水力機械優化設計理論及應用報告提綱123456

前言

水力機械全三維反問題設計方法

流動性能分析及性能預估

水力機械優化設計技術

工程應用

結語

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換為旋轉機械能發電類型主要包含反擊式和沖擊式2、水泵將電能轉換為旋轉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、化學能轉換為葉片旋轉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用于國民經濟的各個領域5水輪機是水電能源開發的核心設備2~30m中低水頭(<60m)總蘊藏量、裝機居世界首位近5年水力發電量占比18.4%電網優質的調峰調頻資源解決風能和太陽能的消納難題+10~80m 30~700m適用水

頭300~1400m水輪機組將水能轉換成電能6水泵裝置是國民經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水力性能預估水力設計、優化理論穩定性控制模型試驗技術全三維粘性計算流體動力學分析及空化兩相流理論全三維反問題設計及智能優化設計理論高精度的水力模型試驗臺及轉輪流態成像觀測系統過流部件的流固耦合分析及動態響應理論研究水力機械設計關鍵技術二、水力機械全三維反問題設計方法9全三維反問題設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律轉輪進口條件由多部件聯合計算確定，與實際流動一致周向平均速度矩分布壓力系數分布實現單部件設計向多部件聯合作用設計的突破轉輪的載荷分布規律與設計給定基本一致提高了設計過程中轉輪性能的可控性優化前脫流消失壁面脫流優化后軸面速度分布形態系數α、β

優化0.01.02610優化前優化后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：可參考相近比轉速機組軸面速度：無參考目標函數尾水管損失最小設計變量轉輪葉片出口角m1VVm

2α

β

S1S210創新了水力機械轉輪部件的設計理論三、流動性能分析及性能預估步驟2CFD數值計算三維N-S方程

數值求解內流機理分析及

性能參數計算步驟3流場性能分析基于全三維粘性計算流體動力學理論開展性能預估捕捉水力機械內部的流動細節，揭示引發特殊流動現象的機理步驟1

開展性能預估

的前處理網格劃分邊界條件設置湍流模型選擇求解計算精度設置開展計算域內NS方程求解流動細節研究性能參數計算性能預估是開展水力機械水力設計及優化的基礎整體計算區域都采用結構化網格，提高了數值計算精度和求解穩定性針對水力機械（水輪機、水泵）過流部件目前已開發了多種高質量的結構化網格模塊，可以快速生成結構化網格，大大節省網格劃分時間邊界條件設置采用模塊化的命令語言完成，提升了性能分析的速度O型網格葉片（1）性能預估前處理技術后蓋板水泵葉輪水輪機葉輪水輪機葉輪軸流泵葉輪和導葉（2）三維N-S方程數值求解動量方程和連續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）水力機械內流機理分析及性能參數計算建立了完整的性能預估模型獲得內部流動細節及特殊流動現象預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部流動參數和外特性間的關聯關系可在流體機械領域推廣軸流式水力機械間隙流動雙吸泵內部流動（3）水力機械內流機理分析及性能參數計算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 試驗效率準確預測水力機械的外特性，為水力機械的優化設計奠定基礎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)真機試驗數值模擬展現水力機械內部的非定常渦帶運動為水力機械穩定性預測提供依據獲得水力機械內部詳細流動細節轉輪內葉道渦通道內流速和湍動能變化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）水力機械內流機理分析及性能參數計算軸流泵內部流線尾水管測點上壓力脈動測試值離心泵內部流場（4）水力機械空化性能預測技術（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、空泡二階導數，有效提高了水力機械空化預測的準確性。螺旋型渦帶(小開度)，渦帶集中于直錐段，旋轉方向與轉輪的旋轉方向一致，旋轉范圍幾乎占據了整個直錐段，在中心死水區形成空化區。柱狀渦帶(大開度)，渦帶旋轉方向與轉輪旋轉方向相反，在旋轉過程中隨著螺距的增大強度變弱，并逐漸消失。9193929400.10.30.40.5效率(%)0.2空化系數空化分數狀態σc=0.07臨界空化系數水輪機精準預測水力機械空化性能（4）水力機械空化性能預測技術尾水管空腔空化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）誘導輪空化狀態隨進口壓力變化（4）水力機械空化性能預測技術水

