微水头水轮机支撑结构优化设计与力学性能研究
摘要
微水头资源具有清洁、环保、可再生、分布广泛、预测性强等优点，可以有效缓解
能源供需矛盾，是国家能源战略中的重要组成部分。微水头水轮机的支撑结构是承载发
电设备的基础部件，是保证水轮机安全运行的基本保障。同时，其设计也是影响水轮机
发电效率和经济效益的重要因素之一。因此，开展微水头水轮机支撑结构的优化设计和
力学性能研究具有重要的现实意义。
本文提出了一种适用于微水头水轮机的可沿导柱升降的新型支撑结构，利用
ANSYSBP
有限元软件对其进行力学性能分析，并基于响应面法、神经网络与遗传算法
对支撑结构进行了结构优化设计。
本文完成的主要内容包括：
1
（）提出了一种适用于微水头水轮机的可沿导柱升降的支撑结构，确定支撑结构的
主尺度、构件布置形式以及结构各部位构件具体尺寸。
（2）利用ANSYS有限元软件对支撑结构进行静力分析，校核支撑结构的强度和刚
度。
（3）基于响应面法，对支撑结构构件进行尺寸优化设计，优化后结构减轻15.01%，
同时，结合了BP神经网络与遗传算法对支撑结构主要构件进行尺寸优化，优化后结构
自重减轻14.96%。
（4）对优化后支撑结构进行了模态分析，得到支撑结构前9阶固有频率、固有振型。
利用FLUENT软件对立柱升力系数、阻力系数曲线求解，通过快速傅里叶变换得到了
立柱的涡脱频率。
（5）进行导流罩的初步设计，对比不同流速下三种线型的导流罩，发现U线型导
流罩性能较好。通过仿真计算确定了U线型导流罩最佳喉部半径与最佳出水口半径。
BP
计算结果表明本文设计的支撑结构与导流罩合理、安全，其中结合神经网络与
遗传算法可为后续结构设计优化提供借鉴思路。
BP
关键词：微水头水轮机支撑结构；结构优化设计；神经网络；静力分析；模态分析
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
ABSTRACT
Micro-headresourceshavetheadvantagesofclean,environmentalprotection,renewable,
widedistributionandstrongpredictability,whichcaneffectivelyalleviatethecontradiction
betweenenergysupplyanddemand,andareanimportantpartofthenationalenergystrategy.
Thesupportstructureofthemicro-headturbineisthebasiccomponentofthepower
generationequipmentandthebasicguaranteetoensurethesafeoperationoftheturbine.At
thesametime,itsdesignisalsooneoftheimportantfactorsaffectingthepowergeneration
efficiencyandeconomicbenefitsofhydroturbines.Therefore,itisofgreatpractical
significancetocarryouttheoptimaldesignandmechanicalpropertiesofthesupportstructure
ofmicro-headturbine.
Inthispaper,anewsupportstructuresuitableformicro-headturbinesthatcanbe