一种大型水轮机转轮智能优化设计方法

技术领域

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种大型水轮机转轮智能优化设计方法。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，作为绿色能源的水力发电正在大力发展。其中的轴流式水轮机主要应用于中低水头段，其单位流量大，适应变工况的能力强，并且投资小，工期短，对环境的负面影响小，已成为水电开发利用的重中之重。为了提高轴流式水轮机的出力、效率、稳定性等性能参数，人们尝试对轴流式水轮机进行优化设计，以便改善电站的经济运行。我们知道，转轮是水轮机的核心部件，转轮设计的好坏直接关系到水轮机效率的高低、水轮机运行的稳定性。在现有技术中，在设计转轮时，人们大都是将水轮机在设计工况下的效率作为优化目标进行设计的。由于轴流式水轮机的转轮轮缘间隙的存在，会造成水流的间隙泄漏流动，并由此形成泄漏涡，进而导致轴流式水轮机运行不稳定，并降低效率。当水轮机出现这些非设计工况时，现有设计的转轮在性能上往往难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种大型水轮机转轮智能优化设计方法，通过对轴流式水轮机在不同工况下的效率、结构应力、转轮重量等进行优化设计，实现轴流式水轮机的高效、稳定运行，并有效地降低转轮的重量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大型水轮机转轮智能优化设计方法，包括如下步骤：

a.采用5点4次Bezier曲线对水轮机转轮进行参数化控制，得到水轮机转轮的优化设计变量x＝(x

b.对水轮机进行几何建模，建立计算域，生成有限体积网格，进行多工况下的CFD计算分析，得到水轮机多工况下的效率值以及在各个工况下转轮的压力场分布，其中水轮机多工况下的效率值为η＝(η

c.对上述水轮机结构计算域进行有限元网格划分，将步骤b计算得到的各工况下的压力场在有限元网格表面节点上插值，进行有限元分析计算，代表转轮强度的静应力σ的表达式为；

其中，σ

σ

σ

水轮机多工况下的静应力优化函数为S＝(S

d.水轮机转轮的优化函数为：

G为参数化转轮结构后转轮的重量，G＝ρV，ρ为钢的密度，V为转轮体积。

作为优选，在步骤d后增加步骤e：评价此时的转轮结构是否为最优解，若不满足，使用人工鱼群算法进行寻优。

作为优选，在步骤e中，设人工鱼群k目前的状态是Y

Y

其中visual是感知范围，Rand是0到1之间的一个随机数。Y

其中，iter表示迭代次数，step表示步长，如果此时优化函数的计算结果次于Y

作为优选，设定当前邻域内人工鱼同伴数为n

则向同伴中心的方向移动，否则进行觅食行为：

作为优选，选择Minkowski距离函数：

式中，D表示距离，α

因此，本发明具有如下有益效果：通过对轴流式水轮机在不同工况下的效率、结构应力、转轮重量等进行优化设计，实现轴流式水轮机的高效、稳定运行，并有效地降低转轮的重量。

具体实施方式

一种大型水轮机转轮智能优化设计方法，包括如下步骤：

a.采用5点4次Bezier曲线对水轮机转轮进行参数化控制，得到水轮机转轮的优化设计变量x＝(x

b.对水轮机进行几何建模，建立计算域，生成有限体积网格，进行多工况下的CFD计算分析，得到水轮机多工况下的效率值以及在各个工况下转轮的压力场分布，其中水轮机多工况下的效率值为η＝(η

c.对上述水轮机结构计算域进行有限元网格划分，将步骤b计算得到的各工况下的压力场在有限元网格表面节点上插值，进行有限元分析计算，代表转轮强度的静应力σ的表达式为；

其中，σ

σ

σ

水轮机多工况下的静应力优化函数为S＝(S

d.水轮机转轮的优化函数为：

G为参数化转轮结构后转轮的重量，G＝ρV，ρ为钢的密度，V为转轮体积。

作为一种优选方案，我们还可在步骤d后增加步骤e：评价此时的转轮结构是否为最优解，若不满足，使用人工鱼群算法进行寻优。

用人工鱼群算法进行寻优的步骤包括：

1)人工鱼群初始化；

2)计算人工鱼群优化目标函数，最优函数值计入公告；

3)人工鱼群行为评价，从4种行为中选择一种最优鱼群行为；

4)更新人工鱼位置；

5)计算人工鱼群优化目标函数，更新公告；

6)判断是否达到最大迭代次数；

7)若是，则输出运行结果，若否，则重新评价人工鱼群行为；

8)重复前述步骤2-5，直至输出最优目标函数。

地，在步骤e中，设人工鱼群k目前的状态是Y

Y

其中visual是感知范围，Rand是0到1之间的一个随机数。Y

其中，iter表示迭代次数，step表示步长，如果此时优化函数的计算结果次于Y

更进一步地，设定当前邻域内人工鱼同伴数为n

则向同伴中心的方向移动，否则进行觅食行为：

最后，我们还可选择Minkowski距离函数：

式中，D表示距离，α