骨线参数化控制水力性能计算分析优化求解目标函数扬程及水力效率同时达到最优优化算法NSGA-II或PSO（3）转轮部件的优化设计系统案例离心式泵叶轮的优化设计系统单个翼型骨线参数化（贝塞尔曲线） 多个翼型组合生成叶片三维初始值拟合曲线

控制点网格划分基于欧式距离概念提出多工况优化方法1

n

j

12

2

dVE

(ef

X

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Yj12n

j

12

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(NorP)min,Yj1n

j

12

2

dVS(esX

,

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)

max,

Xj

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

)基于遗传算法的多学科优化原始叶片优化后最大应力276MP最大应力237MP（3）转轮部件的优化设计系统案例轴流式转轮的优化设计系统（4）出水部件优化设计弯肘型尾水管自动造型采用NSGA-II算法，以尾水管的总压损失在多个工况下最小为目标函数，进行优化。CFD计算：自动网格划分；同时求解多个目标工况流场断面中线断面宽度断面高度调整肘管形状控制尺寸参数：

X

x1,

x2

,

x3

,

x4

,

x5

,

x6

,

更新前更新后出水部件的优化设计进一步提升水力机械的整体水力性能弯肘型尾水管的优化设计体系压力分布更均匀消除了上冠处二次横流优化前优化后三维流线对比叶片最大等效应力对比优化前优化后优化前优化后（5）优化设计结果展示混流式水轮机转轮的优化设计（5）优化设计结果展示轴流式水轮机转轮的优化设计优化后叶片0100200300

00.2 0.4 0.6 0.81叶片表面压力(kPa)Streamwise

(0-1)优化前优化后0100200300

00.2 0.4 0.6 0.81叶片表面压力(kPa)Streamwise

(0-1)优化前 优化后-200020040001叶片表面压力(kPa)优化前 优化后0.2 0.4 0.6 0.8Streamwise

(0-1)优化前叶片最优工况叶片优化前后压力分布对比工

况原始转轮优化后变化最优工况93.96%94.36%↑0.40%额定工况90.77%91.14%↑0.37%（5）优化设计结果展示轴流泵转轮的优化设计叶轮优化解与初始值对比变量c1c2c3c4c5c6MRHRCTWCEfficiencyMinP初始值0.580.440.530.470.520.450.00.00.00.095.7-104.69最优解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运行步数Efficency(%)优化过程个体初始值-0.3

-0.24-0.18-0.12-0.06

020040060080010001200

1400运行步数minip(MPa)优化过程解初始值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(%)优化过程解Preto解优化后叶轮（5）优化设计结果展示离心泵转轮的优化设计五、工

程应

用大藤峡电站水轮机是目前世界上单机容量最大（200MW）的轴流转桨式机组，转轮直径D1=10.4m水电站总装机容量1600MW，共安装8台200MW的轴流转桨式水轮发电机组，其中左岸3台，右岸5台。工程分两期，左岸3台机组为第一期工程。一期合同招标方式：采用水力模型在中立试验台上进行同台对比。竞标结果：浙富控股采用水力机械优化设计技术研发的水力模型，在同台对比实验中获得技术第一标，以2.9亿中标所有3台水轮机及其附属设备。特征水头（m）数值最大水头37.79额定水头25.00最小水头12.91加权平均水头26.961.大藤峡水电站水轮机的研发1.大藤峡水电站水轮机的研发在中国水利科学研究院水试台上进行水力模型的同台对比试验在中国水利科学研究院水试台上进行水力模型的同台对比试验。大藤峡水轮机模型试验装置六叶片模型转轮同台试验对比厂家：哈电，东电，浙富，福伊特(国外)，东芝(国外)

。1.大藤峡水电站水轮机的研发1.大藤峡水电站水轮机的研发模型特性曲线（中国水科院中立试验台）大藤峡真机转轮（D1=10.4m）模型最优效率93.84%，为公开的轴流式水轮机最高纪录高效率区宽广,空化性能优越、压力脉动小采用新设计理念研发的水轮机的综合性能已达到了国际领先水平1.大藤峡水电站水轮机的研发1.大藤峡水电站水轮机的研发1.大藤峡水电站水轮机的研发大藤峡在额定工况下的空化状态：可保证无空化运行初生空化状态装置空化状态临界空化状态额定工况空化曲线气泡临界空化仿真结果1.大藤峡水电站水轮机的研发2.阿根廷赛佩尼克水电站国家主席习近平和阿根廷总统共同见证了项目协议的签署轴流转桨式水轮机，装机容量3x120MW，转轮直径7.0mBladeloadingnear

hub(σp=0.519)3002001000-100Bladeloading,

kPa0.00.20.40.60.8

1.0Streamwise(0-1)InitialOptimizedBladeloading,

kPaBladeloadingnear

shroud(σp=0.519)3002001000-1000.00.20.40.60.8

1.0Streamwise(0-1)InitialOptimizedGreen:

OptimizedRed:

Initial最大水头最大出力工况装置空化系数（σp=0.519）时，空化现象消失。试验得出该工况初生空化系数σi=0.502。水轮机模型试验装置模型转轮2017年10月通过模型试验验收水力性能全面由于合同要求，获得了业主和监理方的高度认可1.大藤峡水电站水轮机的研发2.阿根廷赛佩尼克水电站1.大藤峡水电站水轮机的研发3.河南陶岔电站灯泡贯流式水轮机，装机容量2x30MW，转轮直径5.1m经斯诺文尼亚水力试验台测试：模型最高效率94.25%，为贯流式最高纪录模型验收结论：综合性能国际领先平均水温(℃)14.6重力加速度(m/s2)9.791最大特征扬程(m)114.5最小特征扬程(m)100.9设计特征扬程(m