对轴流式水轮机

轴流式贯流式
轴流式和贯流式是两种不同类型的风机或水轮机的工作方式，它们在结构和运行原理上有所不同。

轴流式风机或水轮机的特点是气体或水流平行于风机轴或水轮机轴流动。

在轴流式风机中，叶片推动空气沿着与轴相同的方向流动，产生气流。

这种类型的风机通常用于需要大风量但压力要求较低的场合，如电风扇或空调的外机风扇。

轴流式水轮机则利用水流沿着轴线方向的动能来转动转轮，进而驱动发电机发电。

贯流式风机或水轮机，又称为横流式，其特点是气体或水流垂直于风机轴或水轮机轴流动，并贯穿整个叶轮或转轮。

在贯流式风机中，气流通过叶轮的旋转被强制折转，从而产生较大的风压。

这种类型的风机通常用于需要较高风压但风量要求适中的场合，如空调挂机或风幕机等。

贯流式水轮机则利用水流通过转轮时的动能和势能转换来产生旋转力，进而驱动发电机发电。

这种类型的机组通常适用于低水头、大流量的水电站。

总的来说，轴流式和贯流式风机或水轮机在结构和运行原理上有所不同，分别适用于不同的场合和需求。

在选择使用哪
种类型的风机或水轮机时，需要根据具体的应用场景和要求进行评估。

西安理工大学研究生课程作业课程名称：流体机械设计理论与应用任课教师：完成日期：2011 年12 月15 日学科：水利水电工程学号：姓名：成绩：轴流式水轮机转轮水力设计的主要目的是设计出能够保证各项性能要求的高效率的转轮，而轴流式转轮叶片的设计无疑是转轮设计的重要内容，本文采用奇点分布法来设计叶片，叶片设计出发点是用一系列分布在翼型骨线上的奇点来代替叶栅中的翼型对液流的作用，这样可以设计出一条翼型骨线，再通过加厚的方式设计出翼型及完整叶片。

可分为：1、选择环量密度沿骨线的分布规律；2、假定第一次近似翼型；3、第二、三次翼型的计算和绘制。

本次转轮叶片设计共分为5个断面，由小组合作完成，本人对该叶片第3断面翼型进行设计计算，截面半径r=3.05m 。

一、水轮机基本参数：N=37000kW ，H=14m ，n=83.3r/min ，η=90%，D 1=7.42m ，d=1.04m ，叶片数Z 1=4。

求计算截面半径：r=3.05m 上的翼型，给定的弦长为：l=4.984m 。

二、求解过程：叶栅距：791.4405.314.3221=⨯⨯==Z r t π(m) 计算截面的圆周速度u:26.606603.8305.314.32602=⨯⨯⨯==rn U π(m/s) 假定转轮出口Ｃ2u ＝０，则641.4606.261481.99.0C u 1=⨯⨯==UgHη(m/s)通过水轮机流量Ｑ：3001410009.037000102102Q =⨯⨯⨯==HNην(m 3/s)则轴向速度Z C 为：066.7])04.1()42.7[(14.33004)(4C 22221z -=-⨯⨯-=--=d D Q π(m/s) 按速度三角形：-24.2852C W 21u =-+=∞U C uu (m/s)066.7-==∞z z C W (m/s)283.0285.24066.7tan =--==∞∞∞u z W W β 8.15=∞β绕翼型环量B Γ为：235.223.8341481.99.060601121=⨯⨯⨯⨯==Γ-Γ=ΓZ gH Z B η(m 2/s) 三、翼型第一次计算作为第一次近似，先假定叶栅的翼型为平板翼型，如下图所示：叶栅中平板的安放角en β根据所选的)(s γ形式来确定。

第二节 轴流式水轮机的结构一、概述轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。

轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。

轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。

它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。

在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图2-15），可以采用较小的转轮直径和较高的转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。

当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的效率。

特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，更是值得广泛使用的一种机型。

图2-15 轴流式水轮机1— 1— 1— 转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。

它的工作过程和混流式水轮机基本相同。

水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。

与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。

轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。

轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。

转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。

在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。

轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。

限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。

由于轴流式水轮机的过流能力大。

单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数 。

水轮机概述水轮机概述Hydraulic Turbine Overview在“水电站栏目”的“水力发电原理”一节中曾介绍中国传统应用的水轮机——水车，在本栏目介绍目前真正用于发电的水轮机的原理与结构。

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是利用水流做功的水力机械，根据转换水流能量方式的不同，水轮机分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。

把受水流作用而旋转的部件称为转轮。

冲击式水轮机冲击式水轮机的转轮受到喷射水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换，在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。

