基于响应面法的贯流式水轮机多目标优化设计

摘要

如何提高水轮机的总体性能一直是水力机械研究领域研究者所关注的热点。随着我国国民经济的飞速发展，开发低水头水力资源已经势在必行，贯流式水轮机也越来越多的被应用到工程实际当中。因此研究贯流式机组的内在运行机理，改善其综合的水力性能，是十分有意义的。
　　 本文针对贯流式水轮机的特点，发展了一种基于响应面法(RSM)的水轮机转轮叶片水力优化设计方法。该方法以贯流式转轮叶片的形状参数为优化变量，以转轮的能量性能和空化性能为目标函数，将梯度法和NSGA-Ⅱ遗传算法引入作为优化工具来实现叶片的多目标优化设计。
　　 论文将贯流式转轮叶片作为优化设计对象，叶片翼型骨线用Bézier曲线参数化，并通过UG二次开发grip语言编程实现，同时考虑了叶片进水边的变化。采用单因素分析法选取出对目标较敏感的四个参数，基于响应面法安排CCD试验，完成设计空间采样，有效降低了试验样本数量，并使用CFD数值模拟方法对样本点进行全流道定常计算，以贯流式水轮机能量性能(水力效率)和空化性能(叶片最低压力)作为评价指标进行多目标优化设计，构造了两个二阶响应面近似模型，通过梯度法和NSGA-Ⅱ遗传算法分别对响应面的二阶多项式函数进行寻优操作，得出最终的优化结果。
　　 对某电站贯流式水轮机进行了多目标优化设计，结果表明优化后的叶片不仅流动损失减少了，而且最低压力也得到了极大的提高，结果可行。同时表明本文提出的水力优化设计方法能够以较少的设计变量控制叶片几何形状，并能通过试验设计有效的减少优化问题的规模，得到比较满意的优化结果。