叶片姿态可变潮流能水轮机获能特性研究

摘要

为扩大对潮流能可再生能源的利用，降低对石化能源的消耗，改善生态环境，文章以减小叶片运动阻力和提高水轮机获能效率为目的，提出了叶片姿态可变水轮机设计方案，借助数值模拟和模型实验的方法对水轮机运行过程进行分析研究，发现和掌握了水轮机的基本运行规律和水动力学性能。 提出了新型水轮机的设计方案，对叶片运动与受力情况进行了初步分析。新的设计方案在水轮机6片活动叶片之间增加了连杆机构，叶片能利用潮流的作用力自动调整姿态变化，使顺流区叶片直立获能，逆流区叶片翻倒贴向轮毂，保证叶轮单边受力，获得更大的转动力矩，获取更多潮流能量。探讨了影响水轮机水动力学性能的主要因素:叶片的有效打开高度决定了叶轮迎流面积的大小，是影响水轮机性能的重要因素;叶尖速比体现了水轮机将来流速度转化为叶轮转速的能力，是反映水轮机性能的一个重要参数。 采用流固耦合的数值模拟方法研究了叶片姿态可变叶轮机构的水动力学性能。根据相似准则确定了工程样机和数值模拟模型的长度比尺和来流速度的缩放关系，选取动网格的方法处理运动边界问题，建立了水轮机水动力学数学模型。通过模拟不同工况条件下叶轮的运行过程，研究和发现了叶片的基本开-合规律:水轮机任一叶片在完全打开后叶轮转动的最小角度不会低于60度，即水轮机在运行过程中至少有一个叶片处于完全打开的获能状态;水轮机任一叶片在完成开启与闭合动作时叶轮的转动量完全相同，并且在完全打开状态下与在完全闭合状态下叶轮的转动量也完全相同。通过对叶轮转速的分析研究，发现其具有周期性波动的特点，但在任意叶片运动小周期内的转速波动系数都小于0.1，即水轮机运行的整体稳定性较高。通过对数值模拟结果的综合分析发现:水轮机获能效率随着叶尖速比的由小到大呈现出先增大后减小的特征，水轮机最佳叶尖速比为0.5，最大获能效率约为0.32。 利用循环水槽对新型水轮机进行了模型实验研究。以获能效率为水轮机的主要研究指标，以叶尖速比为关键变量参数，对新型水轮机进行了模型实验观测;实验发现，随着叶尖速比的增大，水轮机叶片开始打开的位置提前，叶片完全打开的位置滞后;通过对实验数据的分析处理，得到水轮机的获能效率随着叶尖速比的不断增大呈现出先增大后减小的规律，在高流速条件下水轮机的获能效率相对更优;在正向流动时水轮机的最佳叶尖速比为0.5左右，通过实验数据直接求取的最高获能效率为0.266-0.288之间;在水轮机增加聚能导流结构后的实验中发现，正（反）向流动时启动流速降低了约20％(27％)，获能效率提高了约26％。聚能导流结构能够明显降低水轮机的启动流速，提高获能效率。 研究了新型水轮机聚能导流罩的结构参数和安装参数。以提高水轮机的获能能力为目的，结合叶片姿态可变水轮机的运行特点，确定采用三段式结构作为新型聚能导流罩的基本结构形式:凹面增速段、圆弧过渡段和凸面增速段。提出了采用翼型结构作为凹面增速段的设计方案，通过数值模拟计算研究了圆弧结构和不同NACA翼型结构的增速效果，确定NACA4212翼型结构为凹面增速段的最佳结构设计选型;通过对导流罩水动力学性能的数值模拟和优化，获得了三段式NACA翼型导流罩凹面增速段的最优结构设计高度为2.6R、过渡段圆弧半径为2R、凸面增速段圆弧结构的设计半径为6R、最佳水平安装距离为1R、垂直安装高度为2R。 本文利用数值模拟和模型实验的方法对叶片姿态可变水轮机的运行规律和水动力学性能进行了比较深入的研究和探讨，并对新型聚能导流结构的设计参数进行了优化，其成果为叶片姿态可变水轮机的后续研究工作和工程应用奠定了良好基础。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1潮流能水轮机的研究背景及意义

1．2潮流能水轮机的研究现状

1．2．1理论研究现状

1．2．3实验研究现状

1．2．2数值模拟研究现状

1．3主要研究内容

1．3．1课题来源

1．3．2研究内容

第2章叶片姿态可变潮流能水轮机的工作原理

2．1设计方案

2．2工作原理

2．3叶片运动分析

2．3．1叶轮与叶片的运动周期

2．3．2叶片运动状态分析

2．4反映水轮机水动力学性能的主要指标

2．5本章小结

第3章叶轮机构水动力学性能的数值模拟

3．1叶轮机构原型与模型的相似转换

3．2数值模拟方法

3．2．1流固耦合分析

3．2．2运动边界的处理方法

3．2．3网格划分

3．2．4横型处理

3．3数值模拟结果分析

3．3．1叶轮机构启动及运行转速的变化趋势

3．3．2叶片的开-合规律

3．3．3获能效率随着阻力矩和叶尖速比变化的规律

3．3．4流道截面积改变量对叶轮获能效率的影响

3．4本章小节

第4章样机性能实验研究

4．1实验目的

4．2实验原理和测试方法

4．2．1实验原理

4．2．2测试方法

4．3实验装置和设备

4．3．1实验装置

4．3．2实验设备

4．4实验内容

4．4．1参数调节

4．4．2测试内容

4．4．3实验步骤

4．4．4对实验误差的分析预测

4．5实验结果的分析研究

4．5．1求取实验误差的修正系数

4．5．2对水轮机转速和扭矩分析

4．5．3水轮机叶片运动过程分析

4．5．4水轮机水动力学性能分析

4．5．5增加导流结构后水动力学性能分析

4．6本章小节

第5章聚能导流结构的设计与参数优化

5．1引言

5．2聚能导流结构的设计方案

5．2．1聚能导流结构的设计思路

5．2．2聚能导流结构的主要设计参数

5．3聚能导流结构水动力学特性的模拟方法

5．3．1数值模拟方法

5．3．2网格无关性验证

5．3．3模拟有效性验证

5．4对聚能导流罩设计参数的优化分析

5．4．1凹面增速段线型结构选择

5．4．2导流罩结构参数的优化

5．4．3导流罩安装参数的优化

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1本文工作及结论

6．2主要创新点

6．3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文