水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法和装置制造方法及图纸

本申请提出一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法和装置，涉及水力机械技术领域，其中，方法包括：将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，获取计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；获取桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；获取桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩；根据平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。由此，使得两个设计叶型更为匹配，从而提高了二者联合流动的可控性。

【技术实现步骤摘要】
水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法和装置
本申请涉及水力机械
，尤其涉及一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法和装置。
技术介绍
目前，水轮机桨叶和活动导叶的叶型通常是在两个独立的计算域中设计出来的，仅是通过设计参数的选取来近似满足二者性能的匹配关系，而无法充分考虑到导水机构和转轮间流动的相互作用。
技术实现思路
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的第一个目的在于提出一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，将桨叶和活动导叶置于同一个计算域中，建立了两个叶型的联合流动控制方程，与独立设计的叶型相比，由于细致地求解了导水机构至转轮间的流场，使得两个设计叶型更为匹配，从而提高了二者联合流动的可控性。本申请的第二个目的在于提出一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计装置。为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，获取所述计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩；根据所述平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。本申请实施例的水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，通过将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，获取计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；获取桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；获取桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩；根据平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。由此，使得两个设计叶型更为匹配，从而提高了二者联合流动的可控性。在本申请的一个实施例中，所述获取所述计算域的周向平均流动控制策略，包括：获取周向平均速度的径向分量和轴向分量；其中，所述径向分量为：其中，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；所述轴向分量为其中，是周向平均速度的轴向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；获取周向平均流动势函数的控制方程为：其中，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，Φ是源和汇诱导流场的势函数，B是叶片数，K是周向平均流动势函数，tθ是叶片的周向厚度；获取周向平均流动流函数的控制方程为：其中，是平均速度矩，f是叶片方程，Er是单位质量流体具有的相对运动机械能，r是径向坐标，z是轴向坐标，是平均速度，是周向平均速度的径向分量，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的周向分量，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数。在本申请的一个实施例中，所述获取所述计算域的周期脉动流动控制策略，包括：获取周期脉动流动控制方程为：其中，W是速度，在桨叶区方程中对应相对速度，在导叶区方程中对应绝对速度；tθ是叶片的周向厚度，桨叶区方程中对应桨叶厚度，导叶区方程中对应导叶厚度，无叶片区方程中为0；B是叶片数，桨叶区方程中对应桨叶数，导叶区方程中对应导叶数，无叶片区方程中为0；k是展开式的项数，φ是周期脉动流场的势函数。在本申请的一个实施例中，所述获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息，包括：获取所述叶片设计信息为：其中，f是叶片方程，Vm是轴面速度，s是流线在轴面上的投影长度，Vθr是速度矩；在本申请的一个实施例中，所述水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，所述获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩，包括：计算域进口至活动导叶进口的引水区内速度矩为0，活动导叶出口速度矩给定为：其中，是平均速度矩，β是桨叶出口速度矩系数，H是水头，g是重力加速度，ηH是水力效率，ω是角速度；导叶内速度矩按照五次多项式规律给定，桨叶进口速度矩给定为：其中，是平均速度矩，H是水头，g是重力加速度，ηH是水力效率，ω是角速度；导叶出口至桨叶进口的过渡区内速度矩按照线性规律给定：其中，是平均速度矩，sr是过渡区内轴面流线的相对长度；桨叶出口至计算域出口的尾水区内速度矩给定为：其中，α是桨叶出口速度矩系数，是平均速度矩，H是水头，g是重力加速度，ηH是水力效率，ω是角速度；桨叶内速度矩按照五次多项式规律给定。为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计装置，将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，第一获取模块，用于获取所述计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；第二获取模块，用于获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；第三获取模块，用于获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩；处理模块，用于根据所述平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。本申请实施例的水轮机桨叶与导叶三维联合设计装置，通过将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，获取计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；获取桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；获取桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩；根据平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、桨叶的进出口速度矩和活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。由此，使得两个设计叶型更为匹配，从而提高了二者联合流动的可控性。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。附图说明本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本申请实施例一所提供的一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法的流程示意图；图2为本申请实施例所提供的水轮机轴面流道和计算网格图的示例图；图3为本申请实施例所提供的水轮机内缘和外缘流线上给定的速度矩分布图的示例图；图4为本申请实施例所提供的联合设计桨叶的轴面截线图的示例图；图5为本申请实施例所提供的联合设计桨叶的垂轴面截线图的示例图；图6为本申请实施例所提供的联合设计桨叶表面静压力分布图的示例图；图7为本申请实施例所提供的一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计装置的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，其特征在于，包括：将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，/n获取所述计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；/n获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；/n获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩；/n根据所述平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种水轮机桨叶与导叶三维联合设计方法，其特征在于，包括：将桨叶和活动导叶设置在同一个计算域中，
获取所述计算域的周向平均流动控制策略和周期脉动流动控制策略；
获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息；
获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩；
根据所述平均流动控制策略、周期脉动流动控制策略、叶片设计信息、所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩进行计算，获取桨叶设计参数和活动导叶设计参数。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算域包括引水区、活动导叶区、所述活动导叶至所述桨叶的过渡区，桨叶区和尾水区，并将所述引水区、所述过渡区和所述尾水区组合为无叶片区。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述计算域的周向平均流动控制策略，包括：
获取周向平均速度的径向分量和轴向分量；
其中，所述径向分量为：
其中，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；
所述轴向分量为
其中，是周向平均速度的轴向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数，Φ是源和汇诱导流场的势函数；
获取周向平均流动势函数的控制方程为：



其中，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的径向分量，r是径向坐标，z是轴向坐标，Φ是源和汇诱导流场的势函数，B是叶片数，K是周向平均流动势函数，tθ是叶片的周向厚度；
获取周向平均流动流函数的控制方程为：



其中，是平均速度矩，f是叶片包角，Er是单位质量流体具有的相对运动机械能，r是径向坐标，z是轴向坐标，是平均速度，是周向平均速度的径向分量，是周向平均速度的轴向分量，是周向平均速度的周向分量，ψ是叶片附着涡诱导流场的流函数。


4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述计算域的周期脉动流动控制策略，包括：
获取周期脉动流动控制方程为：






其中，W是速度，在桨叶区方程中对应相对速度，在导叶区方程中对应绝对速度；tθ是叶片的周向厚度，桨叶区方程中对应桨叶厚度，导叶区方程中对应导叶厚度，无叶片区方程中为0；B是叶片数，桨叶区方程中对应桨叶数，导叶区方程中对应导叶数，无叶片区方程中为0；k是展开式的项数，φ是周期脉动流场的势函数。


5.如权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述获取所述桨叶和所述活动导叶的叶片设计信息，包括：
获取所述叶片设计信息为：



其中，f是叶片包角，Vm是轴面速度，s是流线在轴面上的投影长度，Vθr是速度矩。


6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述桨叶的进出口速度矩和所述活动导叶的进出口速度矩，包括：
计算域进口至活动导叶进口的引水区内速度矩为0，活动导叶出口速度矩给定为：



其中，是平均速度矩，β是桨叶出口速度矩系数，H是水头，g是重力加速度，ηH是水力效率，ω是角速度；
导叶内速度矩按照五次多项式规律给定，桨叶进口速度矩给定为：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊红刚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11