图1是冲击式水轮机水流向示意图。

图1 冲击式水轮机水流向示意图冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式（又称水斗式）、斜击式、双击式三类，在后面章节会介绍常用的切击式与斜击式水轮机。

反击式水轮机与冲击式水轮机不同，反击式水轮机同时利用了水流的势能与动能，水流充满整个转轮的空间，在转轮叶片约束下改变流速与方向，从而对转轮叶片产生反作用力，驱动转轮旋转。

通过水轮机水流的大部分动能与势能都转换成转轮旋转的机械能。

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。

轴流式水轮机轴流式水轮机的转轮如同风扇叶片，工作原理与常见的风力机相似。

水流从水轮机四周水平方向向中心流入（径向进入），然后转为向下方向推动转轮叶片做功，由于推动转轮叶片的水流方向与转轮轴方向平行，故称为轴流式水轮机。

图2是轴流式水轮机水流走向示意图图2 轴流式水轮机水流走向示意图混流式水轮机混流式水轮机的转轮看起来较复杂，水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮（径向进入），然后转为向下方向出口，水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮，同时在向下通过叶片时也推动转轮。

也就是说水流在径向与轴向通过叶片时都做功。

故称为混流式水轮机，也称为幅向轴流式水轮机。

图3是混流式水轮机水流走向示意图。

图3 混流式水轮机水流走向示意图斜流式水轮机斜流式水轮机转轮有点像轴流式水轮机转轮，只不过通过叶片的水流是倾斜于轴向，是轴流式水轮机的变种，通过调节叶片角度可适应较大的水头范围。

轴流式水轮机型号
适用于开发较低水头（2-30m）较大流量的水力资源, 适用于水头变化大而负荷变化较小的电站, 该机型为立轴装置, 具有结构简单, 维修方便, 设备价格较低, 便于实现直接传动等特点。

从进水流道分：有明槽、有压明槽、混凝土蜗壳; 从尾水流道分：有直锥管和弯肘管两种。

ZDT03 ─LM(Y)
─ 43型水轮机性能配套表LH(J)
ZDT03 ─LM(Y)
─ 60型水轮机性能配套表LH(J)
ZDT03 ─LM(Y)
─ 80型水轮机性能配套表LH(J)
LH(J)
LH(J)
LH(J)
LH(J)
定浆、转浆轴流式系列水轮机组特点
（或整装轴流式水轮机组）
※ 提供转达浆系列水轮机，增加年平均发电量的10%—30%
※ 提供固定座环外调速结构，不断导叶轴
※ 选用自润滑复合材料轴套（国家重点推广产品）
※ 顶盖拉钩处加大加厚，运行更稳定
※ 采用压紧式层叠型橡胶轴瓦，更换易、成本低、运行更稳定。

※ 原梳齿密封必为填料密封
ZDT03 ─LM(Y)
─ 180型水轮机性能配套表LH(J)
ZD560(a)─ LM(Y)
─ 43型水轮机性能配套表
LH(J)
ZD560(a)─ LM(Y)
─ 60型水轮机性能配套表
LH(J)
ZD560(a)─ LM(Y)
─ 80型水轮机性能配套表
LH(J)
ZD560(a)─ LM(Y)
─ 100型水轮机性能配套表
LH(J)
ZDJP502─LH(J)-100型水轮机性能配套表。

轴流式水轮机叶片优化设计学科名称：水利水电工程论文作者：刘虎签名：指导老师：罗兴锜（教授）签名：郑小波（讲师）签名：答辩日期：摘要随着计算流体力学的迅速发展，设计技术的不断进步，对水力机械的综合性能提出了越来越高的要求，传统的设计方法已满足不了发展的需要，优化设计和三维反问题计算也愈来愈受到重视，逐渐成为主流的转轮设计方法。

因此，对遗传算法和三维反问题设计方法进行结合具有很高的实用价值。

本文提出了一种结合准三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮优化设计方法。

即在对轴流式水轮机转轮叶片进行准三维反问题设计的基础上，以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标的小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片。

通过对传统方法和本文采用的小生境优化算法结果的对比，由于此方法结合了准三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性，以及小生境遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性，所以能得到比传统方法更为理想的转轮叶片。

本文的工作主要包括两方面：首先应用准三维反问题方法设计初始叶片，之后在得到的初始叶片上取出六个等距圆柱断面，其次对各断面进行小生境遗传算法优化设计，再对优化后的断面在CAD软件中造型得到新的优化后的叶片，从而达到叶片优化设计的目的。

