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水平轴海流能水轮机模型试验及设计研究

2020-07-02 159 上传者：管理员

摘要：为了提高水平轴海流能水轮机的发电效率,利用叶素理论对叶片进行设计,采用维氏曲线对导管收缩段进口进行设计,类比环形堰堰面曲线对带前段导管进行设计,最终得到一种新型水平轴海流能水轮机模型,并通过拖拽试验对数值模拟结果进行了验证。研究成果表明：在水平轴海流能水轮机外围加装普通导管能够提高发电效率,带前段导管的效果更明显。研究成果有利于带导管水平轴海流能水轮机的优化设计。

关键词：
叶素理论
导管
水平轴海流能水轮机
水能机械
环形堰堰面曲线
维氏曲线
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引言

海流能是一种清洁可再生能源，开发前景广阔[1]，且相对较为稳定[2,3]。海流能水轮机无需修筑大型土木工程，越发受到广泛重视[4,5]，其发电原理与风力机类似。导管作为一种提速装置最先应用于风力机，可以提高风速，进而增加能量转换效率。Fletcher[6]和Gilbert[7]等对加装导管的风力机进行了试验，获得较好的效果。Anzai[8]等研究了加装导管对风力机能量转换效率的影响因素，并对导管进行了优化。Shives[9]等利用RANSCFD对导管进行分析，发现其几何形状对能量捕获影响很大。

尽管对于导管的研究较多，但大多数都是针对风力机，是否适用于海流能水轮机尚未可知，导管前段的设计也较少。本文对一种带导管水平轴海流能水轮机进行设计，利用3D打印制作模型，进行水池拖拽试验，验证加装导管的效果。该设计成果对于设计新型水平轴海流能发电装置具有参考意义。

一、叶片设计

翼型选用的是NACA4412翼型，其在液体中的性能较好，甚至优于空气介质[10]。设计功率为0.1W，来流速度为0.33m/s，功率系数为0.2，发电机机电效率为0.9，叶片直径为0.2m，叶尖速比为4；叶片数量为3[11]，叶片转速为126.95rpm。利用Wilson设计法计算并修正各截面的弦长和扭角[12]，根据三维坐标转换公式计算出各叶素截面的三维坐标，各叶素截面和最终形成的设计叶片如图1所示。

图1设计叶片

二、导管设计

对于导管设计，所遵守的基本原则是导管阻力小，水轮机前方流速均匀。根据叶片直径D确定以下参数：凸缘高度h、收缩段进口截面半径R1，收缩段出口截面半径R2，收缩段长度L0，然后根据维氏曲线[13]确定收缩段进口线型，再根据水动力学特性的优劣[14]确定凸缘安装角度θ，扩张角φ，导管长度L。利用环形堰堰面曲线方程对导管前段进行设计，最终得到带前段导管。

1.对现有叶片加装导管

现有叶片为小型风力机叶片，如图2所示，直径为42mm，轮毂直径为15mm，叶片旋转直径D'=57mm，凸缘高度h=0.1D'=5.7mm，收缩段进口截面半径R1=0.61D'=35mm，收缩段出口截面半径R2=0.52D'=30mm，收缩段长度L0=0.345D'=20mm，凸缘安装角度θ=45°，扩张角φ=4°，导管长度L=0.87D'=80mm，由维氏曲线确定收缩段进口各截面半径，普通导管的纵剖面和最终形成的三维模型如图3所示。

图2现有叶片

图3普通导管

图4带前段导管

竖井溢洪道环形堰上堰面曲线方程为-X/Hd=0.635(Y/Hd)0.41，下堰面曲线方程为Y/Hd=0.610(X/Hd)1.85[15]，定型水头Hd=H+υ2/2g,H=0.28m，υ=2m/s，得到的堰面曲线点坐标，其中下标u、d分别表示上、下堰面曲线点坐标，将坐标按照1:500的比例缩小，使下堰面曲线与导管收缩段进口平滑相接。带前段导管的纵剖面和最终形成的三维模型如图4所示。

现对加装普通导管（下方）和带前段导管（上方）进行数值模拟，流场区域长为810mm，宽为1,055mm，设置进口流速2m/s，对比分析流场分布情况，如图5、图6所示。由图5可知，带前段导管在收缩段出口形成的负压区面积更大，负压值更高，更有利于液体进入；在收缩段入口前端的高压区面积更大，导管内部和凸缘后端负压区面积更大，负压值更高，抽吸液体的作用更明显。由图6可知，加装导管增速效果明显，带前段导管较普通导管整体流速更高。

