可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计.pdfVIP

第 30 卷 第 13 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.13 78 2014 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2014 可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计 王旭鹤，祝宝山※，曹树良，谭 磊 （清华大学热能工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘 要：与常规的水泵或水轮机转轮相比，可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机 2 种工况下的性能，设计 要求高、难度大，且影响转轮性能的设计参数较多，很难通过设计-修正-试验的方法获得 2 种运行工况下性能均 优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难，该文将三维反问题设计、CFD 计算与多目标优化策略相结合，构建 了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期，且能对多个运行工况下的多个 目标同时进行优化。利用该优化设计系统，以叶片载荷和叶片倾角为优化变量，以水泵设计工况点的转轮效率和 水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标，以水泵设计工况的扬程为约束，对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转 轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机 2 种运行工况下转轮水力效率均高 于 95%的可逆式水泵水轮机转轮，其中水泵设计工况下转轮效率提高了 0.15%，水轮机额定工况下转轮效率提高 了 2%，表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械， 包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。 关键词：水泵；水轮机；多目标优化；三维反问题设计；转轮效率 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.13.010 中图分类号：TK734 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-13-0078-08 王旭鹤，祝宝山，曹树良，等. 可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计[J]. 农业工程学报，2014，30(13)： 78－85. Wang Xuhe, Zhu Baoshan, Cao Shuliang, et al. Optimal design of reversible pump-turbine runner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(13): 78－85. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 可逆式水泵水轮机转轮是现代大型抽水蓄能 机组的核心部件。在电网供电的峰值时，转轮正向 旋转在水轮机模式下运行；在电网供电的谷值时， 转轮反向旋转在水泵模式下运行[1]。在正反 2 个旋 转方向下，转轮内部的流动特性差别巨大[2-5]。因此， 与常规的水轮机或水泵相比，可逆式水泵水轮机转 轮的设计更加复杂。 由于可逆式水泵水轮机转轮的形状与离心泵 叶轮形状相近，且水泵工况的性能对可逆式水泵水 轮机转轮的整体性能起着至关重要的作用，所以可 逆式水泵水轮机转轮通常按照水泵工况设计，采用 水轮机工况校核[6-8]。影响可逆式水泵水轮机转轮性 收稿日期：2013-10-12 修订日期：2014-05-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目和清华大学自主科 研计划（2011THZ0） 作者简介：王旭鹤（1985－），河南平顶山人，博士生，主要从事水泵 水轮机优化设计研究。北京 清华大学热能工程系，水沙科学与水利水 电工程国家重点实验室，100084。Email：wangxuhe1985@163.com ※通信作者：祝宝山（1967－），山东青岛人，副教授，博士生导师， 主要从事流体机械流动理论研究。北京 清华大学热能工程系，水沙科 学与水利水电工程国家重点实验室，100084。 Email：bszhu@ 能的设计参数很多，且同一参数可能对水轮机和水 泵 2 种工况下的转轮性能起着相反的作用，因此设 计过程需要依据大量的数值计算和模型试验对设 计参数进行反复修改[9-12]，耗时较长，且加工模型 样机