潮流水轮机叶片偏角控制规律理论研究

潮流水轮机叶片偏角控制规律理论研究

论文摘要

竖轴潮流水轮机的能量利用率是反映水轮机性能的重要参数,它与叶片偏角变化规律密切相关。因此,寻求最优的偏角规律成为水轮机设计和偏角控制的关键问题。为提高竖轴水轮机的能量利用率,建立水轮机叶片偏角变化规律的优化数学模型,应用旋转方向法进行偏角优化,采用流管法计算水轮机的流体动力性能。首先,对流管法计算公式进行归纳总结,包括单盘面-多流管模型和双盘面-多流管模型。将考虑叶片旋转效应的修正模型推广到任意偏角变化规律的情况。其次,建立水轮机偏角优化的数学模型,将Hicks-Henne函数引入到优化计算中。通过算例验证分析表明本文方法是有效的。根据大量计算结果的讨论,分析了优化计算中各参数的选取方法。最后,通过对水轮机的瞬时能量利用率曲线、水动力攻角曲线、偏角变化规律等计算结果的分析,讨论了水轮机能量利用率提高的原因。同时,分析以不同目标函数和设计变量离散方式的优化结果,讨论了优化效果的优劣以及工程实施的难易程度。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 目的和意义
  • 1.2 竖轴潮流水轮机性能及优化研究现状
  • 1.2.1 水轮机性能计算方法研究现状
  • 1.2.2 水轮机偏角优化理论研究现状
  • 1.3 竖轴潮流水轮机偏角变化规律研究
  • 1.3.1 主动式叶片控制机构偏角变化规律
  • 1.3.2 被动式偏角控制机构偏角变化规律
  • 1.4 本文主要工作
  • 第2章 竖轴潮流水轮机水动力性能理论模型
  • 2.1 叶轮的运动与受力分析
  • 2.1.1 叶片运动分析
  • 2.1.2 叶片及叶轮的受力分析
  • 2.1.3 无因次量定义
  • 2.2 流管模型
  • 2.2.1 Betz理论
  • 2.2.2 单盘面-多流管模型
  • 2.2.3 双盘面-多流管模型
  • 2.3 叶片旋转效应修正
  • 2.4 动量方程的求解
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 竖轴潮流水轮机性能优化理论模型
  • 3.1 优化的目标函数
  • 3.1.1 目标函数(一)
  • 3.1.2 目标函数(二)
  • 3.2 优化算法介绍—旋转方向法
  • 3.3 离散方法
  • 3.3.1 Hicks-Henne函数的性质
  • 3.3.2 设计变量的离散
  • 3.3.3 Hicks-Henne函数对曲线拟合效果的验证
  • 3.4 优化模型的几点说明
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 算法验证及优化参数选择
  • 4.1 流管法验证
  • 4.2 优化模型验证
  • 4.3 优化参数的选择
  • 4.3.1 偏角初值的选择
  • 4.3.2 Hicks-Henne函数系数n的选择
  • 4.3.3 偏角展开式项数M的选择
  • 4.4 流管模型对优化结果的影响
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 偏角优化结果与分析
  • 5.1 计算轮机主要尺寸和优化参数选择
  • 5.2 目标函数(一)的优化结果分析
  • 5.2.1 第一种设计变量离散方式优化结果分析
  • 5.2.2 第二种设计变量离散方式优化结果分析
  • 5.2.3 考虑流管法修正的优化结果对比
  • 5.3 目标函数(二)的优化结果分析
  • 5.3.1 按余弦规律离散的优化结果分析
  • 5.3.2 按摆线规律离散的优化结果分析
  • 5.3.3 用Hicks-Henne函数离散的优化结果分析
  • 5.3.4 三种离散方式优化结果综合分析
  • 5.4 关于水轮机水动力性能影响因素的思考
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢
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