一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法

摘要

本发明公开了一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，该方法分别研究常规翼型及仿生翼型的水动力性能，根据各叶素在叶片中的作用，将常规的叶片翼型与仿生翼型相结合，设计出性能更为优越的组合翼型叶片；获取鱼鳍的三维数字模型，选取其不同位置处的横截面轮廓作为仿生鱼鳍翼型，通过分析软件选取仿生鱼鳍翼型，并导出仿生翼型和所需常规翼型的二维坐标，对设计叶片的叶素进行优化，得到每个叶素的参数，将仿生翼型和所需常规翼型分别与叶素对应，将翼型的二维坐标转换为三维坐标数据，将其导入到三维设计软件中，进行放样处理，最终生成组合翼型叶片；该方法使得组合翼型叶片的水动力性能更为优越，显著提高了水轮机的获能效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮机叶片的设计方法，尤其涉及一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法。

背景技术

近年来，海洋能的开发已经渗透到各个领域，潮流能作为一种清洁的可再生能源尤其受到广泛研究，潮流能具有可靠性、周期性、可持续性，且分布广泛等的优点，其将会在未来能源中扮演重要角色，为了利用潮流能，水轮机是潮流能的主要捕获装置，因此如何提高潮流能水轮机的获能效率成为了影响潮流能发电推广应用的关键因素，因而水轮机的研制越来越受重视。

叶片是水轮机的核心部件，而翼型是构成叶片的基础，因此叶片翼型的选择将直接影响水轮机的获能效率。由于水平轴水轮机出现较晚，目前还没有一套方法完全适用于水平轴潮流能水轮机叶片的设计，但因其形式与风力机相似，国内外大都采用较成熟的风力机叶片的设计方法。但二者工作介质在密度、粘度、流速等因素上存在较大差异，造成按照风力机叶片设计方法得到的水轮机获能效率较低。因此，如何设计一种符合工作介质特性的叶片是提高水平轴潮流能水轮机获能效率的关键问题。专利CN104408260A提供了一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，该方法基于遗传优化算法，综合考虑了水轮机水翼翼型设计的各个方面，能够根据不同水域和海洋环境要求获得最佳的水翼翼型曲线，具有可行解表示广泛性、群体搜索性、随机搜索性和全局性等优点，能够获得全局最优解。

将仿生学应用于叶片设计是一个新的发展方向，研究表明，将鸟类翅膀的自然特性应用到水平轴风力机叶片的设计中，能显著提高其获能效率。同时，海洋鱼类经过数亿年的自然衍化，其身体结构特点和运动方式能够很好地适应水中生活，具有优异的水动力性能。研究表明，鱼鳍的运动配合对于水动力性能有着至关重要的作用，因此鱼类仿生研究引起了众多研究人员的兴趣，并且已在水下推进技术领域取得了较好应用，这就为水平轴潮流能水轮机仿生叶片的设计带来了新的启示。但是，鱼鳍的作用主要是用于身体推进及平衡控制，与水轮机的旋转运动存在较大差异，因而不适宜采用仿形法设计与鱼鳍形状完全相同的叶片。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，利用仿生翼型和常规翼型相互组合形成组合翼型叶片，使得叶片的水动力性能更为优越，提高水轮机的获能效率，以弥补现有技术的不足。

本发明提供的水平轴潮流能水轮机叶片设计方法采用经典的WILSON理论及叶素动量理论，分别研究常规翼型及仿生翼型的水动力性能，根据各叶素在叶片中的作用，将常规的叶片翼型与仿生翼型相结合，设计出性能更为优越的组合翼型叶片。

为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）采用三维扫描仪获取鱼鳍标本的三维数字模型，即鱼鳍的点云数据；

2）通过逆向工程软件对上述点云数据进行处理，得到鱼鳍的三维数字模型，沿鱼鳍长度方向任意选取鱼鳍不同位置处的横截面轮廓作为仿生鱼鳍翼型；

3）通过翼型专业分析软件将截取到的仿生鱼鳍翼型与水轮机的多个常规翼型在不同雷诺数下相比较，选取达到最佳雷诺数时升阻比最大的仿生鱼鳍翼型，并导出该翼型和各常规翼型的二维坐标，即得仿生翼型二维坐标和各常规翼型二维坐标；

