（流体力学专业论文）竖轴潮流水轮机水动力性能理论与实验研究.pdf

錾垫塑堕娄篓墼遴垫查堡璧鬻建耋塞鍪型鎏 摘要 舞辍潮流发溉水轮瓿是靖蒋广泛实验秘薹 究的潮滚麓转接装登。它对水 深稆流速鹅要求不蔫，不受米漉方囱变他的影啕，不霭装额外鲸绱航对漉缀 构，因而结构简单，= 作可靠。而且通过设计和采用合适的叶片避动控制机 构，竖孽l l l 承轮搬运常辘够实蠛曩癌动，弗获褥较裹躲髓爨利周率。翔此，针 对这种承轮机时片捺制机构荦b 水动力性计算与预搬方法的研究避年来受到 人们越来越大地关注。 在时片运动控铡撬梅鲍设诗与礤究方蘸，本文首先瀵过建立鞠宠善竖糖 水轮搋永动力性能理论模型，以及分析逮比、叶片镳角等参数对承动力性能 的影响，总结了口f - 片运动控制机构的工作原理；然鼯通过比较现有的各种燮 攻角叶片控制机构的设计思路帮z 作特点，避行了弹簧靛制式变攻燕水轮搬 的设计和模型实验，结果表明水轮机能够自扁动，而鼠能量利朋率髓能有一 定的掇高；最后根据实验结粱初步分析了其水动力性能和影确因素，例如弹 簧目n 度和密实度等。暇的是捡验叶片控铬蛾b 翰的可靠性秘效果，为性能更好、 工作璺可纛的叶片控制机构的设计以及数值计算方法豹比较和验诞提供参考 和依攒。 在陛能计算和预报方法方面，本文首先根据动量定理原理，建立了双盘 面多流管模型，并结合时片动力学分析将其运用到被动式变攻角承轮机一撵 簧控割式永轮祝的求动力注魏计簿主；通道对流管扩张、动态失逮、时片盘 转效应的修正，使计算方法奠趋完善。然后剩用非定常砸元法，以单个叶片 菲定常运动数值计算方法为纂础，建立多叶片非定常运动的涡荫元法模型， 分辑了多个醇片共麓遮动靖豹升片与是涡戮及时片与叶片之掏静千貔效应帮 叶片载荷特性；同时，考虑到水轮机工作速比较小时，叶片攻角变化范围大 的特点，参考离散满方法，建立了分离流动模型，模拟流动分离对求轮机性 驻懿影响，使诗算受县合理蕊。鬣蘑透过大擞篓铡与实验镶黪比较，检验了 这两种方法的适用性和准确程度。 在承轮杭往髓研究方面，阻备系歹冀侧的汁算结襞为依据，详纲分析了 速出、妊 4 片鼗、弦长_ l 萋经毙、，缡热变讫栽簿豁及时片鑫转辛蠹蕴_ 饕等参数影响 水轮机性能的原理、方式和结果，总结了叶片和转子的瞬时载荷、转子的平 哈尔滨工程大学博士学位论文 均载荷、水轮机的能量利用率以及自由涡的运动特点等水动力性能随这些参 数改变而变化的规律；最后还初步研究了叶片翼型对水轮机水动力性能的影 响。目的是为水轮机主尺度的选择、偏角变化规律的设计、结构设计和优化 提供依据和参考。 关键词：竖轴潮流水轮机；变攻角；水轮机水动力；双盘面多流管模型；涡 面元法；潮流能；速比 i i 鉴塑塑鎏坐鹜墼查垫垄些璧些篁皇壅墼基蜜 a b s t r a c t v e r t i c a l a x i st i d a lt t t r b i n e sa r eo n et y p eo fe x t e n s i v e l yt e s t e da n ds t u d i e d e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sf o rm a r i n ec u r r e n t sa p p l i c a t i o n t h e yc a nw o r k s m o o t h l ye v e ni ns h a l l o ww a t e ra n da tl o wv e l o c i t yo ff l o w ，a n dt h e yd on o tn e e d a n ys p e c i a ly a wm e c h a n i s mt ob eo r i e n t e dt ot h ef l o wd i r e c t i o n ，m a k i n gt h e m s i m p l ei ns t r u c t u r ea n dr e l i a b l ei nw o r k i n g v e r t i c a l - a x i st i d a lt u r b i n e su s u a l l y c a l l o b t a i nc o n s i d e r a b l ep o w e rc o e f f i c i e n ta n db es e l f - s t a r tb yp r o v i d i n ga p p r o p r i a t e v a r i a b l e p i t c hb l a d e s ，s om o r em i dm o r ea t t e n t i o ni sn o wp a i do nt h ed e s i g no f n e wk i n do fv a r i a b l e p i t c hm e c h a n i s ma n dt h ei m p r o v e m e n to fh y d r o d y n a m i c s c