水力机械优化设计理论
水力机械系统性能分析与优化研究
水力机械系统性能分析与优化研究一、引言随着社会的不断发展，能源问题日益受到关注。
水力能源作为一种可再生、清洁的能源形式，其开发利用具有重要意义。
而水力机械系统作为水力能源的转换装置，其性能直接关系到水能的有效利用，因此对于水力机械系统性能的分析与优化研究具有重要意义。
二、水力机械系统的基本原理水力机械系统是指由水轮机、调速器、发电机组成的能量转换装置。
其基本工作原理是利用水能驱动水轮机转动，然后通过机械装置将旋转的机械能转换为电能输出。
在这个过程中，各个部件之间的协调与配合至关重要。
三、水力机械系统性能分析方法1. 环境条件分析水力机械系统安装在水电站等环境条件相对恶劣的场所，因此在性能分析前需要对环境进行详细的分析。
主要包括温度、湿度、海拔等环境因素的影响。
2. 水轮机特性分析水轮机作为水力机械系统的核心部件，其性能直接关系到整个系统的效率。
通过对水轮机的流量-扬程特性曲线进行分析，可以评估水轮机的效率和稳定性。
3. 调速器特性分析调速器作为控制水轮机转速的装置，在水力机械系统中起到至关重要的作用。
调速器的性能直接影响到水轮机的负载能力和输出效率。
因此，在性能分析中需要对调速器的响应速度、控制精度等指标进行评估。
4. 发电机特性分析发电机作为水力机械系统的输出部件，其性能对系统的整体效率产生重要影响。
通过对发电机的负载特性进行分析，可以评估发电机的转换效率和输出能力。
四、水力机械系统性能优化方法1. 水轮机叶片优化设计通过优化水轮机叶片的形状和结构，可以改善水轮机的流动性能，提高其效率。
常用的优化方法包括叶片厚度分布、进口导叶角度、叶片数等参数的调整。
2. 调速器优化设计调速器的优化设计主要包括控制系统的改进和参数的合理配置。
通过提高调速器的响应速度和控制精度，可以提高水力机械系统的稳定性和输出效率。
3. 发电机优化设计发电机的优化设计主要包括磁路设计和电气参数匹配。
通过减少磁路磁阻、提高电气效率等措施，可以提高发电机的转换效率和输出能力。
水力机械的流场特性模拟与优化设计
水力机械的流场特性模拟与优化设计在工程学中，水力机械是指利用水力能量进行能量转换的机械装置。
它包括水轮机、水泵等设备，广泛应用于水电站、水泥厂、冶金企业等行业。
为了提高水力机械的性能，我们需要对其流场特性进行模拟与优化设计。
一、流场特性模拟流场特性模拟是指利用数值计算方法，通过建立数学模型来模拟和预测水流在水力机械内部的流动情况。
在过去，人们主要依靠实验室试验来研究水力机械的流场特性，但这种方法成本高，耗时长，并且难以全面掌握流场的细节。
而现在，借助计算机的发展，数值模拟方法已经成为了研究流场特性的重要手段。
为了进行流场特性模拟，我们首先需要建立一个合适的数学模型。
常见的数学模型有流体动力学方程和湍流模型等。
流体动力学方程描述了流体运动的基本规律，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
而湍流模型则是用来描述湍流的行为。
在建立数学模型后，我们可以通过数值方法将其离散化，然后借助计算机来求解。
常用的数值方法有有限体积法、有限差分法和有限元法等。
这些方法的核心思想是将流动区域划分为网格，然后在网格中求解离散化后的数学模型。
通过迭代计算，我们可以得到流场的详细信息，包括速度场、压力场等。
借助流场特性模拟，我们可以对水力机械的性能进行预测和分析。
通过调整模型参数或优化设计，我们可以改善水力机械的性能。
例如，我们可以通过模拟来优化水轮机的叶片形状，以提高其效率；我们还可以通过模拟来预测水泵的流量和扬程等参数，以指导设计和选型。
二、优化设计优化设计是指通过数值模拟和优化算法，对水力机械进行改进和优化。
通过优化设计，我们可以改善水力机械的性能，并满足不同场合的需求。
在优化设计中，首先需要选择适当的优化算法。
常见的优化算法有遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
这些算法模拟了生物进化和物理过程，能够在较短的时间内找到较优的设计方案。
在选择优化算法后，我们需要确定优化的目标函数和约束条件。
目标函数通常是衡量水力机械性能的指标，如效率、水头损失等。