4）根据设计要求，确定水轮机的功率、叶片数量、额定流速、尖速比、叶轮额定转速以及叶轮直径等参数；

5）依据步骤4）中得到的参数，利用常规叶片设计方法设计叶片，确定设计叶片的长度，将其长度分为k-1等份，此时就获得k个横截面，即叶素，通过数值分析软件对上述k个叶素分别进行优化，得到每个叶素的参数；

6）根据设计要求以及叶片不同位置的作用，选取步骤3）中的仿生鱼鳍翼型及不同的常规翼型分别对应步骤5）中的各个叶素，并将由步骤3）得到的各翼型二维坐标根据步骤5）中的叶素参数转换为三维坐标；

7）将上述得到的翼型三维坐标数据导入到三维设计软件中，进行放样处理，最终生成组合翼型叶片。

所述步骤2）中获取仿生鱼鳍翼型的具体方法为：沿鱼鳍长度方向将鱼鳍n等分，即得到n-1个仿生鱼鳍翼型，其中，n的大小由鱼鳍的长度、拟选取的仿生翼型数量决定。

所述步骤3）中所述的常规翼型为NACA系列翼型。

所述步骤5）中所述的叶素优化的具体步骤为：根据设计要求，利用常规叶片设计方法设计叶片，将设计的叶片沿长度方向分为k-1等份，即获得k个叶素；对每个叶素单独研究，并假设第i个叶素的半径为r_i，利用数值分析软件对目标函数、约束方程和求解方程分别编写程序代码；通过数值分析软件所带的优化工具箱调用上述程序代码，计算每个叶素的半径、尖速比、轴向因子、周向因子、叶尖损失因子、入流角、弦长、扭角等参数。

所述步骤6）中的翼型二维坐标通过平移变换、缩放变换、旋转变换和沿Z轴的偏移变换转换为翼型三维坐标数据。

本发明的优点：本发明中叶片设计采用了仿生鱼鳍翼型与常规翼型相组合，能够更好地适应工作介质的特性，从而具有较高的获能效率；本发明根据水轮机叶片从叶根到叶尖的不同部分在叶片获能过程中所起的作用不同，选用不同的翼型而设计出的组合翼型叶片，实验证明本发明能够明显提高叶片的获能效率和可靠性；在不同流速、流向的海况中，均可采用本发明提供的设计方法，选用不同的仿生翼型和常规翼型来设计组合翼型叶片，从而得到较高的获能效率。

附图说明

图1是本发明实施例中鲨鱼尾鳍截面翼型示例图。

图2是本发明实施例中鲨鱼尾鳍的不同位置翼型图。

图3是本发明实施例中几种仿生鲨鱼尾鳍翼型水动力性能分析示例图。

图4是本发明实施例中的组合翼型叶片的翼型选择示例图。

图5是本发明实施例中的组合翼型叶片示例图。

其中，1-NACA63-018翼型；2-NACA0015翼型；3-仿生鲨鱼尾鳍翼型；4-NACA2412翼型；5-NACA2410翼型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图通过特定的实施例进一步说明本发明的实施方式。

