一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法技术

本发明专利技术提供一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，先建立初始叶片三维模型，使B

【技术实现步骤摘要】
一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法


[0001]本专利技术属于水力机械旋转部件优化领域，具体为一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法。
技术背景
[0002]目前新能源发电发展迅速，新能源正朝着绿色低碳型方向转变。风电、光伏作为可再生清洁能源，来源丰富且容易获取，风光水多能互补发电作为能源转型利用的一种新模式，也是未来能源发展的重要方向之一。风光水多能互补系统中，风力、光伏发电本身强烈的随机性、灵活性要求水电机组作为补偿出力，致使水电机组频繁运行在偏工况区。而转轮作为混流式水轮机的核心部件之一，对混流式水轮机的性能、安全稳定运行起着至关重要的作用。
[0003]现有的转轮大多数在高负荷区可以稳定运行，当混流式水轮机处于多能互补条件下，现有转轮难以满足风光水多能互补发电的运行要求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，通过对混流式水轮机在不同工况下的进口安放角、出口安放角进行优化设计，能够快速并准确的提高风光水多能互补条件下混流式水轮机转轮的设计优化效率，使水轮机在风光水多能互补条件下能够稳定高效运行。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，建立混流式水轮机转轮初始叶片的三维模型，调整B
é
zier曲线的阶数，使B
é
zier曲线表达出所述三维模型的安放角几何分布特征，得到参数化后的优化设计变量；
[0008]步骤2，将参数化后的优化设计变量进行建模，得到初步优化设计后的混流式水轮机转轮叶片的三维模型，将所述三维模型的进口安放角和出口安放角的变化范围进行约束，得到约束后优化设计变量；
[0009]步骤3，根据参数化后的优化设计变量和约束后优化设计变量，构建优化设计的样本空间，之后对其中的每个混流式水轮机转轮模型进行水力性能数值计算，得到每个混流式水轮机分别在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的运行效率，建立每个混流式水轮机转轮在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的优化目标函数，最后构建约束后优化设计变量与优化目标函数间的响应面模型；
[0010]步骤4，当响应面模型满足要求时进行步骤5，当响应面模型不满足要求，增加步骤3中样本空间的样本数后重新构建所述的响应面模型，直至得到的响应面模型满足要求，然后进行步骤5；
[0011]步骤5，对步骤4得到的响应面模型进行全局寻优，得到最优解集，从最优解集中选择混流式水轮机及其转轮叶片加权平均效率均提高的解集，所述的解集对应多能互补条件
下多工况优化后的水轮机转轮。
[0012]优选的，步骤1将混流式水轮机转轮初始叶片的三维模型沿叶高方向均分为4个三维截面，使B
é
zier曲线表达出4个三维截面的安放角几何分布特征。
[0013]进一步，步骤1所使用的B
é
zier曲线为四点三次B
é
zier曲线。
[0014]进一步，步骤2通过约束四点三次B
é
zier曲线的四个控制点对所述的进口安放角和出口安放角的变化范围进行约束，具体将四点三次B
é
zier曲线的四个控制点的纵坐标变化范围分别约束在(
‑
4.5
°
～+4.5
°
)、(
‑3°
～+3
°
)、(
‑
3.5
°
～+3.5
°
)、(
‑
5.5
°
～+5.5
°
)。
[0015]优选的，步骤3中，基于拉丁超立方抽样实验设计方法，生成若干组样本点，形成样本空间，之后形成若干个混流式水轮机转轮模型。
[0016]优选的，步骤3采用如下过程对样本空间内每个混流式水轮机转轮模型的水力性能数值进行计算：
[0017]对样本空间中的每个混流式水轮机转轮叶片模型进行批量网格划分，同时对每个混流式水轮机剩余部件进行几何建模并生成网格，将得到的所有混流式水轮机超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区工况下的全流道数值模拟离散模型，对包含水轮机所有过流部件的离散模型进行数值计算，得到每个混流式水轮机在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区工况下的运行效率。
[0018]优选的，步骤3基于几何平均超传递近似法，确定优化目标函数中超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区下的效率权重系数，优化目标函数为η
max
＝ω1η1+ω2η2+ω3η3，其中η
max