泵基于改進空化模型的誘導輪空化計算t＝3.0s時轉輪葉片的應力分布▲流固耦合作用下壓力脈動各主要頻率有所降低；▲流固耦合作用下轉輪與尾水管各壓力脈動頻率更加接近轉頻的倍數，更容易引起共振；▲壓力脈動幅值增大與共振一起導致葉片上較大動應力的產生，促進葉片發生裂紋。t＝0s時轉輪葉片無應力狀態（5）水力機械過流部件流固耦合分析技術精準預測水力機械的動應力特性（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換過程四、水力機械優化設計技術優化算法驅動的自動優化技術已成為水力機械優化設計的主流水輪機過流部件優化系統參數數據特征點形成線面特征幾何文件定義Part定義拓撲結構生成網格計算域的劃分及定義全三維數值仿真計算基于CFD的水輪機性能預估參數化造型模塊計算網格劃分模塊CFD流場計算模塊智能優化算法模塊智能優化算法處理優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化控制點初始值擬合值支墩尾部參數化迎水面坡度蝸殼幾何形狀參數化表示三維幾何模型建立六面體網格劃分湍流模型選擇邊界條件設置形狀參數導葉出流特性支墩尾部導葉出口：流量均勻度速度標準差壓力標準差性能參數優化參數化造型技術縮短了復雜過流部件的優化周期（1）引水部件優化設計最優化算法為核心的轉輪優化設計體系突破了傳統優化設計理念轉輪幾何性能分析流程性能參數修改水力性能 不同工況點強度性能 性能多學科優化多工況優化兼顧自行循環流程驅動自動化設計邊界條件或轉輪幾何參數提升設計的自動化水平，縮短了設計周期提高設計優化的創新性水平兼顧了轉輪多學科、多工況的性能全三維反問題設計方法或葉片幾何改型技術轉輪葉片優化設計體系（2）轉輪部件的優化設計對應1個工況點對應k個工況點n個目標函數k×n個目標函數目前的進化類優化算法無法有效求解當

k×n＜5時，優化問題為常規多目標優化問題當

k×n

≥5時，優化問題變為

高維多目標優化問題（2）轉輪部件的優化設計多工況優化技術的提出成功實現水力機械多工況優化問題的降維轉輪優化目標函數基于歐式距離概念的多工況目標函數降維方法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

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

P0

c1

(Q

P0

)P2

P3

c2

(P3

Q)(rs

,

s

),(rm

,

m

),(rh

,

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e

)SR

rs

,

MR

rm

,

HR

rhc1~c6WC

eCT

s

m

hSR,

MR,

HR,

CT

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

控制點網格劃分基于歐式距離概念提出多工況優化方法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科優化原始葉片優化后最大應力276MP最大應力237MP（3）轉輪部件的優化設計系統案例軸流式轉輪的優化設計系統（4）出水部件優化設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，進行優化。CFD計算：自動網格劃分；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整肘管形狀控制尺寸參數：

X

x1,

x2

,

x3

,

x4

,

x5

,

x6

,

更新前更新后出水部件的優化設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化設計體系壓力分布更均勻消除了上冠處二次橫流優化前優化后三維流線對比葉片最大等效應力對比優化前優化后優化前優化后（5）優化設計結果展示混流式水輪機轉輪的優化設計（5）優化設計結果展示軸流式水輪機轉輪的優化設計優化后葉片0100200300

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

(0-1)優化前優化后0100200300

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

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

(0-1)優化前葉片最優工況葉片優化前后壓力分布對比工

況原始轉輪優化后變化最優工況93.96%94.36%↑0.40%額定工況90.77%91.14%↑0.37%（5）優化設計結果展示軸流泵轉輪的優化設計葉輪優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Efficency(%)優化過程個體初始值-0.3

-0.24-0.18-0.12-0.06

020040060080010001200

1400運行步數minip(MPa)優化過程解初始值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(%)優化過程解Preto解優化后葉輪（5）優化設計結果展示離心泵轉輪的優化設計五、工

程應

用大藤峽電站水輪機是目前世界上單機容量最大（200MW）的軸流轉槳式機組，轉輪直徑D1=10.4m水電站總裝機容量1600MW，共安裝8臺200MW的軸流轉槳式水輪發電機組，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。競標結果：浙富控股采用水力機械優化設計技術研發的水力模型，在同臺對比實驗中獲得技術第一標，以2.9億中標所有3臺水輪機及其附屬設備。特征水頭（m）數值最大水頭37.79額定水頭25.00最小水頭12.91加權平均水頭26.961.大藤峽水電站水輪機的研發1.大藤峽水電站水輪機的研發在中國水利科學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1.大藤峽水電站水輪機的研發模型特性曲線（中國水科院中立試驗臺）大藤峽真機轉輪（D1=10.4m）模型最優效率93.84%，為公開的軸流式水輪機最高紀錄高效率區寬廣,空化性能優越、壓力脈動小采用新設計理念研發的水輪機的綜合性能已達到了國際領先水平1.大藤峽水電站水輪機的研發1.大藤峽水電站水輪機的研發1.大藤峽水電站水輪機的研發大藤峽在額定工況下的空化狀態：可保證無空化運行初生空化狀態裝置空化狀態臨界空化狀態額定工況空化曲線氣泡臨界空化仿真結果1.大藤峽水電站水輪機的研發2.阿根廷賽佩尼克水電站國家主席習近平和阿根廷總統共同見證了項目協議的簽署軸流轉槳式水輪機，裝機容量3x120MW，轉輪直徑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最大水頭最大出力工況裝置空化系數（σp=0.519）時，空化現象消失。試驗得出該工況初生空化系數σi=0.502。水輪機模型試驗裝置模型轉輪2017年10月通過模型試驗驗收水力性能全面由于合同要求，獲得了業主和監理方的高度認可1.大藤峽水電站水輪機的研發2.阿根廷賽佩尼克水電站1.大藤峽水電站水輪機的研發3.河南陶岔電站燈泡貫流式水輪機，裝機容量2x30MW，轉輪直徑5.1m經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論：綜合性能國際領先平均水溫(℃)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設計特征揚程(m