这两部分的工作都是应用FORTRAN语言编程实现的。

最后利用CFD软件对初始叶片和优化后的叶片进行流场分析与对比。

本文将该方法应用于ZZ440叶片的优化设计，经过对比优化前后的叶片的性能，最后的计算结果体现了本文应用小生境遗传算法的有效性。

关键词：准三维设计，小生境遗传算法，多目标优化，轴流式水轮机，叶片本研究得到国家自然科学基金项目(90410019/50379044)；教育部高等学校博士学科点专项基金项目(20040700009)和陕西省教育厅专项科研计划项目(05JK264)的资助。

Optimal Design of Kaplan Turbine Runner BladeSpecialty: Hydro-electric engineeringCandidate: Liu Hu S ignature:Advisor: Luo xingqi professor Signature:Zheng xiaobo lecturer S ignature:Argument date:AbstractAlong with the development of hydrodynamic and hydraulic machine design methods, people require higher over all efficiency turbine. Incompetent traditional methods are gradually off the stage; new three dimensional inverse problem design methods are becoming more and more popular. In this dissertation we can see that the combination of the genetic algorithm and three-dimensional inverse problem design method will obtain better results.In this dissertation an optimal design method，based on genetic algorithm and semi-three-dimensional inverse problem design method，has been used to improve the design of a Kaplan turbine blade. This method is applied to the design of runner geometry，considering the interaction between runner blades and flow field. It also has the advantage of niche genetic algorithm in solving multi-objective problems. Hence， by using this optimal design method we can obtain better runner blade compare to traditional design method.We first used the semi-three-dimensional inverse problem design method to get initial blade, then used niche genetic algorithm to optimize the initial blade, thus got the optimized blade. This process was achieved by FORTRAN language and CAD software.This method has been used to optimize ZZ440 runner blade, the results showed that the runner’s cavitation and energy performance have been optimized, hence proved the effectiveness of this method.key words: quasi-three-dimensional design, niche genetic algorithm, multi-objective optimization, Kaplan turbine, bladeProject supported by the National Natural Science Foundation of China (90410019), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20040700009) and Specialized Research Plan in The Education Department of Shanxi Province of China (05JK264).目录1 绪论 (1)1.1论文的研究意义 (1)1.2轴流式水轮机转轮叶片设计方法的研究 (1)1.2.1 轴流式水轮机设计理论的发展过程 (1)1.2.2 轴流式水轮机转轮叶片传统设计方法 (2)1.2.2.1 升力法 (2)1.2.2.2 保角变换法 (2)1.2.3轴流式水轮机叶片现代设计方法 (3)1.2.3.1奇点分布法 (3)1.2.3.2 当量源法 (3)1.2.3.3 正反问题迭代法 (4)1.2.3.4三维设计方法 (4)1.3轴流式水轮机转轮叶片优化设计方法的研究 (5)1.3.1 优化设计方法的发展过程 (6)1.3.2 遗传算法特点简述 (6)1.3.3 遗传算法应用领域 (8)1.4本文的主要工作 (9)2 遗传算法概述 (10)2.1遗传算法的特点 (10)2.2遗传算法的原理和方法 (12)2.2.1遗传算法的基本原理 (12)2.2.2标准遗传算法的具体操作方法 (13)2.2.3标准遗传算法的改进 (15)2.2.3.1实数编码技术 (15)2.2.3.2排名选择机制 (16)2.2.3.3优选技术 (16)2.3多目标优化的基本概念和方法 (17)2.4本文所采用小生境遗传算法（NGA）的操作过程 (20)3 三维反问题遗传算法的优化模型 (22)3.1准三维反问题设计方法数学模型 (22)3.1.1平均S2m流面的流动方程 (22)3.1.2 S2m流面的反问题计算模型 (24)i3.2遗传算法优化模型的建立 (25)3.2.1 转轮叶片优化模型 (25)3.2.2约束条件 (26)3.2.3多目标处理方法 (27)3.2.4气蚀系数的计算 (28)3.2.5叶栅损失系数的计算 (28)4 程序设计及编制 (30)4.1轴流式水轮机叶片三维反问题设计程序流程 (30)4.1.1 网格计算模块 (31)4.1.1.1 网格划分 (32)4.1.1.2系数计算 (33)4.1.2 准三维模块 (35)4.2遗传算法优化总程序流程图 (37)4.2.1遗传算法优化程序流程图 (38)4.2.2边界元计算流程图 (42)4.2.3边界层计算流程图 (42)5 算例分析 (44)5.1准三维方法设计出的初始叶片 (44)5.2小生境遗传算法对初始叶片的优化结果 (46)5.3结果分析 (50)6 结论 (51)致谢 (52)参考文献 (53)ii第一章 绪论1 绪论1.1 论文的研究意义转轮是水轮机的核心部件，转轮设计的好坏直接关系到水轮机效率的高低、水轮机运行的稳定性、以及水轮机的抗空化性能。