水力机械的流量特性分析与优化设计
水力机械的流量特性分析与优化设计水力机械是利用水流能量进行动力转换的机械设备，包括水轮机、泵等。
在工程设计和应用中，了解水力机械的流量特性对于优化设计和性能提升至关重要。
本文将分析水力机械的流量特性，并提出优化设计的方法。
一、水力机械的流量特性分析1. 流量与转速的关系在水力机械中，流量是指单位时间内通过机械的液体体积。
一般来说，流量与机械的转速有一定的关系。
以水轮机为例，当转速增加时，流量也会随之增加。
这是因为高转速会导致叶片与液体的相对速度增大，从而使液体通过的速度增加，进而使单位时间内通过的液体体积增加。
2. 流量与叶片形状的关系叶片形状对于水力机械的流量特性具有重要影响。
一般来说，叶片的曲率半径越小，流量越大。
这是因为曲率半径越小，叶片的曲线越陡峭，液体在通过时受到的阻力也越小，进而流量增加。
当然，叶片的形状也需要考虑其他因素，如叶片的强度和稳定性。
3. 流量与出口面积的关系流量与水力机械的出口面积也有一定的关系。
一般来说，出口面积越大，流量也会相应增大。
这是因为出口面积增大会降低液体通过的速度，从而使单位时间内通过的液体体积增加。
同时，出口面积的变化也会影响到机械的效率和压力损失。
二、水力机械的优化设计1. 流道设计流道是水力机械中液体流动的通道，其设计对于流量特性具有重要影响。
在优化设计中，需要考虑流道的形状和尺寸。
一般来说，流道应该尽可能保持流线型，减小流动阻力和能量损失。
此外，流道的尺寸也需要根据流量和其他参数进行合理选择，以保证流体的平稳流动和合理的动能转换。
2. 叶轮设计叶轮是水力机械中进行水能转换的关键组件，其设计直接影响到流量特性和效率。
在优化设计中，叶轮的叶片形状和数量需要仔细选择。
一般来说，叶片的形状应该使液体在通过时受到的阻力最小，从而增加流量；叶片的数量也需要根据流量和转速进行合理选择，以使液体的能量转换效率最大化。
3. 控制系统设计水力机械的控制系统对于流量特性的控制和调节至关重要。
水力发电的设计与优化
水力发电的设计与优化水力发电是利用水资源的能源。
设计水力发电站是一个非常重要的任务，因为它可以影响发电的效率和成本。
在本文中，我们将介绍水力发电的一些基本原理和设计方法，并探讨如何通过优化设计来提高发电效率。
水力发电的基本原理水力发电的基本原理是利用水的动能驱动涡轮发电机运转，从而产生电能。
整个过程可以分为以下几个步骤：1.引水：将水引入到水轮机中，以产生动力。
2.涡轮机：水流通过水轮机，使其旋转，并将运动转换为机械能。
3.转换系统：将机械能转换为电能的发电机。
4.电网：将发电机产生的电能输送到电网中。
水力发电站的组成水力发电站基本上由两部分组成：水坝和发电机房。
水坝是收集水资源的地方，水坝一般在河流的下游。
它需要足够高，以形成足够大的水头。
水头是指高度差的高度，它是实现水力发电的一个关键因素。
发电机房则包括涡轮机、发电机和控制系统。
涡轮机是能够将水的动能转换为机械能的设备。
发电机将这种机械能转换为电能。
控制系统则负责监控和管理整个过程，并确保水力发电站的安全运行。
水力发电站设计优化的主要考虑因素目前，关于如何提高水力发电站效率和降低成本的研究，主要集中在以下考虑因素：1.水轮机的优化设计水轮机的设计是水力发电站中非常重要的环节。
对于水力发电站性能的影响非常大。
目前，研究人员主要集中在对水轮机流场的研究和设计。
通过对水轮机流场的优化设计，可以提高水力发电站的效率和性能。
2.水力发电站的结构设计水力发电站的结构设计也是非常重要的。
其主要目的是确保水力发电站的运行安全和稳定。
这包括水坝、通道、涡轮机和发电机等设备的设计。
通过对设备的结构和材料的优化设计，可以大大提高水力发电站的效率和可靠性。
3.水资源的管理水力发电站必须依赖水资源进行运转，因此水资源的管理也是影响水力发电站效率和产能的重要因素。
对于水力发电站所在地区的天气和降雨情况的预测和监测，对于水力发电站的发电效率提高是非常有帮助的。
此外，在水力发电站运转期间，也需要对水资源进行科学计划和管理。
水力机械涡轮的结构优化设计
水力机械涡轮的结构优化设计水力机械是指利用水能进行工作的机械设备，是现代能源领域中的重要组成部分。