a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h i sk i n do ft u r b i n ew h i c ha r ej u s tt h ep r i n c i p a lo b j e c t so f t 1 1 i st h e s i s o a l ea i mo ft h i sw o r ki st ot e s tas 蛩r i n gc o n t r o l l e dp a s s i v ev a r i a b l e - p i t c h m e c h a n i s m s oa tf i r s ta n a l y s i sf o rt h eh y d r o d y n a m i ci n f l u e n c eo ft s ra n dp i t c h a n g l ei s c a r r i e do u tb yi m p r o v i n gt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fp e r f o r m a n c e s ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev a r i a b l e - p i t c hm e c h a n i s mi ss u m m a r i z e da l s o t h e n v a r i o u sc o n c e p t so fv a r i a b l e p i t c hd e s i g n sa r ee v a l u a t e di nd e t a i l a n dt h es p r i n g c o n t r o l l e dp a s s i v ev a r i a b l e p i t c hm e c h a n i s mi sd e s i g n e d ；ap r o t o t y p ec o n s t r u c t e d a n dm o d e le x p e r i m e n t sd o n e r e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h et u r b i n ec a r l s e l f - s t a r ta n dt h ep o w e rc o e f f i c i e n ti se n h a n c e d a tl a s tt h eh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e so f t h es p r i n gc o n t r o l l e dv a r i a b l e - p i t c ht u r b i n ea r ea n a l y z e dw i t ht h e i n f l u e n c ep a r a m e t e r ss u c h s p r i n gs t i f f n sa n db l a d es o l i d i t y a l lo ft h e s e r e s u l t sc a l lb eu s e da sr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rd e s i g na n dv a l i d a t i o nf o r t h e m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l t h es e c o n da i m st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ec a l c u t a t i o nm o d e lf o r 也e v e r t i c a l m a x i st i d a la t r b i n e s ，e s p e c i a l l yf o rp a s s i v ev a r i a b l e - p i t c ho n e s a sr e s u l t t w ot h e o r e t i c a lm o d e l sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s0 n ei st h ec l a s s i cd o u b l e d i s k m u l t i - s t r e a r n t u b er o o d b a s e do nm o m e n t u mt h e o r y t h i sm e t h o dh a sb e e n ，a p p l i e dt op a s s i v ev a r i a b l e - p i t c ht u r