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双转子水平轴潮流能水轮机叶片基于BEM理论的设计研究
摘要：基于叶素-动量理论,采用Wilson修正计算模型,编写了叶片优化计算的MATLAB程序,获得了计算弦长和扭转角,并进行了修正;通过坐标变换可得出叶片截面的空间坐标,导入Pro/E中,从而实现了叶片及叶轮的程序化设计和三维造型;采用双转子结构应对潮流周期性往复运动的特点,提高了潮流能的利用率,且结构简单,便于应用。
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能源是社会发展和经济增长的基本动力,是人类赖以生存的基础[1],传统化石能源已经不能满足人类的需求,寻求可再生能源已成为各国发展的迫切需求。海洋潮流能因具有储量丰富、载荷平稳、可预测性强等特点而备受青睐[2]。水轮机是潮流能利用技术的核心装置,在发电机功率确定的条件下,如何提高发电效率,获得更多能量,一直是潮流能发电追求的目标,叶片的翼型设计、结构形式,直接影响发电机组的性能和功率,是水轮机最核心的部分[3,4]。
文中在应用叶素-动量(BEM)理论的基础上,综合考虑潮流能实际状况及其周期性往复的特点,对水轮机叶片及其整体结构进行优化设计。
1、叶片设计原理
水平轴潮流能水轮机叶片的设计原理源于风力机叶片的设计,主要包括叶素-动量理论、涡流理论、尾流旋转理论和贝兹理论等[5],但多在叶素-动量理论的基础上得来。动量理论是假设叶片在无限流场中运行,把水轮机受力简化为水流的二维流动,叶片作为阻挡水流流动的激盘[6];叶素理论是将叶片沿展向分成若干个小的微段,然后将作用在每个微段上的力和力矩沿展向积分,得到整个叶片上的载荷[7]。
叶素-动量理论是将动量理论与叶素理论相结合,假设在相邻圆环水流间彼此不会发生径向相互作用,那么对于由N个叶素组成的叶片,由轴向推力和转矩平衡可得:
公式1
公式2
式中:V1———流体的来流速度;
ρ———海水密度;
a———轴向速度损失系数;
b———切向速度损失系数,b=ω/2Ω;
ω———水流切向诱导角速度;
Ω———水轮机转动角速度;
Vre———相对速度;
C———叶素弦长;
B———叶片个数;
Ca———轴向力系数,Ca=CLcos准+CDsin准;
CL———翼型升力系数;
CD———翼型阻力系数;
Ct———切向力系数,Ct=CLsin准-CDcos准;
准———入流角,准=α+β;
α———攻角;
β———桨距角;
r———叶素截面到叶轮中心距离。
叶素-动量理论的分析是建立在假定叶轮的叶片个数有无数多个的基础上,但在实际中叶片的个数是有限的,因此需要对轴向和切向速度损失系数进行修正,采用Prandtl叶尖和叶根修正因子进行修正[8,9]:
公式3
公式4
式中:rh———轮毂半径;
R———叶轮半径。
叶片总的损失系数为:
公式5
应用Wilson修正模型,不计翼型阻力的影响,由式(1)、式(2)和式(5)可得:
公式6
公式7
式中:σr———弦长实度,。
此时叶素能量利用系数为:
公式8
式中:λ0———叶尖速比,;
λ———不同叶素截面的尖速比,。
各个叶素截面的速度如图1所示。
图1叶素速度图
由图1可知,,结合式(6)和式(7)可得:
公式9
则叶片展向各截面的弦长和扭转角为:
公式10
公式11
利用翼型特性由式(6)和式(7)通过迭代即可求解出速度损失系数a和b,进而可求出各截面的弦长和扭转角。
2、叶片弦长和扭转角优化计算
对于叶轮设计最重要的性能指标是获能系数Cp,为了使叶片获取最大能量,就要使叶片每个叶素获取能量最大,最终归结成最优化问题。
目标函数:;初值:a=0,b=0
约束条件:a(1-aF)=b(1+b)λ2
依据目标函数、约束条件及初值,利用MATLAB软件优化工具箱中的非线性约束最优化函数fmincon,可编写出速度损失系数a和b的优化计算程序,得出理想的弦长和扭转角,其程序流程如图2所示。
图2叶片设计程序流程图
计算出的是较为理想的弦长和扭转角,但理想叶片在叶根处弦长较大,呈非线性分布,制造困难,用料不经济,在兼顾叶片气动性能和加工方便的同时,要对叶片弦长和扭转角进行修正[10]。由于叶轮所获取功率的75%来自叶片的前半段,而叶根主要起连接轮毂和支撑叶片的作用,对获能系数Cp影响很小[11],因此选取叶轮0.7R~0.9R处截面计算弦长,利用MATLAB中的polyfit一阶拟合函数拟合修正从而得到修正弦长;选取叶轮0.5R~0.9R处截面计算扭转角各个截面,利用polyfit四阶拟合函数拟合修正从而得到修正扭转角。
3、设计实例
3.1计算弦长和扭转角
NREL系列S814翼型具有升阻比高,能量利用率高的特点,翼型截面如图3所示,其中c为翼型弦长。雷诺数Re设定为900000,利用profil软件计算得出最大升阻比为100.5246,升力系数CL=1.2264,阻力系数CD=0.0122,此时攻角为8°。水轮机的设计参数如表1所示。按照叶片设计流程,依据设计参数编写计算程序,得到理想弦长和扭转角,再根据各自的修正方式对计算数据进行修正,计算结果及修正结果如图4所示。
表1水轮机设计参数