图5压强分布

图6流速分布

2.对设计叶片加装导管

设计叶片直径为200mm，轮毂直径为30mm，叶片旋转直径D'=230mm，凸缘高度h=0.1D'=23mm，收缩段进口截面半径R1=0.61D'=140mm，收缩段出口截面半径R2=0.52D'=120mm，收缩段长度L0=0.345D'=79mm，凸缘安装角度θ=45°，扩张角φ=4°，导管长度L=0.87D'=200mm，由维氏曲线确定收缩段进口各截面半径，导管前段数据不变。大导管纵剖面和最终形成的三维模型如图7所示。

图7大导管

3.试验研究

为了验证数值模拟结果的可靠性，现对现有叶片所设计的水轮机组进行试验。该水轮机组由4个水轮机构成，从左向右对水轮机进行编号，1号和4号为裸机，各配备1个发光二极管，2号加装普通导管，3号加装带前段导管，各配备20个发光二极管。发电机为微型交流永磁型电机，输出电压0.01-15V，输出电流为0.001-0.2A，额定转速3,000rpm。发光二极管为白发红光，电压1.8V。通过尝试确定绳子与水轮机组的连接位置，尽量使水轮机组在拖拽时保持水平，通过人工拖拽，以发光二极管是否亮灯和亮灯数量验证水轮机的发电效果，水轮机组装置如图8所示。

图8水轮机组

试验发现，在来流速度相同的情况下，1号和4号的发光二极管并没有亮灯，2号和3号的发光二极管亮灯，说明普通导管具有增速效果；在连续3帧中，3号的发光二极管亮了3帧，2号的发光二极管亮了2帧，并且在某一时刻3号的发光二极管亮灯的数量更多，说明带前段导管的增速效果更明显。试验有效验证了数值模拟的结果，试验截图如图9所示。

图9水轮机组拖拽试验

再对所设计的带导管水平轴海流能水轮机进行试验。发电机为微型直流发电机，输出电压1.5-24V，输出电流为0.005-0.5A，额定转速1,000rpm,LED灯1个，规格为6V3W，装设在顶部中央。发光二极管4个，装设在顶部拐角。USB外接接口1个。其中，叶片正转时LED灯和USB接口工作，反转时发光二极管工作，模拟双向潮汐作用。通过人工拖拽，以LED灯、发光二极管是否亮灯和USB接口是否为手机充电验证水轮机的发电效果。水轮机两侧的侧翼类比半圆型闸墩头部进行设计，直径取0.267Hd(28)129mm，长度取0.133Hd(28)65mm，形状为四分之一圆，两侧各一个。带导管水平轴海流能水轮机装置如图10所示。试验发现，在拖拽速度较慢的情况下，正向拖拽时LED灯亮灯，USB接口可以为手机充电，反向拖拽时发光二极管亮灯，说明带前段导管降低了启动流速；LED灯的规格远远大于设计功率，说明带前段导管大大提高了发电效率。试验截图如图11所示。

图10带导管水平轴海流能水轮机

图11海流能水轮机拖拽试验

三、结论

(1）加装导管对于水平轴海流能水轮机具有提高发电效率的效果。

(2）类比环形堰堰面曲线对导管前段进行设计，进一步发挥了导管的增速作用，大大提高了海流能水轮机的发电效率。

参考文献：

[4]张勇,崔蓓蓓,邱宇晨.潮流发电-一种开发潮汐能的新方法[J].能源技术,2009,30(4):222-227.

[10]尹锐.基于CFD的水平轴海流能水轮机叶片设计及水动力学特性研究[D].昆明:昆明理工大学,2016.

[13]刘羽,陈正寿,赵陈等.潮流能水轮机导流罩的水动力性能研究[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2014,33(3):199-208.

[14]马舜,荆丰梅,张亮,张鹏远等.潮流能发电增速导流罩研究[J].哈尔滨工程大学学报,2012,33(4):409-413.

[15]孙双科,徐体兵,孙高升等.导流洞改建为跌流式竖井溢洪道的试验研究[J].水利水电科技进展,2009,29(6):5-8.

尹锐.水平轴海流能水轮机模型设计及试验研究[J].中国水运(下半月),2020,20(02):70-72+75.