水力机械中的涡轮是能量转换的重要部件，其性能直接影响水力发电站的发电效率。
因此，涡轮的结构优化设计成为了水力机械领域的热点问题。
涡轮是以水压作为动力，将其转化为机械能的设备。
涡轮主要由转子和定子组成。
转子是叶轮、轴和舞台的组合，定子是水导管、尾水管和定子叶轮的组合。
涡轮的结构十分复杂，其内部的水流动情况对性能的影响十分显著。
因此，涡轮的结构优化设计必须考虑到流动力学的特性，以提高涡轮的效率和性能。
液体在高速旋转的叶轮中它所受的离心力可用来传递动能和扭矩。
因此，在设计涡轮的过程中，需要考虑叶轮的外形和材料等因素对离心力的影响。
同时，在叶轮的定位上，需要注意叶轮与轴的匹配程度，以免因摩擦而导致泄露和磨损。
涡轮的流通部件主要由导叶和转子叶轮构成。
导叶的作用是通过改变进水水流的方向和速度，将水导入转子叶轮中，从而提供叶轮的动力。
转子叶轮的主要作用是依靠高速空间旋转，将水的动能转换为机械能。
在设计导叶和转子叶轮时，需要考虑各部件之间的流动性能和协调性，以提高涡轮的效率。
涡轮的尾水管是导叶和转子叶轮之间的出水管道，其长度、形状对尾水出口处压力的分布以及废水流速的大小都会产生影响。
正确设计尾水管可以减少失能和旋涡的损失，提高涡轮的效率。
在涡轮的运转过程中，姿态变化会导致叶轮的叶片发生变形和扭曲，而变形和扭曲的程度对涡轮的效率和寿命产生影响。
因此，在设计涡轮结构时，需要考虑叶片的组成、质量和刚度等因素，以及叶轮的内部通道的流体力学特征，为叶轮的姿态变化提供必要的支持和保障。
涡轮的结构优化设计是水力机械研究的重要组成部分，涉及到多个学科领域。
在设计过程中，需要充分考虑物理、数学、力学、流体动力学等学科的知识，并结合实际情况和应用要求进行合理的设计和调整。
只有如此，才能生产出高效、高性能的水力机械涡轮，为水力能源的开发做出贡献。
水力机械的流体力学特性分析与优化设计
水力机械的流体力学特性分析与优化设计随着工业和农业的快速发展，水力机械作为一种重要的能源装置，广泛应用于水力发电、水资源利用和水务工程等领域。
而水力机械的流体力学特性对于其性能和效率具有重要影响。
本文将对水力机械的流体力学特性进行分析，并探讨优化设计的方法。
1. 水力机械的基本原理与分类水力机械是一类将水能转化为机械能的装置，根据其转换方式可以分为水轮机和水泵两大类。
水轮机将水能转化为机械能，实现发电或提供动力；水泵则将机械能转化为水能，用于提供供水、引水等功能。
2. 水力机械的流体力学特性分析流体力学特性是指在水力机械运行过程中，流体与机械相互作用所表现出来的力学现象。
首先，通过对水力机械内部的流体流动进行分析，可以了解其动态特性。
对于水轮机而言，流体流动对于转子叶片以及泄流装置的影响十分重要；对于水泵而言，流体流动则对于叶轮等关键部件的设计有着直接的影响。
其次，通过对水力机械内部的压力分布进行分析，可以进一步了解其静态特性。
合理的压力分布可以提高机械的传动效率，并降低能量损失。
最后，通过对水力机械的振动特性进行分析，可以评估其结构的稳定性和可靠性。
3. 水力机械流体力学特性的优化设计为了实现水力机械流体力学特性的优化设计，可以采取以下几种方法。
首先，通过理论分析和数值模拟，研究水力机械的内部流动规律，寻找流体力学优化的路径。
其次，借鉴其他领域的经验和理论知识，进行创新设计。
例如，可以引入空气动力学或船舶流体力学的相关理论，来改善水力机械的性能。
最后，结合实际工程应用需求，进行试验验证和实际运行测试。
通过不断改进和优化，提高水力机械的效率和可靠性。
4. 水力机械流体力学特性优化设计的挑战与展望在水力机械流体力学特性的优化设计过程中，仍存在一些挑战需要克服。
首先，水力机械涉及的流动问题通常十分复杂，需要借助先进的数值模拟方法进行分析。
其次，优化设计需要综合考虑多个因素，如流体力学特性、结构强度和材料选择等。
水力机械流道的优化设计与改进研究
水力机械流道的优化设计与改进研究水力机械流道作为水电站的关键部件，其设计对于机组效率和运行稳定性有着重要影响。
本文将探讨水力机械流道的优化设计与改进研究，通过对不同流道形状、尺寸和材料的分析，寻求提高机械性能的有效途径。
1. 流道形状的优化设计在水力机械流道的设计中，流道形状是一个关键因素。