b i n eb yc o m b i n i n gb l a d ed y n a m i ca n a l y s i s t h ec a l c u l a t i o ni si m p r o v e db yc o n s i d e r i n gs t r e a m t u b ee x p a n s i o n ，d y n a m i cs t a l l i l i 哈尔滨工程大学博士学位论文 a n db l a d es e l f - p i t c h i n gc o r r e c t i o n st h eo t h e ri st h eu n s t e a d yv o r t e xp a n e lm e t h o d t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt os i m u l a t eu n s t e a d yl i f t i n gp r o b l e m so f m u l t i p l eb l a d e s a n di sb a s e do nu n s t e a d yp a n e lm e t h o do fs i n g l eb l a d eb e c a u s et h eb l a d ea n g l eo f a t t a c km a yb eg r e a t e rt h a ns t a t i cs t a l la n g l ea n dt h ef l o wm a yb es e p a r a t e dw h e n t s ri sl o w , s oaf l o ws e p a r a t i o nm o d e lb a s e do nd i s c r e t ev o r t e xm e t h o di s p r e s e n t e dt o o f i n a l l yt h e s et w om e t h o d sa r cv a l i d a t e db yc o m p a r i n gc a l c u l a t i o n r e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lo n e sa n dt h eb l a d e b l a d ei n t e r a c t i o na n db l a d e v o r t e x i n t e r a c t i o ne f f e c t sa r ea n a l y z e du s i n gt h el a t t e rm e t h o d a tl a s tb a s e do nag r e a td e a lo fc a l c u l a t i o nr e s u r s t h ed e t a i l e da n a l y s i si s p r e s e n t e do nt h eh y d r o d y n a m i c so fv e r t i c a l - a x i st u r b i n e su n d e rt h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n tp r i n c i p a lp a r a m e t e r ss u c ha st s r ，b l a d en u m b e r , c h o r dt od i a m e t e rr a t i o ， v a r y i n go f p i t c ha n g l e s ，a n dt h ep o s i t i o no f b l a d es e l f - p i t c h i n ga x i s 、t h ep r i n c i p l e s f i l e t h o d sa n dr e s u l t so ft h el n f l u e n c eb yt h e s ep a r a m e t e r sa r es u n u n a r i z e dw i t h r e s p e c t s t ob l a d ea n dr o t o r si n s t a n t a n e o u s f o r c e s ，r o t o r sa v e r a g e df o r c e s ， t u r b i n e sp o w e rc o e f f i c i e n ta n df r e ev o r t i c e s d i s t r i b u t i o n s ap r e l i m i n a r yr e s e a r c h o ft h eb l a d es e c t i o n si n f l u e n c eo nt u r b i n e