图3S814翼型截面
图4计算弦长和扭转角及其修正图
3.2叶片三维模型
由图4可知,叶片在叶展方向各个截面处的弦长及扭转角均不相同,需要把翼型截面的二维坐标转换为空间坐标。设定翼型液动中心在距前缘0.3弦长处,翼型二维坐标为(x0,y0),液动中心坐标为(X,Y),通过平移、缩放、旋转变换,得到实际空间坐标为:
式中:x1=x0-X;
C′———叶片截面实际弦长;
l———原始翼型弦长。
运用EXCEL软件对截面S814翼型实现上述坐标变换,得到设计水轮机叶片各个截面的三维坐标数据,导入Pro/E软件建立叶片及叶轮的三维实体模型,如图5和图6所示。
图5叶片截面分布及实体模型
图6叶轮三维实体模型
4、双转子结构
海流能具有双向周期性变化的特点,目前多采用变桨和机舱偏航等对流技术来提高水轮机的能量利用率,但结构复杂,制造成本高。
双转子水轮机是以单转子水轮机为基础,将两个相同的叶轮相向安装在发电机轴两端,分别与发电机的内外转子相连,当潮流流经水轮机时,两个叶轮相向旋转,从而大大提高潮流能的利用率[12,13]。水轮机结构及双转子电机结构如图7所示。双转子水轮机实体模型如图8所示。
图7双转子水轮机及电机结构示意图
图8双转子水轮机实体模型
5、结语
用叶素-动量理论进行叶片弦长和扭转角优化计算及修正,设计速度快且精度高;采用双转子结构可很好地适应潮流周期性往复运动的特点,提高潮流能的利用率,简化水轮机结构,降低制造成本,便于推广应用;实体模型的建立为水轮机的进一步研究分析及结构优化奠定了基础。
参考文献：
[1]张亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展,2013,1(1):53-68.
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[6]陈进,汪泉.风力机翼型及叶片优化设计理论[M].北京:科学技术出版社,2013.
[10]李国宁,杨福增,杜白石,等.基于MATLAB与Pro/E的风力机风轮设计及造型[J].机械设计,2009,26(6):3-7.
[11]陈秋华,赖旭.不同叶尖损失模型的风力机气动性能分析[J].太阳能学报,2012,33(12):2165-2170.
[12]阚超豪,王雪帆.双转子电动机工作原理及数学模型[J].微电机,2008,41(5):1-4.
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安鹏展,肖继明,杨洪洪,桑文雅.基于BEM理论的双转子水平轴潮流能水轮机叶片设计[J].机械设计,2017,34(10):96-99.
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煤矿实际生产中，为了避免透水事故的发生，需要将矿井中的水大量排出。矿井水的直接排放不仅会造成水资源浪费，还会对环境造成污染。为了进一步解决矿区供水不足的问题，需要对矿井水进行处理并再次利用。从原理上讲，将矿井水与水源热泵相结合不仅可以充分利用矿井水中的低位热能，还能减少污染物的排放[1]。
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本文对IG541混合气体灭火技术的发展概况进行了论述，介绍了水轮发电机IG541混合气体灭火系统的设计原则，以在建的赞比亚下凯富峡水电站为例，对水轮发电机IG541混合气体灭火系统中具体设备的原理和动作流程进行了详细归纳总结，为其他水电站的水轮发电机气体灭火系统的设计、运维提供参考。
2021-05-15
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2020-11-13
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2020-07-03
水轮机转轮叶片是水轮机运行时的关键部件,叶片长时间受水流冲击,将引发结构的水弹性振动,可能会出现不同程度的裂纹破坏。大量研究表明,激振力引发的结构共振所产生的动载荷作用是导致叶片裂纹的主要原因之一。到目前为止,理论计算对于复杂水轮机周围的流场流动与水轮机自身的结构研究方面还不完善,只有实验研究与数值计算两种研究方式比较理想。
2020-07-03
目前开展的关于潮汐能水轮机的研究中,适用的水头主要集中在5~25m,对于潮差特别小(0.2~2.0m)的潮汐资源,适用水轮机的效率普遍偏低。在充分考虑了上述问题后,针对国内某工程的具体情况(包括潮差变化范围,机组尺寸以及工程安装难度等),本文提出一种新型的潮汐能水轮机,该水轮机能够在较低的潮差范围内表现出较好的水力性能。
2020-07-03
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2020-07-03
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2020-07-03
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