低比转速混流式水轮机转轮三维设计和优化

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1、论文题目：低比转速混流式水轮机转轮三维设计与优化学科专业：水利水电工程研究生：阮辉签名：指导教师：罗兴镝教授签名：廖伟丽教授签名：摘要lI[IIIIII[1[IUlY21815随着电力工业的发展及节能减排的需要，低比转速混流式水轮机有很大的发展空间，但是转轮设计经验不足，设计理论不成熟是目前存在的问题。本文通过设计冷却塔用的超低比转速混流式转轮和高水头混流式水泵水轮机转轮，研究了低比转速混流式转轮设计及优化方法。首先，编写了低比转速混流式转轮叶片水力设计程序，该程序改进了传统的逐点积分法，给定叶片安放角沿轴面流线的分布规律，可以方便地对叶片包角进行控制。通过模块制作对设计的转轮进行快速

2、CFD数值分析，实现了设计系统与性能分析系统之间的数据对接，大量减少设计人员的工作量。在设计程序的基础上，以转轮进出口安放角及沿流线安放角分布控制系数为优化变量，基于NSGA．II遗传算法，以转轮水力效率及叶片最低压力值为优化目标，编写了低比转速混流式转轮优化程序。其次，基于设计程序，给定不同的叶片安放角分布规律设计了具有不同包角的超低比转速混流式转轮叶片，分析了叶片安放角分布规律与速度矩分布规律的关系及其对转轮压力分布和效率的影响，并得出了从上冠流线至下环流线叶片安放角分布规律控制系数的变化趋势。然后，基于转轮优化程序，寻找出相对最优的超低比转速混流式水轮机转轮，连同蜗壳、导水机构、

3、尾水管进行了全流道定常数值模拟计算。结果表明，超低比转速混流式水轮机具有较高的效率及良好的空化性能。最后，基于设计程序，分别按水轮机工况参数、按水泵工况参数和综合考虑双向流动三种方式设计了高水头混流式水泵水轮机转轮，并进行了数值模拟分析。结果显示，水轮机和水泵两种运行方式下最优工况点不一致，导致进出口安放角不一致，综合考虑双向流动设计的转轮在两种运行方式下效率较高，流态较好。关键词：低比转速混流式转轮、优化设计、叶片安放角分布、包角本研究得到国家自然科学基金项目(51179152)，，教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20096118110012)，陕西省普通高等学校重点学科建设项

4、目和陕西省“13115”科技创新工程技术研究中心项目的资助。IAbstractTitle：ThreeDimensionalDesignandOptimizationforLow-specificSpeedFrancisRunnersMajor：WaterResourcesandHydro—ElectricalEngineeringName：HuiRuanSignature：壮毽必Supervisor：Prof．XingqiLuoSupervisor：Prof．WeiliLiaoABSTRACTSignature：Asthedevelopmentofelectricpowerandthe

5、demandofenergy-savingandemission-reduction，thelow-specificspellFrancisrunnerwillbedevelopedgreatly．Butthereareproblemsthatwedon’thavemuchexperience，andthatthedesigntheoryisimmature．Inthispaper,alow—specificspeedFrancisrBnnerusedincoolingtowerandahighheadpump-turbinerunnerhavebeendesignedtoresear

6、chthemethodofdesignandoptimizationforlow-specificspeedFrancis111nner．Firsflgabladehydraulicdesignplatformwasorganized．Inordertocontrolthewrapangleconveniently,atwoorderpolynomialWasproposedtodescribethepdistributionalongstreamline，whichimprovedtheconventionalpoint-to-pointintegrationmethod．Modul

7、eswel-einadeinordertoanal灿theperformancesofdesignedB1BnerquicklybyCFDnumm-icalsimulation,whichrealizedthedataconnectionbetw∞=lldesignsystemandperfommceanalysissystemandreducedtheworksofdesigner．nebladeanglesofinletandoutleto