CN110318929A - 水泵水轮机转轮的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泵水轮机转轮的设计方法及装置，包括如下步骤：确定转轮的基本参数和控制参数；根据所述转轮的基本参数和控制参数，建立多个初始转轮的三维模型；获得多个初始转轮的转轮性能；对所述多个转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；以及筛选确定所述水泵水轮机的转轮。本发明还公开了一种水泵水轮机转轮的装置。通过本发明可以快速设计出在空化性能、水泵工况与水轮机工况具有较好的综合性能的水泵水轮机转轮。

Description

水泵水轮机转轮的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水泵水轮机设计方法，具体为一种水泵水轮机转轮的设计方法及装置。

背景技术

可逆式水泵水轮机转轮是现代大型抽水蓄能机组的核心部件。在电网供电的峰值时，转轮正向旋转在水轮机模式下运行；在电网供电的谷值时，转轮反向旋转在水泵模式下运行。在正反两个旋转方向下，转轮内部的流动特性差别巨大。因此，与常规的水轮机或水泵相比，可逆式水泵水轮机转轮的设计更加复杂，且很难保证水泵水轮机在空化性能、水泵工况与水轮机工况具有较好的综合性能。

由于可逆式水泵水轮机转轮的形状与离心泵叶轮形状相近，且水泵工况的性能对可逆式水泵水轮机转轮的整体性能起着至关重要的作用，所以可逆式水泵水轮机转轮通常按照水泵工况设计，采用水轮机工况校核。影响可逆式水泵水轮机转轮性能的设计参数很多，且同一参数可能对水轮机和水泵两种工况下的转轮性能起着相反的作用，因此设计过程需要依据大量的数值模拟计算和模型试验对设计参数进行反复修改，耗时较长，很难保证转轮在水泵和水轮机两种工况下同时达到较高性能。

发明内容

本发明公开了一种水泵水轮机转轮的设计方法及装置，可以快速设计出在空化性能、水泵工况与水轮机工况具有较好的综合性能的水泵水轮机转轮。

本发明实施例提供的水泵水轮机转轮的设计方法，包括如下步骤：

确定转轮的基本参数和控制参数；

根据所述转轮的基本参数和控制参数，建立多个初始转轮的三维模型；

获得多个初始转轮的转轮性能；

对所述多个转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；以及

筛选确定所述水泵水轮机的转轮。

在本发明的实施例中，所述转轮的基本参数包括：转轮的设计参数、模型转轮的轴面投影图以及设计叶片厚度参数；

所述确定转轮的基本参数包括：根据机组进本参数，确定转轮的设计参数；

根据水泵工况一元设计理论，得到模型转轮的轴面投影图；

根据等叶片厚度原理，确定设计叶片厚度参数；以及

所述确定转轮的控制参数包括：确定所述控制参数的取值范围以及控制参数变量的组合。

在本发明的实施例中，所述根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型包括：根据模型转轮的基本参数和控制参数，通过转轮设计软件，完成转轮的全三维反问题设计，获得多个初始模型转轮，并建立多个初始转轮的三维模型。

在本发明的实施例中，所述获得多个初始转轮的转轮性能包括：通过CFD数值模拟，对多个初始转轮的三维模型进行三维定常流动计算，获得多个初始转轮的转轮性能。

在本发明的实施例中，所述对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化包括：构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系；以及通过多目标遗传算法进行转轮性能优化，得到多个优化转轮。

在本发明的实施例中，所述构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系包括：利用响应曲面法，构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系。

在本发明的实施例中，所述通过多目标遗传算法进行转轮性能优化包括：所述初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系，进行多目标遗传算法寻优计算，获得多个转轮的预估转轮性能，并从中选择出多个优化转轮。