传统的流道形状为圆形或轴对称形状，然而，这种设计并不能充分利用水流的能量，使得机械效率不尽如人意。
因此，研究人员开始探索更为复杂的非圆形和非对称形状。
例如，六角形流道可以提供更大的受力面积，减少流量对流道壁的冲击，从而降低了能量损失。
此外，流道形状的优化也需要考虑水流流动的各向异性，以充分发挥水流的动能。
2. 流道尺寸的优化设计除了流道形状外，流道尺寸的优化设计也对机械性能的提升至关重要。
流道尺寸的合理设置可以使水流在流道中顺畅流动，减少能量损失和水流的旋转。
一种常见的优化方法是通过数值模拟和实验测量，确定最佳的流道尺寸。
这些方法不仅可以提高机械性能，还可以减少流道的摩擦阻力和压力损失，延长机械的使用寿命。
3. 流道材料的改进研究流道材料的选择对于机械性能的改进也非常重要。
传统的流道材料通常是金属或混凝土，然而这些材料存在一些缺陷，如重量大、腐蚀易、制造困难等。
因此，研究人员开始寻找新型材料来改进流道的性能。
一种有潜力的材料是先进复合材料，它具有轻量化、抗腐蚀和高强度等优点。
此外，纳米材料也被应用于流道的改进研究中，通过纳米涂层可以减少流道表面的粗糙度，降低摩擦阻力，提高流道的效率。
4. 流道的使用寿命和维护管理流道的使用寿命和维护管理也是一个重要的研究方向。
传统上，水力机械的流道使用寿命相对较短，需要经常维修和更换。
然而，这种方式不仅费时费力，还会导致机组停机时间增加，影响发电量。
因此，研究人员开始关注流道的长寿命设计和维护管理。
一种方法是通过合理的流道设计，减少流道表面的磨损和腐蚀；另一种方法是采用先进的在线监测技术，实时监测流道的运行状态，及时发现问题并进行维修。
水电站工程水力机械设计与优化分析 江柱
水电站工程水力机械设计与优化分析江柱摘要：水力机械是水电站建设中的重要组成部分，在建设过程中水力机械的运行特点和功能应当满足水力建设的客观需求，在这一要求之下，针对现有设备进行一定的优化是当前发展建设中的客观需求。
针对实际使用目的对水力机械进行设计上的优化可以提升运行效率，降低水力机械运行中出现故障的可能性，对水电站的运行效率以及运行寿命有着直接的影响。
关键词：水电站工程；水力机械设计；优化一、水轮机的机械设计水轮机的机械设计需要综合考虑水电站的运行需求、不同水轮机结构特点、水轮机的设计工艺及材料等因素，以保证水轮机可以满足性能的要求。
1、水轮机的机型选择在水轮机的机型选择时，需要考虑水头利用、电站效率、运行稳定度等因素。
此外还要综合考虑成本和经济等方面的因素。
通常，水头在10～25m、40～80m、100～700m范围内的水电站的水轮机可分别选用灯泡贯流式或轴流转桨式、轴流转桨式或混流式、混流式或冲击式。
2、技术目标参数决定的水轮机选取借助水轮机运行中的综合性能公式以及水电站建设中的参数可以确定适合使用的水轮机类型，在使用过程中水轮机的水头可以得出水轮机所需的转速，进而技术人员可以对其发电效率以及高度进行计算，确定其是否满足实际建设需求，根据实际参数和水电站的建设需求来确定水轮机机械设计过程，保证使用质量。
3、转轮在转轮部分，需要根据水电站需求确定转轮的叶片、上冠、下环等的使用材料，同时确定转轮结构。
对于加工精度高，转轮公称直径大于5米且运输困难的转轮，在组装时可以考虑使用分两瓣的结构进行组焊。
如小浪底水电站在转轮的设计及组装时，采用了对各部分分别进行加工的方式，在配件运输到工地后再进行组装的方式。
4、主轴导轴承及主轴的密封当前的主轴导轴承通常采用抗重螺栓或由可调节楔子板支撑的油浸式扇形分块瓦轴承。
对主轴的密封方案通常采用水压端面密封结构，该结构可以保证主轴受力均匀，延长水轮机的使用寿命。
5、座环与蜗壳现常用的座环设计为上下环与固定导叶的平板焊接结构，这种结构方式充分利用各部分的抗撕裂厚钢板优势，配合圆弧形导流环可以改善流态。
水电站水力机械系统设计及参数优化
水电站水力机械系统设计及参数优化一、引言水电站是一种以水能为动力，通过发电机转换为电能的装置。
其核心组成部分是水力机械系统，它由水轮机、转子、定子、发电机等部分组成。
水力机械系统的设计和参数优化对于提高水电站的发电效率和可靠性至关重要。
二、水力机械系统的设计1.水轮机的选择：水轮机是水电站水力机械系统的核心组成部分之一。
