次多项式三个系数为ai，a2, a3优化设计的设计变量，通过控制这三个系 数值的改变来控制各断面翼型安放角的变化，进而实现叶轮叶片的参数化造型。
[0090] 3.优化设计
[0091] 通过CFX数值分析软件及Isight数值优化软件对轴流栗进行全工况多目标优化 设计。通过计算轴流栗装置的水力性能来确定轴流栗的叶轮的最终设计方案。
[0092] 1)工况确定：
[0093] 本文研究全工况优化设计，为了得到更好的性能曲线，选取大流量、小流量和设计 流量三个工况点进行优化设计。根据设计工况Q = 360L/S，选定设计流量的0. 8倍左右和 1. 2倍左右作为小流量工况和大流量工况，本发明为研究方便，取整数，即小流量工况取Q =300L/s，大流量工况取Q = 420L/s。
[0094] 2)优化算法：
[0095] 针对有约束的、非线性、多目标并且解不唯一的轴流栗装置多工况水力性能优化 设计问题，选择梯度优化算法的序列二次规划法（Sequential Quadratic Programming， SQP) 〇
[0096] 3)优化模型建立：
[0097] 优化的目的是在轴流栗叶轮设计变量的优化范围内，在约束条件下，寻找设计参 数的最优值，使得轴流栗装置三个工况点的效率最优。对轴流栗全工况多目标优化设计问 题定义为：三个流量工况下，扬程小范围的变化，不断的改变轴流栗叶片设计变量的值，使 得三个流量工况点栗装置的效率都达到最优值，以拓宽轴流栗装置的高效区范围，进而确 定轴流栗叶轮的设计方案。本实例以针对设计工况设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初 始设计变量为叫=0· 9885, a 2= 1. 2897, a 3= 90. 504, a 4= -129. 96, a 5= 57. 26。
[0098] 优化模型如下：
[0099] 目标函数：
[0100] max η (X) = W1 η ! (X)+W2 η 2 (X)+W3 η 3 (X) (1)
[0103] 设计变量：χ = [a!，a2, a3, a4, a5]T
[0104] 式中，1、njP n 3分别是小流量工况、设计工况和大流量工况的效率。w ^，和 W3分别为对应的权重值。权重值应该根据各工况点栗站实际运行时间确定。本实例权重值 分别取W1= 0. 3、W2= 0. 4和W3= 0. 3。HpHjP H 3分别为各工况点的扬程，单位m。为了 保证优化设计之后轴流栗叶轮的设计点不变，比转速保持一致，因此设计工况点扬程变化 范围尽可能小，其他2个工况点扬程变化范围可以稍大。
[0105] 4)优化结果：
[0106] 不断改变轴流栗叶轮的设计变量，在扬程约束范围内，使得轴流栗装置3个工况 点的总效率最高。在经过不断迭代计算，得到了轴流栗叶轮的最终设计方案。优化结果与 初始结果对比如表1所示。
[0107] 表1栗装置数值优化结果
[0109] 根据表1结果可知，叶尖叶栅稠密度减小，外缘翼型长度减小，叶根叶栅稠密度倍 数增加，减小了内外翼型的长度差，均衡叶片出口扬程，减小了径向流动，提高了叶轮的水 力性能；同时根据翼型安放角拟合系数的变化可以发现，轮缘侧翼型安放角增大，轮毂侧翼 型安放角有所减小，减小了叶轮叶片形状的扭曲，改善了翼型的工作条件，这与轴流栗叶轮 优化设计的思路一致。优化结果表明，设计工况点效率有所提高，但增加幅度不明显，但大 流量工况点效率和小流量工况效率提高较为明显，其中大流量工况点效率提高了 7. 4%，小 流量工况点效率提高了 2. 6 %，优化效果明显。
[0110] 将其余各工况点栗装置水力性能通过数值模拟计算并与优化前轴流栗装置水力 性能对比，如图3所示。
[0111] 根据图3优化前后栗装置性能曲线图可知，优化后轴流栗装置小流量工况和设计 工况扬程稍有降低，但是效率有所提高；大流量工况扬程有所升高，效率也有所提高。优化 后效率曲线整体抬高，高效区范围变宽，提高了栗站运行稳定性，降低了栗站运行成本，栗 装置优化效果十分明显。
[0112] 1)提出了一套完整的基于数值分析和数值优化技术的轴流栗装置多工况优化设 计的方法，该方法能够大大降低轴流栗优化设计成本，缩短优化设计周期。
[0113] 2)采用CFD计算的学科分析方式，结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化 方式，提高了优化结果的可信度，同时也证实了轴流栗装置多工况优化设计的可靠性、高效 性。
[0114] 3)轴流栗装置小流量工况点效率提高约2. 6%，设计工况点效率提高约0. 5%，大 流量工况点效率提高最多，约7. 4%。优化后轴流栗装置高效区明显变宽，大大的降低了栗 站运行成本，优化效果十分明显。