在本发明的实施例中，所述多目标遗传算法寻优计算包括：

以叶片载荷分布和高压边叶片倾角为优化变量；

设置优化目标为：水泵设计工况机组效率高于预先设定的阈值、水轮机额定工况效率高于预先设定的阈值、水泵工况叶片最低压力点压力高于预先设定的阈值；

选取遗传算法参数，其中所述遗传算法参数包括：种族数量、遗传代数、交叉概率、交叉分布指数、变异分布指数、初始模式；以及

进行多目标遗传算法寻优计算，获得满足优化目标的多个转轮的预估转轮性能；

从所述多个转轮的预估转轮性能中选择性能最优的多个优化转轮。

在本发明的实施例中，所述对所述多个转轮进行筛选包括：

通过CFD数值模拟，获得所述多个优化转轮的转轮性能；

将所述多个优化转轮的转轮性能进行对比，得到综合性能最好的转轮，作为所述水泵水轮机的转轮。

在本发明的实施例提供的水泵水轮机转轮的设计装置，该装置包括：

参数确定模块，用于确定转轮的基本参数和控制参数变量；

模型创建模块，用于根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型；

初始转轮性能获取模块，用于获得多个初始转轮的转轮性能；

转轮性能优化模块，用于对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；

转轮筛选模块，用于对所述多个优化转轮进行筛选，确定所述水泵水轮机的转轮。

本发明产生的有益效果包括：

(1)较目前广泛采用的水泵水轮机的多目标遗传算法优化方式，本发明具有优化变量数目少、寻优空间大、优化周期短且能兼顾多个优化目标的优点，非常适合运行工况复杂的水泵水轮机转轮的设计开发工作。

(2)较目前广泛采用的水泵水轮机的转轮设计过程，本发明具有消耗时间短，数值模拟和模型转轮方面的成本大大减少的优点。且在设计过程中，能够保证水泵水轮机在空化性能、水泵工况与水轮机工况具有较好的综合性能。

(3)本发明首次提出将全三维反问题设计方法、CFD数值模拟、拉丁超立方实验设计法和多目标遗传算法结合起来，构建了针对水泵水轮机转轮的多目标优化设计体系。

(4)本发明首次提出了以叶片载荷和高压边叶片倾角为优化变量，同时以水泵设计工况效率、水轮机额定工况机组效率、水泵工况叶片最低点压力为优化目标的优化理念。

附图说明

图1为本发明实施例所述的水泵水轮机转轮的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的确定转轮的基本参数和控制参数的方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的多个初始转轮的转轮性能优化方法的流程图；

图4为本发明实施例所述的多个优化转轮的筛选方法的流程图；

图5为本发明实施例所述的模型转轮的轴面形状图；

图6为本发明实施例所述的叶片厚度上冠分布图；

图7为本发明实施例所述的叶片厚度下环分布图；

图8为本发明实施例所述的叶片载荷分布的控制参数示意图；

图9为本发明实施例所述的高压边倾角示意图；

图10为本发明实施例所述的模型转轮的三维图；

图11为本发明实施例所述的水泵水轮机转轮的设计装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明改善了水泵水轮机转轮设计过程中的耗时长、成本高、设计转轮综合性能较差的问题，并提出了一种水泵水轮机转轮的多目标优化设计体系。

图1显示了本发明实施例所述的一种水泵水轮机转轮的设计方法。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤101，确定转轮的基本参数和控制参数；

步骤102，根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型；

步骤103，获得多个初始转轮的转轮性能；

步骤104，对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；以及

步骤105，对所述多个优化转轮进行筛选，确定所述水泵水轮机的转轮。

下面将对各个步骤的实现方法进行详细说明：

在本发明的实施例中，上述步骤101可以通过图2所示的方法实现。如图2所示，该方法包括如下步骤a-c：

a.确定转轮的基本参数。

在本发明的实施例中，上述转轮的基本参数可以包括：包括额定水头以及额定转速在内的设计参数、模型转轮的轴面投影图以及设计叶片厚度参数等；

其中，在上述步骤a中，可以根据水泵水轮机机组基本参数确定转轮的设计参数。例如，上述机组基本参数可以包括，额定工况，机组转数、额定出力，上述机组设计参数可以包括，如额定水头、额定转速等；