在选择水轮机时需要考虑水头、水量、水质、转速、效率等因素。
不同类型的水轮机适用于不同的水头和水流量。
例如，对于大水头的水电站，可以选择速度型水轮机，对于低水头的水电站，可以选择转轮式水轮机。
2.水轮机的布置：水轮机的布置一般分为直排型、斜排型和深井型。
直排式水轮机布置简单、易于维护，适用于水头较低，流量较大的场合。
斜排式水轮机可以适应水流方向变化的情况，适用于水头较为复杂的场合。
深井式水轮机一般用于水压较大、水头较高的场合。
3.水力机械系统的材料选择：水力机械系统需要选择耐蚀、抗疲劳、耐磨损、强度高的材料。
一般选择可焊接、可加工的钢材和合金材料。
在选择材料时还需要考虑其成本和可供性。
4.机械转动部分的设计：机械转动部分是水力机械系统中一个重要部分。
在设计时需要考虑机械转动的稳定性、可靠性和寿命。
需要选择合适的轴承和密封件，减少机械故障，提高设备的运行效率。
5.水力机械系统的强度计算：在设计水力机械系统时需要进行强度计算，以确保设备在运行时具有足够的强度和稳定性。
需要对水轮机、发电机、转子、定子等部分进行强度计算，以选择合适的材料和结构。
三、水力机械系统的参数优化1.水轮机效率的优化：水轮机的效率是影响水力机械系统发电效率的关键因素之一。
水轮机的效率由构造、形状、转速、叶片角度、出水口分布等因素决定。
在优化水轮机效率时需要考虑水头和水流量的变化，选择合适的导叶和叶轮结构，控制水轮机的转速等。
2.提高水轮机抗重载能力：水力机械系统在运行中会受到重载和瞬态负荷的影响，容易发生机械故障。
水力系统的优化设计及其控制方法研究
水力系统的优化设计及其控制方法研究水力系统是一种用于生产、传输、分配和利用水资源的机械系统。
水力系统广泛应用于水利工程和能源领域，具有许多优点，例如：环保、节能、经济。
但是，水力系统也存在一些问题，例如：能量损失、水力紊流、涡流损失等。
为了解决这些问题，必须进行水力系统的优化设计和控制方法研究。
本文将从以下几个方面进行探讨。
一、水力系统的优化设计（一）压力管道优化设计水力系统中，压力管道是其核心部件之一。
在设计过程中，应尽可能减少管道的摩阻损失和水头损失，以提高水力平衡效率和运行效果。
常用的优化设计方法有：1.减小管道截面积管道截面积越小，则其周长和湿周长也会减小，摩阻损失减小，从而可以提高水力平衡效率。
但是，管道截面积不能过小，否则会影响水力系统的流量和压力。
2.优化管道形状通过对管道的形状进行优化设计，可以减小水头损失和短管损失等。
例如，采用曲管或者采用扩管收缩管等结构，可以提高水力平衡效率和流量。
（二）水轮机优化设计水轮机是水力系统中的关键设备，其转速、效率和输出功率直接影响水力系统的性能。
常见的水轮机优化设计方法有：1.改变水轮机叶片角度通过改变水轮机叶片角度，可以调节水轮机的运行状态，提高转速和效率。
但是，叶片角度的过小或者过大都会影响水轮机的性能。
2.优化叶轮结构通过对叶轮结构进行优化设计，可以减小叶轮中的流阻力，提高水轮机的效率和输出功率。
常见的叶轮优化方法有：叶轮平均直径增大、叶轮速度不变、叶片倾角增大等。
二、水力系统的控制方法研究（一）水轮机调速控制方法水轮机调速控制是水力系统中的关键技术之一。
其中，常用的调速控制方法有：1.机械调速控制通过调节水轮机叶轮的流量，来控制水轮机的转速和输出功率。
机械调速控制方式简单、可靠性高，但是响应速度较慢。
2.液压调速控制通过控制液压传动系统的压力和流量，来调节水轮机的转速和输出功率。
液压调速控制方式响应速度较快，但是成本较高。
（二）水电站集中控制方法水电站集中控制是指通过电子控制系统，集中控制和管理水力系统的各种设备，来实现全面自动化控制。
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高精度的水力 模型试验台及 转轮流态成像
观测系统
二、水力机械全三维反问题设计方法
准三维/二维设计
叶片无限薄，流线 上叶片加厚
全三维反问题设计
叶片形状以满足流动 边界条件确定
叶片方程
(Vr
+ V!rbl )
¶f ¶r
+ (Vz
+ V!zbl )
¶f ¶z
=
Vq r r2
+
V!q bl r
-w
u 来流有旋，叶片有限厚