sp e r f o r m g n c e si s p r e s c r i t e dt o o a l l t h e s er e s u l t sa r ei m p o r t a n tb a s e sa n dr e f e r e n c e sf o rt h et u r b i n e s p r i n c i p a l p a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，v a r i a b l e p i t c hm e c h a n i s md e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：v e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n e ；v a r i a b l e p i t c h ；t u r b i n eh y d r o d y n a m i c s ； d o u b l e 。- d i s km u l t i - - s t r e a m t o b em o d e l ；v o r t e xp a n e lm e t h o d ；t i d a l e n e r g y ；t s r ( t i pt os p e e dr a t i o ) 坚垫塑鎏变丝堡坐垫丝些! ! 堡丝皇塞墼! i 室 主要符号说明 水轮机转子直径，叶片轨迹圆直径 转子半径，叶片轨迹圆半径 叶片展长 叶片弦长 叶片转轴到叶片前缘的距离 叶片转轴到叶片尾缘的距离 摆线式水轮机的偏心率 轮机主轴的中心；全局坐标系坐标原点 叶片自转转轴中心；局部坐标系坐标原点 叶片自转转轴中心在全局坐标系下的坐标 全局坐标系 局部坐标系 叶片数 叶片方位角 叶片偏角 叶片倾角 叶片几何攻角 时间 无穷远处的来流速度 叶片合速度 叶片合速度在全局坐标系z 轴和y 轴的分量 叶片合速度在局部坐标系z 轴和y 轴的分量 叶轮旋转角速度 叶片自转角速度 流体密度 流体运动粘性系数 叶片受到的升力 v 一。r。c g仁。吼一呼z。妒声。，嘲。q尸，。 哈尔演二 = 程火学博士学位论文 i i - _ _ _ _ _ _ l _ _ i ；_ _ _ i i i i i t i i ；i i i ；目_ i _ - l - _ _ _ l _ _ i i ；_ _ # _ i i i i z t时片受到的阻力 叶片自转轴心的力矩 只，e 叶片弦向受力和法向受力 只。只转子受到单令口 片蛉切岛力秽径囱力 f t转子受到单个时片的稚力和侧向力 q 单叶片对对转子的转矩 t ，咒转于受到的平均攘力和平均侧向力 q转予受到的平均转矩 p 水轮机的平均功率 f 叶片密实度 冀。t s r时炎遽眈 瓦合遮度系数 季弦长赢径比 夏时片鑫转辖蹬懿缘距离弦长阮 r e c 弦长雷诺( r e y n o l d s ) 数 g时片升力系数 e 、时片阻力系数 o 叶片对自转轴一l - , 的俯仰力矩系数 尹、f 叶片弦向受力系数和法向受力系数 霉，霉 单时片对转子镯彝箨霜力帮经蠢蒋爱力系数 g ，q单叶片对转子的摊力系数和侧向力系数 c j 单叶片对转子的转矩系数 g单叶片靛l 量糕瑶率系鼗 e ，c 。转子所受的平均摊力系数和侧向力系数 巴转子转轴受到的平均力矩系数 。东轮撬麓平鸯筏爨剥薅率袭数 第4 章： 文，4 ，a ；， u 。，i 7d ，u 。 瀛管戡蠢、盘嚣处和下游黪逑滚嚣耪 流管上游、盘谢处和下游的流速 诱导速度 v i 竖轴潮流水轮机水动力性能理论与实验研究 a 诱导速度系数 刃，所 盘面迎流面和背流面的压强 矿 叶片合速度 吸， 流管上游盘面和下游盘面处叶片的合速度 口。， 流管上游盘面和下游盘面处叶片的攻角 m 。弹簧恢复力矩 弹簧刚度 ， 叶片对自转轴的转动惯量 流管的位置角 修正几何攻角 口。叶片几何攻角 零升力攻角 f c 叶片厚度弦长比 总速度势 扰动速度势 物面上的点在局部坐标下的矢径，尾涡的矢径 物面上点的单位法向量 中弧线的弧长 边界层的厚度雷诺数和流向雷诺数 形状参数 边界层位移厚度和动量损失厚度 沿叶片边界的曲线坐标 波尔豪生参数 流体动力粘性系数 分离点在弦线上的投影距叶片前缘的距离 新生尾涡位置参数 分离涡量折损系数 机翼参考点的平动速度矢量 机翼参考点的平动速度分量 啤 。 船 阳， 咿u 第lelq船h矿“_r呻 哈尔滨_ ：i _ ：程大学博士学位论文 殴选器痿外的速度 k 折台灏率 d ，y s 源汇密度、附着涡线密度 ，0附整涡总强度、懋涡总强度 凡，扎菜时间步的尾满强度和分离涡强度 c 。机翼裘面压力系数 d ，钉，k摩擦隈力、摩擦融力系数和摩擦剪应力 v 珏i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在学烬鲍指导 下，幽作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引孀已在文孛摆密，并与参考文献耀对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人威集体已 经公开发表黪作最成果。