水轮机转轮水力性能多工况自动优化设计关键技术研究

借鉴并发展飞行器及叶轮机械气动自动优化设计的研究成果，将数值优化技术与高保真度的流场CFD分析技术相结合，开展水轮机转轮水力性能多工况自动优化设计技术研究。针对转轮几何复杂的特点，利用叶片角和叶片角坐标间的关系进行叶片描述，实现用较少的变量个数完成对转轮几何形状的间接参数化；鉴于优化过程中基于CFD分析的水力性能预估计算耗时过长的缺点，引入近似技术，建立设计变量和设计目标间的响应，达到计算成本与精度的折衷，实现合理优化模型；综合采用NSGA-II算法和超传递近似法的模糊评价技术，发展一种多目标优化过程中各个目标权重分配更为合理的求解方法。通过上述关键技术的解决，建立由数学过程替代设计人员经验、CFD分析模型替代经验公式为特征的水轮机转轮水力性能多工况自动优化设计体系和程序，并执行设计成果的试验验证。所取得的研究成果能为设计出具有总体性能较高和稳定运行范围宽广的水轮机而奠定基础。

本项目综合Bézier曲线参数化技术，三维粘性CFD方法和NSGA-II多目标遗传算法，发展了一种适用于水力机械转轮叶片CAD-CFD联合的多目标与多学科水力优化设计方法。提出的优化设计方法能以较少的变量控制叶片几何形状，且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围，缩小优化问题的规模。首先，采用该方法开展了水轮机活动导叶水力性能优化设计，优化中以叶片的形状参数为优化变量，以能量性能和空化性能为目标函数，采用NSGA-II算法实现叶片的多目标最优解。优化后导叶流道的进出口总压损失减少了26.97%，导叶表面上的最低静压力提升了34.176%。优化后的导叶不仅流动损失减少了，而且也具有了更好的空化性能。进一步对海流能水轮机转轮进行了优化设计，采用贝塞尔曲线对该转轮叶片节距角分布曲线进行参数化，以转轮的能量捕获效率和轴向水推力系数为目标函数，并根据BBD试验设计和响应面技术建立了设计变量和两个目标函数间的二次多项式响应关系，最后以叶片节距角分布曲线控制参数为设计变量，以能量捕获效率和轴向水推力系数作为目标函数，以设计变量与目标函数之间的响应关系作为个体适应度评价函数，采用NSGA-II算法寻优，对海流能转轮进行了优化。第二，在同时考虑水力性能和结构强度的基础上，进行了某水轮机固定导叶外形的多学科优化设计，以固定导叶的骨线形状、相对厚度分布规律和最大厚度为优化变量，以导叶通道的总压损失、导叶上的最低静压值以及导叶在水流作用下的最大静应力值作为优化目标，采用NSGA-II算法有效处理不同目标函数之间的冲突关系，找到了最优解。优化后的导叶通道总压损失减少了39.8%，导叶上的最低静压值上升了4.5%，最大静应力值下降了6%。同时，根据转轮主要涉及的水力性能和结构设计两学科的耦合关系，用改进的多学科可行方法对某贯流式水轮机进行了优化，优化后的叶片的水力性能和结构性能都有所提高和改善。最后，基于提出的自动优化设计方法，采用加权目标函数法实现了混流式水轮机转轮的多工况优化。优化过程中对每个个体进行性能预估时，通过CFD计算得到每个个体在三个工况下的能量性能和空化性能，然后对三个工况下的计算结果进行加权处理，优化的目标函数为加权后的效率及空化值，结果显示在各工况下性能均有提升。