此外，在上述步骤a中，可以根据水泵工况一元设计理论，得到模型转轮的轴面投影图；

另外，在上述步骤a中，还可以根据等叶片厚度原理，确定设计叶片厚度参数。

b.确定控制参数变量的取值范围。

在本发明的实施例中，上述控制参数变量的取值范围可以包括：转轮叶片载荷分布的控制参数取值范围以及高压边叶片倾角的取值范围等。

其中，在上述步骤b中，控制参数变量的取值范围是通过叶片载荷分布的控制参数定义的示意图和高压边倾角示意图确定的。

c.确定控制参数变量的组合。

在本发明的实施例中，在上述步骤c中，可以根据拉丁超立方实验设计法确定多个控制参数变量的组合。拉丁超立方实验设计法的优点在于它不仅能够用较低的计算成本，处理高维设计问题，而且相比于随机抽样和分层抽样能更准确地估计输出的均值、方差和分布函数。

在本发明的实施例中，上述步骤102可以通过如下步骤d实现。

d.根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型。

在本发明的实施例中，上述步骤d可以包括：根据模型转轮的基本设计参数和控制参数，通过转轮设计软件(TURBO Design)，完成转轮的全三维反问题设计，获得多个初始模型转轮，并建立多个初始转轮的三维模型。

在本发明的实施例中，根据转轮的全三维反问题设计，通过转轮设计软件(TURBODesign)根据初始模型转轮建立多个初始转轮的三维模型。

e.获得多个初始转轮的转轮性能。

在本发明的实施例中，上述步骤e可以包括：通过CFD数值模拟，对多个初始转轮的三维模型进行三维定常流动计算，获得多个初始转轮的转轮性能。其中，上述转轮性能可以包括：水泵设计工况机组效率、水轮机额定工况效率及水泵工况叶片最低压力点压力等。

在本发明的实施例中，上述步骤104可以通过如图3所示的方法实现。如图3所示，该方法主要包括如下步骤f-h：

f.构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系。

在本发明的实施例中，上述步骤f可以包括：利用响应曲面法，构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系，也即构建将所述控制参数作为输入参数，通过响应曲面法构建输入参数和预估转轮性能的关系式。在具体的应用中，上述构建的过程可以通过MATLAB编程实现。

g.进行多目标遗传算法寻优计算，获得优化后的多个转轮的预估转轮性能。

在本发明的实施例中，步骤g根据响应面法建立的函数关系，进行多目标遗传算法寻优计算，获得优化后的多个转轮的预估转轮性能。其中，多目标遗传算法与传统的多目标优化方法相比，提出了快速的非支配排序算法，降低了计算非支配序的复杂度，因此，提高了优化结果的准确度。此外，多目标遗传算法还被大量的学者证明比其它多目标算法结果更加可靠。

具体地，上述步骤g可以包括：

g1.以叶片载荷分布和高压边叶片倾角为优化变量；

g2.设置优化目标为：水泵设计工况机组效率、水轮机额定工况效率、水泵工况叶片最低压力点压力；

g3.选取合适的遗传算法参数：种族数量、遗传代数、交叉概率、交叉分布指数、变异分布指数、初始模式；

g4.根据响应面法建立的函数关系，进行多目标遗传算法寻优计算，获得优化后的多个转轮的预估转轮性能。

h.筛选出多个综合性能好的转轮，即筛选出水泵设计工况机组效率、水轮机额定工况效率、水泵工况叶片最低压力点压力均较高的转轮。

在本发明的实施例中，上述步骤105可以通过如图4所示的方法实现。如图4所示，该方法可以通过如下步骤i-j实现：

i.获得筛选后的多个转轮的转轮性能。

在本发明的实施例中，再次通过CFD数值模拟，获得筛选后的多个转轮的转轮性能。

j.将筛选后的多个转轮的转轮性能进行对比，得到综合性能最好的转轮，则确定为最终的转轮。

下面将通过举例并结合图表详细说明本发明的实施例。

某电站的机组参数如下：在水轮机工况下，额定工况为308m，转速N_r＝333.3rpm，额定出力为P_r＝306MW；在水泵工况下，最大扬程和最小扬程分别为333.6m和295.58m。在此情况下，执行上述水泵水轮机转轮的设计方法，具体描述如下：