程
智能优化算法处理
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
（1）引水部件优化设计
断面宽度
断 面 高 度
迎水面坡度
支墩尾部
导叶出口：
Ø 流量均匀度
Ø 速度标准差 Ø 压力标准差
断面宽度 断面高度 迎水面坡度
蜗形部分断面参数化 贝塞尔曲线
控 制点 初 始值 拟 合值
蜗形部分包角
控 制点 初 始值 拟 合值
VE = (ef1,ef2,ef3 ,!!, efi ,!!)
VP = ( p1, p2, p3 ,!!, pi ,!!) VS = (es1,es2,es3 ,!!,esi ,!!)
1
å æ n
2 ö2
dVE (ef X , efY ) = ç hXj -hYj ÷
åè j=1
ø
æn
1
2 ö2
Min : dVE (efX , efO ) , dVP ( pX
受力频率分析
压力脉动
t=0s
t=3s
t=5s
四、水力机械优化设计技术
参数化 造型模块
水
轮
机
计算网格
过
划分模块
流
部
件
优
CFD流场
化
计算模块
系
统
智能优化 算法模块
参数 数据
特征点
形成线
面特征
几何 文件
定义Part
计算域的划分 及定义
定义拓扑结构
全三维数值 仿真计算
优
化
生成网格
的
具
体
基于CFD的水
流
轮机性能预估
[m s^-1]
Tur. Kin. Energy
0.50 0.43 0.36 0.27 0.21 0.14 0.07 0.0 [m^2 s^-2]
通道内流速和湍动能变化
u 获得水力机械内部详细流 动细节
离轴
心流 泵泵 内内
部部 流流
场线
幅值(kPa)
10.0
8.0
真机试验
6.0
数值模拟
4.0
2.0
0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
dVS (esX , esY ) = ç
s s - ÷ max, Xj
max,Yj
è j=1
ø
多工况目标函数集合
目标函数降维处理
最终的目标函数
（2）转轮部件的优化设计
初始设计参数 H,Q,n,轴面流道,叶片速度矩
全三维反问题计算模型 有限元网格 轴面流线 有厚叶片
u 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。
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
t＝0s时转轮叶片无应力状态
应力的产生，促进叶片发生裂纹。
t＝3.0s时转轮叶片的应力分布
l 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 压力脉动
转轮叶片力矩变化
叶片受力变化
双向贯流式水轮机的工况转换过程
水力机械优化设计理论及应用
报告提纲
1 前言 2 水力机械全三维反问题设计方法 3 流动性能分析及性能预估 4 水力机械优化设计技术
一、 前 言
水轮机
水力机械
水泵 蓄能泵
水下推进器
1、水轮机
Ø将水流能量转换为旋转机械能发电 Ø类型主要包含反击式和冲击式
2、水泵
Ø将电能转换为旋转机械能输送流体 Ø类型主要包含叶片式和容积式
10
三、流动性能分析及性能预估
u 基于全三维粘性计算流体动力学理论开展性能预估 u 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 计算域网格离散
开展性能预估 的前处理
ü 网格划分 ü 边界条件设置
步骤2 CFD数值计算
步骤3 流场性能分析
三维N-S方程 数值求解
内流机理分析及 性能参数计算
蜗形部分包角
支墩尾部参数化
迎水面坡度角参数化
控 制点 初 始值 拟 合值
迎水面部分包角
Ø 三维几何模型建立 Ø 六面体网格划分 Ø 湍流模型选择 Ø 边界条件设置
蜗壳几何形状参数化表示
导叶出流特性
形状参数
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
（2）转轮部件的优化设计
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
1.6
90
1.4
80