【主权项】
1. 一种轴流栗叶轮全工况设计方法，其特征是，包括以下步骤： (1) 轴流栗叶轮参数化建模： 选择轴流栗叶轮的k个翼型断面叶栅稠密度和翼型安放角值共计2k个设计参数； (2) 全工况优化设计： 第一，先确定该叶轮常规设计参数，设计流量Q，设计扬程H，转速n，叶顶单边间隙，单 位为mm ;叶轮叶片数、轴流栗叶轮轮毂比dd ;接着对轴流栗叶轮设计工况进行数值计算，综 合分析栗内各项损失，以总损失最小初步设计出设计工况下水力性能较优的一付轴流栗叶 轮； 第二，再针对该叶轮进行导叶、导水锥以及进出水流道的设计，确定导叶体扩散角度、 导叶叶片数、导水锥及进出水流道的尺寸； 第三，最后通过Isight数值优化平台集成CFX数值优化软件，将叶轮、导叶、导水锥及 进出水流道整合成栗装置，以栗装置全工况的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件， 选用梯度优化算法的序列二次规划法，不断改变轴流栗叶轮设计参数，对栗装置进行迭代 数值计算，通过迭代，最终找到使栗装置综合效率最高的轴流栗叶轮的设计方案。2. 根据权利要求1所述的轴流栗叶轮全工况设计方法，其特征是，所述参数化建模中 叶栅稠密度的计算方法：通过改变叶尖叶栅稠密度值 ai和叶根叶栅稠密度倍数a 2，改变断 面叶栅稠密度值，叶栅稠密度1/t (i)的计算公式为：其中，B1为叶尖叶栅稠密度值；a2为叶根叶栅稠密度倍数；dd为轮毂比；n, m为中间计 算量；i = l-k，k为翼型断面总数；r(i)为第i个断面的相对半径值，即各断面半径与叶轮 半径的比值；1/t (i)为第i个断面的叶栅稠密度值。3. 根据权利要求1所述的轴流栗叶轮全工况设计方法，其特征是，所述参数化建模中 翼型安放角的计算方法为：根据初始设计工况的叶轮k个断面的翼型安放角值，通过用二 次多项式对这十个翼型安放角进行拟合，拟合得到翼型安放角β与相对半径值r之间的关 系：定义此二次多项式三个系数为a3, a4, a5为优化设计的设计变量，通过控制这三个系数 a3, a4, a5值的改变来控制各断面翼型安放角的变化，实现叶轮叶片的参数化造型。4. 根据权利要求1所述的轴流栗叶轮全工况设计方法，其特征是，所述全工况优化设 计在工况选择时，选取三个流量工况点，分别选择设计流量工况点、小流量工况点和大流量 工况点：设计流量工况点为Qc，则小流量工况点Oj、= (〇. 7-0. 9) *Q。，大流量工况点知= (I. 1-1. 3)*Q0; 三个流量工况下，扬程小范围的变化，不断的改变轴流栗叶片设计变量的值，使得三个 流量工况点栗装置的效率都达到最优值，以拓宽轴流栗装置的高效区范围，进而确定轴流 栗叶轮的设计方案； 优化模型如下： 目标函数：max n (X) = W1 η 丨（X) +w2 η 2 (X) +w3 η 3 (X) (1)其中ηρ η2和η 3分别是小流量工况、设计工况和大流量工况的效率;w pwjP w3分 别为对应的权重值，权重值根据栗站小流量工况、设计工况和大流量工况的实际运行时间 确定；氏、氏和H 3分别为小流量工况、设计工况和大流量工况的扬程，单位m;针对设计工况 设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初始设计变量为ap a2、a3、a4、a5。5.根据权利要求4所述的轴流栗叶轮全工况设计方法，其特征是，所述H /变化范围取 值0-0. 2m办、H3变化范围取值O-lm。
【专利摘要】一种轴流泵叶轮全工况设计方法，包括以下步骤：（1）轴流泵叶轮参数化建模:选择轴流泵叶轮的k个翼型断面叶栅稠密度和翼型安放角值共计2k个设计参数；（2）全工况优化设计:第一，先确定该叶轮常规设计参数；接着对轴流泵叶轮设计工况进行数值计算，综合分析泵内各项损失，以总损失最小初步设计出设计工况下水力性能较优的一付轴流泵叶轮；第二，再针对该叶轮进行导叶、导水锥以及进出水流道的设计；第三，以泵装置全工况的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件，选用梯度优化算法的序列二次规划法，不断改变轴流泵叶轮设计参数，对泵装置进行迭代数值计算。本发明采用CFD数值计算，设计精度高，优化结果可靠。
【IPC分类】F04D29/18
【公开号】CN105179303
【申请号】
【发明人】汤方平, 石丽建, 刘超, 周济人, 谢荣盛, 谢传流
【申请人】扬州大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年10月24日