贯流式水轮机转轮叶片的多学科优化设计

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1、第30卷第2期农业工程学报、，01_30No．22014年1月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJan．201447贯流式水轮机转轮叶片的多学科优化设计朱国俊，郭鹏程※，罗兴镝，齐国庆(西安理工大学水利水电学院，西安710048)摘要：为了变革传统的转轮优化设计方法，在缩短转轮研发周期的同时能确保转轮安全、高效的运行，有必要开展转轮的多学科优化设计方法研究。该文基于多学科可行性优化策略(multidisciplinary

2、feasiblemethod，MDF1提出了-kO~兼顾水力性能和强度应力的贯流式转轮叶片多学科优化设计方法。该方法以转轮叶片的几何形状参数作为优化变量，以转轮叶片的水力效率以及叶片上的最大静应力值作为优化目标，并通过MDF策略构建整个多学科优化求解系统，同时引入NSGA—II算法作为寻优算法开展了贯流式叶片的多学科优化设计。优化过程中，采用弱耦合方法完成每个优化个体的多学科性能分析以缩减整个优化流程的计算时间，提升了该方法的工程实用性。采用该方法对某电站的贯流式水轮机模型转轮进行优化，优化后水轮

3、机的水力效率提高了0．3％，转轮叶片的最大应力值降低了16．3％，表明该方法是有效的，并具有实际的工程应用价值。关键词：水轮机；优化设计；效率；贯流式；多学科可行性策略dof10．3969~．issn．1002—6819．2014．02．007中图分类号：M312；TP470．30，文献标志码：A文章编号：1002—6819(2014)一02—0047—09朱国俊，郭鹏程，罗兴铸，等．贯流式水轮机转轮叶片的多学科优化设计[J]．农业工程学报，2014，30(2)：47—55．ZhuGuojun，G

4、uoPengcheng，LuoXingqi，eta1．Optimaldesignofrunnerbladeinbulbturbinebaseonmultidisciplinaryfeasiblemethod[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2014，30(2)：47—55．(inChinesewithEnglishabstract)多学科优化技术在叶轮机械领域内的应

5、用主要集中0引言在以可压缩介质为工质的领域，如：冯·卡门流体力转轮叶片是贯流式水轮机的核心部件，其性能学研究院的T．Verstraetel[7-81领导的研究团队采用人优劣直接影响贯流式机组的整体性能。传统的贯流工神经网络和遗传算法相结合开展了离心式压气机式转轮叶片优化设计只关注几何参数对转轮叶片的多学科优化；丰镇平教授【9]采用顺次优化的多学科水力性能的影响uJ，在水力性能满足后才以强度性优化设计方法对微型压气机进行了优化；岳珠ⅢJ能作为校核，这种方法会造成设计工作的来回反复和王荣桥【l则采用I

6、sight分别对离心压气机和轴流从而延长优化设计的周期。为确保转轮能高效、安涡轮叶片进行了优化。但在以水为介质的叶轮机械全的在水下运行以及缩短转轮叶片的研发周期，转领域如水轮机领域内应用很少，因此有必要对水轮轮的设计与优化必然要同时兼顾水力与结构强度机叶片的多学科优化技术进行研究，探索适合于水性能，这2个主要性能涉及了流体力学与固体力学轮机过流部件多学科优化设计的方法。2个学科，因此转轮叶片的优化设计是一个必须考本文基于多学科优化设计中的可行性优化虑学科综合影响的多学科优化问题。为了解决传统(mu

7、ltidisciplinaryfeasiblemethod，MDF)策略[12_】优化设计方法中的不足，需要采用多学科优化设计提出了一种贯流式转轮叶片的优化设计方法。该方法方法(multidisciplinarydesignoptimization，MDO)根据MDF策略构建整个叶片优化设计系统框架，然来综合全面的提高叶片的水力和强度性能。目前，后在该系统中采用贝塞尔曲线参数化技术控制转轮叶片的几何外形，以CFD数值计算与FEA有限元分收稿日期：2013—08．12修订日期：2013．12．27析

8、得到的转轮叶片水力效率与叶片上的最大静应力基金项目：国家自然科学基金项目(50979091)；教育部博士点基金值作为目标函数，以NSGA—II多目标遗传算法作为优(20126l18l30002)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2012JM7005)。化算法开展转轮叶片的多学科优化设计，最终得到水作者简介：朱国俊(1984一)，男，广西北海人，博士，从事水力机械力效率与强度性能都得到提高的最优解。优化设计研究。西安西安理工大学水利水电学院，710048。Email：zbbpearl