1.2
70
1.0
60
0.8
计算扬程 试验扬程
50
计算效率 试验效率
0.6
40
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
流量 Q/QP
u 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
（3）水力机械内流机理分析及性能参数计算
转轮内叶道涡
Velocity 10.3 8.8 7.4 5.8 4.4 2.0 1.5 0.0
(re ,qe ) WCc1,=c2D,qc3e , c4 , c5 , c6 , SR, MR, HR, CT ,WC
CT = Dqs = Dqm = Dqh
SR = Drs , MR = Drm , HR = Drh
优化算法 NSGA-II或PSO
目标函数 扬程及水力效率同时达到最优
优化求解
水力性能计算分析
设计边界条件或 转轮几何参数
全三维反问题设计方法 或叶片几何改型技术
修改
自行循环
转轮几何
性能参数
性能分析 流程
流程驱动 自动化
ü 提升设计的自动化水平，缩短了设 计周期
ü 提高设计优化的创新性水平
ü 兼顾了转轮多学科、多工况的性能
兼 水力性能 顾 强度性能
不同工况点 性能
多学科优化 多工况优化
转轮叶片优化设计体系
水轮机组
将水能转 换成电能
+ 中低水头 (<60m)
2~30m
10~80m 30~700m 300~1400m
适用水头
水轮机是水电能源开发的核心设备
5
Ø 通用机械、液体输送的心脏
Ø 急需用泵：核泵、多级高压泵、单 流道泵、喷灌滴灌设备，等等
Ø 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
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
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
多目标 优化算法模块
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
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
dVP ( pX ,
pY ) = ç è
j =1
(NorP)min, Xj
-
(NorP)Mmini,Ynj
:÷
ø
dVE
(ef
X
,
eMfOi)n
,:
dVPE (epfXX , epfOO)
,
dVPS (epsXX
å æ
n
Min :
dVE
(ef
X
,
e2fOö
)1
2
,
dVP ( pX , pO )
, dVS (esX , esO )
（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
对应1个工况点
n个目标函数
对应k个工况点
k×n个目标函数
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
目前的进化类 优化算法无法 有效求解
基于欧式距离概念的多工况目标函数降维方法
ü 湍流模型选择 ü 求解计算精度设置 ü 开展计算域内NS方程求解
ü 流动细节研究 ü 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
（1）性能预估前处理技术
Ø 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 Ø 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
（d）4/8T
（h）T
（d）4/8T
（h）T
k
改进空化模型
k’
Schnerr-Sauer模型
u 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。
（4）水力机械空化性能预测技术
水轮机
尾水管空腔空化
效率(%)
空化分数状态
σc=0.07 临界空化系数
+
高扬程 大容量
500~1500
300~800
10~300
适 用 比 速 ns
水泵装置是国民经济的重要支柱