为加权平均效率的最大值，ω1，ω2,ω3分别为超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区下的效率权重系数。
[0019]优选的，步骤3利用多元多项式构建约束后优化设计变量与优化目标函数间的响应面模型，得到Kriging模型。
[0020]优选的，步骤4按照拉丁超立方抽样方法生成测试样本，将响应面模型预测所得的优化目标函数值与测试样本的数值计算结果进行对比，若两者的偏差小于或等于5％，则响应面模型精度满足要求；若两者的偏差大于5％，则响应面模型精度不满足要求。
[0021]优选的，步骤5采用多目标遗传算法对步骤4得到的响应面模型进行全局寻优。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0023]本专利技术一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，先使B
é
zier曲线能准确表达出三维模型的安放角几何分布特征，之后便可通过改变翼型安放角即可修改转轮叶片截面上的翼型形状，实现对进口安放角和出口安放角的优化，进而修改转轮叶片的形状。为了更好的控制混流式水轮机转轮叶片进、出口安放角的变化，并且避免叶片变形过大，对各个设计变量的变化范围进行约束，之后根据参数化后的优化设计变量和约束后优化设计变量，构建了优化设计的样本空间，便可对每个混流式水轮机转轮模型进行水力性能数值计算，得到每个混流式水轮机分别在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的运行效率，以便建立每个混流式水轮机转轮在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的优化目标函数，最后得以构建约束后优化设计变量与优化目标函数间的响应面模型，该响应面模型能预测优化目标函数值，可判断响应面模型是否满足要求，最后对响应面模型进行全局寻优，可得到最优解集，从这些最优解集中可选择混流式水轮机及其转轮叶片加权平均效率均提高的解集，这些解集对应多能互补条件下多工况优化后的水轮机转
轮。本专利技术在得到多工况的优化水轮机转轮模型时，结合风、光、水多能互补条件下水轮机在超低负荷工况区、低负荷工况区的运行时间要求，各个工况设置不同的权重因子，提高超低负荷工况区、低负荷工况区的占比，满足风、光、水多能互补条件下水电机组频繁运行在超低负荷工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立混流式水轮机转轮初始叶片的三维模型，调整B
é
zier曲线的阶数，使B
é
zier曲线表达出所述三维模型的安放角几何分布特征，得到参数化后的优化设计变量；步骤2，将参数化后的优化设计变量进行建模，得到初步优化设计后的混流式水轮机转轮叶片的三维模型，将所述三维模型的进口安放角和出口安放角的变化范围进行约束，得到约束后优化设计变量；步骤3，根据参数化后的优化设计变量和约束后优化设计变量，构建优化设计的样本空间，之后对其中的每个混流式水轮机转轮模型进行水力性能数值计算，得到每个混流式水轮机分别在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的运行效率，建立每个混流式水轮机转轮在超低负荷工况、低负荷工况和额定负荷区运行下的优化目标函数，最后构建约束后优化设计变量与优化目标函数间的响应面模型；步骤4，当响应面模型满足要求时进行步骤5，当响应面模型不满足要求，增加步骤3中样本空间的样本数后重新构建所述的响应面模型，直至得到的响应面模型满足要求，然后进行步骤5；步骤5，对步骤4得到的响应面模型进行全局寻优，得到最优解集，从最优解集中选择混流式水轮机及其转轮叶片加权平均效率均提高的解集，所述的解集对应多能互补条件下多工况优化后的水轮机转轮。2.根据权利要求1所述的多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，其特征在于，步骤1将混流式水轮机转轮初始叶片的三维模型沿叶高方向均分为4个三维截面，使B
é
zier曲线表达出4个三维截面的安放角几何分布特征。3.根据权利要求2所述的多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，其特征在于，步骤1所使用的B
é
zier曲线为四点三次B
é
zier曲线。4.根据权利要求3所述的多能互补条件下水轮机转轮的多工况优化设计方法，其特征在于，步骤2通过约束四点三次B
é
zier曲线的四个控制点对所述的进口安放角和出口安放角的变化范围进行约束，具体将四点三次B
é
zier曲线的四个控制点的纵坐标变化范围分别约束在(
‑
4.5
°
～+4.5
°
)、(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亚萍，张欢，郑小波，秦笛舸，郭鹏程，张业田，李志华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：