a.确定转轮的基本参数，具体步骤如下：

a1.确定转轮的设计参数：根据机组基本参数，如额定工况，机组转数、额定出力等，确定转轮的设计参数，如额定水头、额定转速等，如表1所示。

表1模型转轮设计参数

a2.得到投影图：根据水泵工况一元设计理论，得到模型转轮的轴面投影图，如图5所示；具体转轮轴面形状的主要控制参数如表2所示。

表2转轮轴面形状主要控制参数

其中：D₂为叶片高压边直径；D_1s为低压边下环处直径；D_1h为低压边上冠处直径；b₂为高压边转轮高度。

a3.根据等叶片厚度原理，确定设计叶片厚度参数，如图6为叶片厚度上冠分布图、图7为叶片厚度下环分布图。

b.确定出控制参数变量的取值范围，包括：确定转轮叶片载荷分布的控制参数取值范围：

图8为叶片载荷分布的控制参数定义的示意图。叶片载荷曲线由一条三段式复合曲线表示，即由前后两端的抛物线和中部的直线构成。载荷曲线的具体分布，可由m₁、m₂、k、d，四个参数确定。m₁、m₂分别为抛物线与直线的交点，k为中部直线的斜率，d为载荷曲线起始点载荷，代表起始点载荷值与零点之间的差值。现用s，h分别代表下环和上冠的载荷曲线，如m_1h代表上冠线的m₁值。在叶片载荷分布的参数中，k_s、k_h、d_s、d_h对载荷的分布影响最大，m₁对快速提升下环靠近低压边的叶片载荷起着重要作用。为了降低优化成本，将m_2h、m_2s设置为0.8。当m₁在0.05～0.8范围内,k在-2～2范围内，d在-0.4～0.4范围内，能得到合适的叶片形状。确定转轮的叶片载荷分布变量的范围，如表3所示。

表3叶片载荷分布变量优化变量及变化范围

确定高压边叶片倾角的取值范围：

图9为高压边倾角示意图，即图中的β角。当θ在-20°～20°，能够得到合适的叶片，确定优化变量及变化范围如下表4所示。在设计过程中通常给出θ值，θ与β满足下列关系式：

式中：D₂为叶轮直径，b₂为叶轮出口宽度。

表4叶片倾角优化变量及变化范围

c.由于确定了7个控制参数变量，根据拉丁超立方实验设计法(通过商业软件iSIGHT实现)，确定40个控制参数变量的组合。

d.根据转轮基本设计参数和控制参数，通过转轮设计软件(TURBO Design)，完成模型转轮的全三维反问题设计，获得40个初始转轮的三维模型。

e.通过CFD数值模拟，对40个初始转轮进行三维定常流动计算，获得40个初始转轮的转轮性能：水泵设计工况效率、水轮机额定工况效率、水泵设计工况叶片最低压力。

f.利用响应曲面法(通过MATLAB编程实现)，在40个初始转轮的转轮性能与控制变量之间，建立函数关系。

g.根据响应面法建立的函数关系，进行多目标遗传算法寻优计算，获得优化后的大量转轮的预估转轮性能。

多目标遗传算法中的参数设置，如表5所示。多目标遗传算法的具体设置方式如下：

g1.以叶片载荷分布和高压边叶片倾角为优化变量。

g2.优化目标为：水泵设计工况机组效率、水轮机额定工况效率及水泵工况叶片最低压力点压力。

g3.选取合适的遗传算法参数：种族数量、遗传代数、交叉概率、交叉分布指数、变异分布指数、初始模式。

表5多目标遗传算法优化算法中参数设置

h.经过多目标遗传算法寻优以后，生成大量的优化转轮，以水泵设计工况机组效率高、水轮机额定工况效率高及水泵工况叶片最低压力点的压力高为筛选条件，从其中筛选出6个综合性能较好的转轮，分别标号A、B、C、D、E、F。

i.再次通过CFD数值模拟，获得优化后转轮的性能，表6为转轮CFD数值模拟后的转轮性能。

表6 CFD数值模拟后的转轮性能

j.将筛选后的多个转轮的转轮性能进行对比，得到综合性能最好的转轮，确定F为最终的转轮。通过CFD数值模拟，发现筛选后的模型转轮与常规设计出的转轮相比，如表7所示，具有较高的综合性能。