对本文熬研究徽爨重要贡献憝个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声爨粒法鐾结果麦本人承担。 作者( 签字) 三二二没每磊 日期：7 0 0 6 年；月 凝述 第1 章缮论 潮流发电水轮机是潮流能开发和利用的关键水动力构件，其构成主要包 括差轻、叶片1 隧及捐关的连接殿控制极橡等。其结构形式有横轴鼗和竖轴式 两种，前者的主轴水平放置，躐常和水流的方向平行，叶片展向羲童于主轴； 而后者的主轴垂直于水面，并鼠和来流的方向垂直，叶片展向平行于主轴。 e 对于横轴承轮极，竖轴潮流z k 轮楗启动方便，对承深要求不离，工作时不 受来流方向改变的影响，控制机构相对简单，而且效率较高，凼雨褥到广泛 的关注和研究。 竖轴潮流发毫水轮机通常安装在一载体平台( 例如船体“”、浮疆或浮篱 。“) 的媾部或葡鬣体5 “一起沉入永底，它由一组 率囱水中并绕巢一垂直承 面的轴线作圆周运动的叶片组成，该组叶片在水流推动下绕转子主轴转动， 著通过主轴传动带动发电枫发电，将潮流动能转换为电能。按照时片运动方 式的不闻，竖轴潮流永轮丰蔑可分为变攻角式( v a r i a b l e - p i t c h ) 和醚定编角式 ( f i x e d - p i t c h ) 两种，前者的叶片在绕主轴转动过程中还能够以一起的规律绕 自身的转轴转动，而后者的叶片和轮辐固定在一起，趣身不能转动。变攻角 灞流水轮辊霹使在流速较毵时激有莨好静鑫痿动注巍，丽虽能量蒯糟率较高， 特别是中低速比时的效率也不低；而叶片固定式水轮机结构简单，系统稳定。 由于竖轴水轮机这些独特的工作特点和性能，人们对它的理论和实验研 究不瑟进行，并取褥了许多重要或莱。在簿论毒拜究方舔眈较著名鞠有嚣穰廷 的p o n t a l ”“，意犬利的c a m p o r e a l e 1 ，c o i r o 州，同本的a k i n o r i m m ”，y a s u o 3 等。在实验研究方面有英国的s a l t e r “”“”1 ，意大利的c o i r o 。，阿根廷的 p o n t a “，露本醵k i h 0 8 ”，a k i n o r i ”“，漠大剥受豹g o r l o v ，热拿大的b l u e e n e r g yc a n a d ai n c “，瑞典的n i l s s o n ”3 ，s e g e r g r e n 3 等。 在豳内，上世纪8 0 年代，哈尔滨工穰大学船舶工程学院率先开始了竖轴 灞漉发堍水轮撬的疆论纛实验奄鼙窕工捧。1 9 8 3 年，强吾超等人完成了弹簧控 制攻角真叶片水轮机的实验和理论研究“”。1 9 8 4 年，马庆位在朱典明教授 哈尔滨工程大学博士学位论文 的指导下完成了竖轴摆线式水轮机的性能实验和理论分析”1 。1 9 8 6 年开 始，朱典明教授等人陆续进行了7 0 k w 潮流实验电站的建设、实验等工作”1 。 2 0 0 0 年，张维新完成了蹼板式水轮机的理论和实验研究“。2 0 0 2 年，张桂湘 进行了摆线式和蹼板式水轮机的理论计算研究”。2 0 0 4 年，张亮教授指导完 成了弹簧控制式竖轴直叶变攻角水轮机的模型实验，取得一系列成果。 1 2 竖轴潮流水轮机相关理论研究进展 竖轴水轮机的流体动力特性理论计算方法最早根源于一些竖轴推进装置 的流体动力计算模型，例如2 0 世纪5 0 年代，德国的i s a y “7 3 提出的针对 v o i t h - s c h n e i d e r 推进器的二维势流方法、日本的谷口中。8 3 提出的针对竖轴摆 线推进器的准定常流动模型等；而其最直接的来源是2 0 世纪7 0 年代发展起 来的竖轴风机例如d a r r i e u s 风机的性能计算和预报方法。根据这些方法 所依据的理论基础，可以把它们分为两大类：一类是基于动量定理的方法， 另一类是基于旋涡理论的方法。 1 2 1 基于动量定理的方法 1 9 6 0 年，谷口中提出了准定常模型，用来求解竖轴摆线式推进器的水 动力性能。他假设在转子运动的空间范围内，叶片诱导速度的方向与来流一 致，其分布沿弦长和轨迹圆是均匀的。为了计算这个诱导速度，他利用动量 定理建立了一个补充方程，并在此方程中加上一个实验修正系数。他的方法 被用来预报摆线推进器的水动力特性，在中等速比时，可以得到与实验相符 的结果。这种方法忽略了速度的不均匀性和侧向诱导速度，在理论上有一定 的缺陷，但是他利用动量定理的补充方程来求解诱导速度的方法，是具有一 定启发性的。 1 9 7 4 年，t e m p l i n 提出了基于动量定理的单盘面单流管模型。”( 威月2 塘 s t r e a m t u b e m o d e l ) ，用来计算竖轴风力机的流体动力特性，该模型是后来 各种动量定理流管模型的基础。