軸流式水輪機葉片翼型參數(shù)化設計研究.pdf

1、我國水力資源可開發(fā)量大，但我國水能開發(fā)的利用率與歐美發(fā)達國家相比仍有較大差距。在國家政策的大力支持下，我國水電在近年來有了突飛猛進的發(fā)展。其中，軸流式水輪機占據(jù)很大的比例，而傳統(tǒng)軸流式水輪機的設計方法在與現(xiàn)代水力設計理論及CFD計算優(yōu)化相結(jié)合的過程中，仍然需要開發(fā)設計多個模型進行實驗分析，必然耗費了大量的時間與金錢。而參數(shù)化設計方法能基于現(xiàn)有模型，更靈活地改變?nèi)~片的輪廓，并便于生成3D葉片，從而進行CFD分析，可大大節(jié)約時間和制造成本，

2、所以，將參數(shù)化設計方法應用于轉(zhuǎn)輪葉片翼型的幾何造型與優(yōu)化設計是非常必要的。本文提出了一種基于曲線參數(shù)化設計的軸流式水輪機2D翼型及3D葉片的建模方法，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　1.系統(tǒng)地分析總結(jié)了現(xiàn)有葉片翼型的規(guī)律，初步提出了一種翼型參數(shù)化設計方法。
　　對現(xiàn)有某軸流式水輪機葉片的翼型進行圓柱截面截取，得到了不同截面各個翼型的輪廓。根據(jù)翼型骨線特點，采用內(nèi)切圓的方法，分析比較各截面翼型的不同參數(shù)，最終得到了參數(shù)化過程中

3、可能需要的翼型特征變量，例如最大厚度和最大厚度所在位置等。
　　根據(jù)常規(guī)翼型氣動性能分布規(guī)律，將翼型分割成4段，用分段參數(shù)化的方法進行建模。分別應用多階多項式對翼型的4段曲線進行擬合，得到各段的多項式階數(shù)，綜合Bezier函數(shù)擬合曲線的特點，確定參數(shù)化曲線控制點的個數(shù)和位置，再通過Matlab進行曲線的建模，最終確定了基于Bezier曲線的4段10點10參數(shù)的參數(shù)化設計翼型的方法。
　　最后將該方法分別應用于典型對稱翼型NA

4、CA0015以及某軸流式水輪機葉片翼型GOE430。結(jié)果表明：當該方法用于典型的對稱翼型NACA0015，相似度達到87.2％，相對誤差較??；但是，當該方法應用于某軸流式水輪機葉片的非對稱翼型GOE430時，存在較大偏差，與原始翼型相似度僅為69.9%，并且這些偏差對翼型的總體性能影響較大。
　　2.針對初步參數(shù)化設計方法的不足，提出了一種優(yōu)化的翼型參數(shù)化設計方法。
　　為了提高參數(shù)化設計方法的擬合精度，在初始參數(shù)化設計方法

5、的基礎上，在翼型尾部上下方各增加一個控制點，以提高擬合精度。并且將優(yōu)化后的方法應用于先前存在較大偏差的翼型GOE430，再應用于典型對稱翼型NACA0015。
　　當將該方法應用于翼型GOE430時，參數(shù)化后的翼型與原始翼型在外形幾何上較為接近，相似度提高很多，達到85%以上，氣動性能也得到改善。并且對優(yōu)化后的參數(shù)化設計翼型進行了CFD計算和流場分析，分析了翼型上下表面的壓力系數(shù)，計算對比了不同攻角下參數(shù)化設計翼型與原始翼型的升阻

6、力系數(shù)，在零攻角情況下，參數(shù)化設計翼型性能優(yōu)于原始翼型，而在-5°和5°下，參數(shù)化設計翼型與原始翼型的性能相差不大。
　　將優(yōu)化的參數(shù)化設計翼型設計方法應用于典型對稱翼型NACA0015，優(yōu)化設計的參數(shù)化設計翼型在外形上與原始翼型更為相近，并且與初步參數(shù)化設計方法設計的翼型相比，外形上更加相似，達到89.6%，同時，在氣動性能方面，模擬升阻力系數(shù)與原型更為接近。
　　3.基于優(yōu)化的翼型參數(shù)化設計方法，提出了一種3D葉片參數(shù)化

7、設計方法。
　　以翼型參數(shù)化為基礎，對葉片的翼型安放角和不同截面的翼型最大厚度與最大隆起進行參數(shù)化分析，最終得到軸流式水輪機葉片的參數(shù)化建模方法。
　　本文以某軸流式水輪機為例，對其進行參數(shù)化造型分析，首先分別以不同截面作為標準翼型，建立不同的葉片模型，再通過CFD計算確定了以半徑為0.165m標準翼型的葉片與實際結(jié)果最為接近，然后分析該葉片的流場以及壓力場，最終認為該參數(shù)化設計方法能較好地應用于軸流式水輪機葉片的三維設計中