水平轴潮流能水轮机叶片设计与水动力特性研究

摘要

在现阶段发展的各种类型海洋潮流能转换装置中，水平轴桨式水轮机是广泛应用的机型。叶片和转轮作为水轮机的核心结构部件，高效可靠的叶片设计已成为人们的研究热点，同时也是不予公开的前沿核心技术。水轮机的叶片设计不是一个单项关键技术，它与水轮机的整体结构布局、运行策略、变桨逻辑、换向方式、导流或载体形式以及海洋环境都息息相关。在海洋环境下，叶片的可靠性，复杂环境下的适用性往往显得更为重要。因此，目前流行的只能以单参数Cp（能量利用率）作为设计条件的格劳特（Glauert）叶片设计方法已经不能很好满足工程设计上的需求。针对这一问题，本文以水平轴潮流能水轮机叶片为研究对象，探索和研究基于BEM（叶素动量理论）理论的叶片多参数设计新方法，讨论叶片在保持高获能效率的同时应该如何满足额外的设计约束条件，同时，研究基于CFD（Computational Fluid Dynamics）全流场数值模拟与模型试验对必要的设计细节进行完善。
　　本文首先阐述了两种叶片性能与载荷的预报方法：BEM理论和CFD数值模拟。结合BEM理论及其修正方法，讨论了对叶片设计起到重要指导作用的载荷参数在速比与叶片展向位置上的分布规律；在粘性 CFD数值模拟预报方法方面，对数值模拟中的网格策略、质量与数量、湍流模型、边界条件、稳态计算和瞬态计算进行了详细的分析与讨论，并与BEM理论，水池模型试验和空化水槽模型试验的计算与测试结果对比。对比结果表明，SST湍流模型能够较好的模拟大攻角下叶片失速时的载荷状态；在保证网格高质量的情况下，当叶片壁面网格系数y??2，叶片附近网格100万，总体计算域200万网格时即可满足网格无关性条件；在网格无关性条件下，非稳态滑移网格计算方法与稳态惯性参考系方法计算结果均十分接近试验值，但滑移网格方法计算时间较长，因此可采用稳态计算方法。其次，在叶片设计理论与方法方面，本文针对多设计约束条件下的水轮机叶片设计难题，提出了一种基于BEM理论的叶片设计新方法----等值线法。本方法通过对不同初始参数的给定与迭代顺序使得在求解过程中可以忽略存在于格劳特方法中的假设，虽然方程的求解较为复杂，但利用现代计算机技术可以较快速的得到方程组的数值解。通过对工程设计实例N3L55叶片型线的计算表明，在单参数Cp最高的设计条件下，等值线法与格劳特法的计算结果十分接近，但等值线法计算出的叶片型线在高速比区域更加准确。文中进一步对 N3L55叶片在多设计约束条件下使用等值线法进行再次设计与优化，计算结果表明在保证叶片高效率同时，利用叶素性能等值线图，叶片型线能够成功满足弦长线性化，扭曲角减小的型线约束条件；通过BEM理论的叶片性能验证，再次优化后的N3L55叶片也同时达到了提高自启动性能的目的，满足了性能约束条件。此外，本文使用等值线法探讨了设计参数中叶片数目对叶轮水动力的影响。CFD验证结果表明：在相同的设计方法和设计参数下，与三叶片叶轮相比，二叶片叶轮Cp下降约3％，曲线的分布趋势完全一样，Ct（流向推力系数）略微变大，因此与三叶片叶轮相比，对单叶片的结构强度要求变大。针对变桨叶轮在叶片安装角变化时对叶片水动力性能影响的问题，文中使用模型试验与CFD相结合方法给出了叶片不同安装角下的水动力特点，结果表明，随着安装角的变大，叶轮的Cp值逐渐变小，峰值点速比减小，Ct值同时变小，叶轮的启动流速显著降低。目前，水平轴潮流能水轮机单向高效叶轮与其换向方式矛盾是最主要的设计难题之一。本文基于对称翼型的水动力特点，提出了一种可实现双向获能，结构简单可靠的叶片设计理念。叶轮不需要变桨或换向机构，仅依靠叶片的对称性来满足双向发电的需求。文中使用等值线设计方法完成型线的计算，并进行了CFD数值模拟验证，计算结果显示叶片的Cp峰值可达32.4%，也可作为一种叶片工程选型方案。最后，针对潮流能水轮机叶轮运行环境对设计参数产生的影响问题，基于CFD模拟技术，分析了叶轮在导流罩下的叶轮运行特点，尺度效应以及空化时水动力性能发生的变化及原因。文中通过对导流式水轮机流场的流速与压力分布的分析表明，导流罩的前端收口聚流作用与后端的低压抽吸作用是导流装置能够增加叶轮捕获能量效率的两个主要原因。模型试验数据表明，导流式水轮机在相同流速下功率提升较大，其峰值转速相应提高，在叶片设计时，应充分考虑峰值速比的偏移量与载荷的增大。文中针对雷诺数对模型机与原型样机的性能差别问题，利用 CFD技术对不同尺度、不同流速下运行的叶轮做出性能分析与对比，结果表明：不论是来流速度还是叶片尺度带来的雷诺数变化，均会对水轮机的水动力特性产生影响，且影响规律是一致的；雷诺数增大，会使叶片的推力增大，同时叶片的转矩增大，进而使水轮机的能量利用率提高，且随着雷诺数的变大，增大的速度逐渐减小；雷诺数的变大同时会使能量利用率峰值点对应的速比减小，但随着雷诺数的变大，速比偏移幅度逐渐减小。因此，依据模型试验对原型机性能预报时，应该充分考虑雷诺数的影响。同时，在进行叶片原型设计时，应选择额定运行雷诺数下的二维翼型，以确保型线设计的准确性。针对在模型试验中观察到的高流速Cp急剧下降的现象，分析了叶片表面可能发生的空化现象。应用CFD数值模拟方法，给出了当水轮机叶片表面发生空化时，叶轮性能与载荷会出现大幅度的下降，与试验现象完全吻合。通过对水轮机叶片空化发生机理的探讨，建立了在叶片设计中，运行速比范围、流速范围以及浸没深度三者之间的关系，以达到避免叶片表面发生空化的目的。

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第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 水平轴潮流能水轮机叶片设计研究进展

1.3 叶片设计存在的问题

1.4 论文创新点

1.5 论文主要工作内容

第2章 水平轴水轮机叶轮水动力基本理论与求解方法

2.1 水轮机的基本工作原理及分类

2.2 叶片的运动及受力

2.3 流体动能

2.4 贝茨理论

2.5 动量叶素理论

2.6 CFD数值求解理论

2.7 本章小结

第3章 水平轴水轮机叶轮的水动力预报方法

3.1 动量叶素理论方法的研究

3.2 CFD粘性数值模拟方法研究

3.3 本章小结

第4章 水平轴水轮机叶片设计方法

4.1单向高效水轮机叶片设计

4.2 叶轮设计参数对叶片水动力的影响

4.3 双向水轮机叶片设计

4.4 本章小结

第5章 特殊环境对水轮机叶片设计的影响

5.1 导流式叶轮水动力与流场特性分析

5.2 雷诺数对叶轮水动力特性的影响

5.3 叶片的空化现象研究

5.4本章小结

结论

全文总结

研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