表7与常规转轮的转轮性能对比

对应上述方法，本发明的实施例还提供了一种水泵水轮机转轮的设计装置，该装置的结构如图11所示，主要包括：

参数确定模块501，用于确定转轮的基本参数和控制参数变量；

模型创建模块502，用于根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型；

初始转轮性能获取模块503，用于获得多个初始转轮的转轮性能；

转轮性能优化模块504，用于对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；

转轮筛选模块505，用于对所述多个优化转轮进行筛选，确定所述水泵水轮机的转轮。

上述各模块的具体操作方法可以参考图1及其描述，在此不再赘述。

通过本发明的水泵水轮机转轮的设计方法以及设计装置可以实现水泵水轮机转轮的设计开发工作，具有优化变量数目少、寻优空间大、优化周期短且能兼顾多个优化目标的优点效果，且在设计过程中，能够保证水泵水轮机在空化性能、水泵工况与水轮机工况具有较好的综合性能。

Claims (10)

1.一种水泵水轮机转轮的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定转轮的基本参数和控制参数；

根据所述转轮的基本参数和控制参数，建立多个初始转轮的三维模型；

获得多个初始转轮的转轮性能；

对所述多个转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；以及

筛选确定所述水泵水轮机的转轮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转轮的基本参数包括：转轮的设计参数、模型转轮的轴面投影图以及设计叶片厚度参数；

所述确定转轮的基本参数包括：根据机组进本参数，确定转轮的设计参数；

根据水泵工况一元设计理论，得到模型转轮的轴面投影图；

根据等叶片厚度原理，确定设计叶片厚度参数；以及

所述确定转轮的控制参数包括：确定所述控制参数的取值范围以及控制参数变量的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型包括：根据模型转轮的基本参数和控制参数，通过转轮设计软件，完成转轮的全三维反问题设计，获得多个初始模型转轮，并建立多个初始转轮的三维模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得多个初始转轮的转轮性能包括：通过CFD数值模拟，对多个初始转轮的三维模型进行三维定常流动计算，获得多个初始转轮的转轮性能。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化包括：构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系；以及通过多目标遗传算法进行转轮性能优化，得到多个优化转轮。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系包括：利用响应曲面法，构建初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过多目标遗传算法进行转轮性能优化包括：所述初始转轮的转轮性能和控制参数之间的函数关系，进行多目标遗传算法寻优计算，获得多个转轮的预估转轮性能，并从中选择出多个优化转轮。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多目标遗传算法寻优计算包括：

以叶片载荷分布和高压边叶片倾角为优化变量；

设置优化目标为：水泵设计工况机组效率高于预先设定的阈值、水轮机额定工况效率高于预先设定的阈值、水泵工况叶片最低压力点压力高于预先设定的阈值；

选取遗传算法参数，其中所述遗传算法参数包括：种族数量、遗传代数、交叉概率、交叉分布指数、变异分布指数、初始模式；以及

进行多目标遗传算法寻优计算，获得满足优化目标的多个转轮的预估转轮性能；

从所述多个转轮的预估转轮性能中选择性能最优的多个优化转轮。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对所述多个转轮进行筛选包括：

通过CFD数值模拟，获得所述多个优化转轮的转轮性能；

将所述多个优化转轮的转轮性能进行对比，得到综合性能最好的转轮，作为所述水泵水轮机的转轮。

10.一种水泵水轮机转轮的设计装置，其特征在于，该装置包括：

参数确定模块，用于确定转轮的基本参数和控制参数变量；

模型创建模块，用于根据所述转轮的基本参数和控制参数建立多个初始转轮的三维模型；

初始转轮性能获取模块，用于获得多个初始转轮的转轮性能；

转轮性能优化模块，用于对所述多个初始转轮的转轮性能进行优化，得到多个优化转轮；

转轮筛选模块，用于对所述多个优化转轮进行筛选，确定所述水泵水轮机的转轮。