本实施例采用鲨鱼尾鳍作为仿生翼型的获取模型，该实施例中的具体操作方法同样适用于其他鱼鳍用于仿生翼型的获得，以及组合翼型叶片的设计。

基于鲨鱼尾鳍为仿生对象，水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，包括以下步骤：

1）采用三维扫描仪获取鲨鱼尾鳍的三维数字模型，即鲨鱼尾鳍的点云数据；

2）通过逆向工程软件将上述点云数据进行处理，得到鲨鱼尾鳍的三维数字模型，如图1所示；

3）根据鲨鱼尾鳍的长度，将其进行8等分，得到7个位置处的截面轮廓作为仿生鲨鱼尾鳍翼型，如图2所示；

4）通过翼型专业分析软件将截取到的7个尾鳍翼型的水动力性能分别与水平轴潮流能水轮机NACA系列常规翼型在不同雷诺数下相比较，选出达到设计要求的最佳雷诺数时升阻比最大的尾鳍翼型，并导出该翼型和各常规翼型的二维坐标，即得仿生翼型二维坐标和各常规翼型二维坐标；由图3可知，在雷诺数80000时，当攻角分别为10°和6.5°时，仿生鲨鱼尾鳍37.5%和12.5%位置处的翼型具有较大的升阻比（Cl/Cd），且与攻角为8.5°时NACA63-412翼型的最大升阻比接近；

5）根据设计要求确定水轮机的额定功率P、叶片数量B、额定流速V_rated、尖速比λ、叶轮额定转速n、水轮机的获能系数C_p以及叶轮直径D，水轮机的功率的计算公式为：，其中，ρ为海水密度；

6）依据步骤5）中得到的参数，利用常规叶片设计方法设计叶片，再通过数值分析软件对叶素进行优化，得到每个叶素的参数，具体步骤如下：

（1）按照设计要求，利用常规叶片设计方法设计叶片，确定叶片的长度，将其长度分为k-1等份，此时就获得k个横截面，即叶素；

（2）对每个叶素单独研究，设第i个叶素的半径为r_i，利用数值分析软件对目标函数、约束方程和求解方程分别编写程序代码；

（3）通过数值分析软件所带的优化工具箱调用上述程序代码，计算每个叶素的半径、尖速比、轴向因子、周向因子、叶尖损失因子、入流角、弦长、扭角等参数；

7）首先根据设计要求及叶片不同位置的作用选取常规翼型及步骤4）中得到的最优尾鳍翼型分别对应步骤6）中的各个叶素，并根据步骤6）中的叶素参数，将由步骤4）得到的各翼型二维坐标通过平移变换、缩放变换、旋转变换和沿Z轴的偏移变换转换为三维坐标数据；叶片中各部分翼型的选取依据以下方法：

a、如图4所示，处于叶根位置的翼型需承受叶片旋转时的大部分扭矩，由NACA系列常规翼型的分析比较，选择相对厚度较大的NACA63-018翼型（1）；

b、如图4所示，处于叶根与叶中过渡部分的翼型，既要承受小部分扭矩又要发挥叶片获能的作用，选择相对厚度为15%的NACA0015翼型（2）；

c、如图4所示，叶片中部是获能的关键部位，选择步骤4）中得到的升阻比最大的仿生鲨鱼尾鳍翼型（3），经分析其相对厚度为13.4%，相对厚度均小于根部和过渡部的相对厚度，可实现叶片的平滑设计；

d、如图4所示，处于叶中向叶尖过渡部分的翼型，需满足获能性能良好、叶尖损失较小的要求，选择相对厚度为12%的NACA2412翼型（4）；

e、如图4所示，处于叶尖部分的翼型，为尽可能降低叶尖涡流对叶片获能的影响，选择相对厚度为10%的NACA2410翼型（5）；

8）在三维设计软件中将上述得到的三维坐标数据，进行放样处理生成组合翼型叶片，如图5所示。

将3只组合翼型叶片安装到水轮机上，在设计条件下调整桨距角，测试并记录水轮机在不同桨距角下的发电功率，从而计算出水轮机的获能效率；经实测数据分析，使用组合翼型叶片的水轮机最高获能效率为0.368，在同等工况下，采用NACA63-8XX翼型叶片的水轮机获能效率为0.346，若把水轮机的各级传动效率计算在内，则水轮机的获能效率更高，由此可见组合翼型的获能效率明显优于常规翼型。

上述实施实例仅说明本设计的原理和方法，并非用于限制本发明。任何对此技术和原理了解的人士都可在不违背本发明的精神和范畴下，对上述实施例进行修饰和改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰和改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。