其基本思路为：沿流向作一个流管包围整个 叶片运动盘面( a c t u a t o r d i s k ) ，假设诱导速度沿盘面均匀分布，将所有叶片 经过流管上游半区和下游半区的作用力之和作为该流管上的外力，应用动量 定理建立联系这一外力和流管动量变化的方程式，从而求解出诱导速度，然 后计算转子的流体动力。s u l l i v a n 和l e o n a r d 把该方法排成了计算机程序，计 第1 章绪论 算了竖轴d a r r i u e s 风力机的载荷，结果证明这种方法在低速比和低密实度情 况下，预报风力机的整体流体动力性能是可行的9 。这种模型相对简单，但 是不能反映转子作用盘面范围内上游区域和下游区域以及垂直于流向不同位 置处的流动参数的变化，因此是一种比较粗糙的方法。 为了改善t e m p l i n 的单盘面单流管模型，2 0 世纪7 0 年代中后期发展起来 了许多复合流管模型。其中著名的有1 9 7 5 年s t r i c k l a n d 提出的单盘面多流管 模型“( m u l t i p l es t r e a m t u b e m o d e l ) ，该方法在单盘面单流管模型计算诱导 速度方法的基础上，将转子作用盘面沿垂直于来流的方向细分多个独立微流 管，每根流管都和来流方向平行，流管截面上的诱导速度均匀分布，并且对 每个流管单独运用动量定理来求解诱导速度和流体动力。这一方法比单盘面 单流管方法更合理一些，它考虑到了垂直于来流方向上流动参数不同的影响。 1 9 8 2 年，p a r a s c h i v o i u 提出了双盘面多流管模型”1 ”1 ( d o u b l e - m u l t i p l e s t r e a m t u b e m o d e l ) ，这一方法采用同单盘面多流管模型相同的流管细分方 法，在转子盘面处沿垂直来流的方向细分多个独立微流管，不同之处在于， 该模型将每根流管的上游区域和下游区域分开处理，并将上游流管的出流速 度作为下游流管的来流速度，分别建立动量方程并独立求解上下游的诱导速 度，这样既考虑到了垂直于来流方向流动参数的不同，又考虑到了转子作用 盘面上游对下游的影响，提高了计算的准确性，但该模型假设同一盘面的各 个微流管的诱导速度都相同，没有考虑到同一盘面中不同流管诱导速度的差 异。1 9 9 0 年，s h a r p e 也提出了一种双盘面多流管模型“1 ，和p a r a s c h i v o i u 的 方法不同，s h a r p e 不仅假设每根微流管上下游的诱导速度不相同，而且假设 同一盘面不同微流管的诱导速度电不相同。同时，s h a r p e 对流管的扩张效应、 叶片的非定常运动效应等方面做了大量修正，使得该模型更趋完善。 基于动量定理的流管模型在一定速比、密实度和载荷范围内能够有效地 预报和计算转子的总体流动性能，例如能量利用率一速比特性、流速一转速 一功率特性等，而且多流管模型能够计算流场的某些细节，例如上游盘面对 下游的影响。这些方法简单快捷，比较方便工程应用，因此近年来在竖轴风 力机以及竖轴潮流发电水轮机的性能预报上得到了广泛的应用和发展。 1 9 9 6 年，意大利的c o i r o 在k o b l o d 竖轴水轮机的设计和实验过程中， 采用双盘面多流管模型预报其水动力性能”“。1 9 9 9 年，意大利的c a m p o r e a t e 和m a g i 采用单盘面单流管模型计算了一个偏心率大于1 0 的摆线式竖轴水轮 哈尔滨工程大学博士学位论文 机模型的水动力性能”，包括能量利用率和叶片载荷等，这一模型水轮机运 转的速比范围很小，因而其计算结果和实验符合得很好，这说明流管模型在 小速比范围内是很有效的。2 0 0 1 年，张亮和英国的s a l t e r 用流管模型计算了 - - 7 0 0 设计中的大型力矩控制式变攻角竖轴潮流水轮机的水动力性能”“。 针对动量定理流管模型的修正方法也很多，较早的有p a r a s c h i v o i u 等人 对流管扩张效应的修正4 8 “。其它的修正方法有对计算中采用的翼型升力系 数、阻力系数和力矩系数实验值的修正，例如对叶片动态失速的修正以及考 虑叶片展弦比影响的修正。p a r a s c h i v o i u 和d e s y ”“以及c a m p o r e a l e 和m a g i 。1 在其计算中都采用了g o r r n o n t 的b o e i n g v e r t o l 动态失速模型”“，来修正叶 片升力系数和阻力系数：p a r a s c h i v o i u ，e ta l ”分析了叶片展弦比和动态失速对 性能计算的影响等等。 2 0 0 2 年，张桂湘在其硕士论文里总结了基于动量定理流管模型的计算方 法。，并针对这些方法在摆线式水轮机性能计算中的应用，对动量定理方程 做了两种修正，这两种修正方法都来自于朱典明教授在摆线推进器水动力计 算中的方法“，其一是对叶片曲线运动轨迹和旋转效应所做的修正，这一方 法是通过有效攻角的改变来修正叶片绕自身的旋转效应；其二是对动量损失 的修正，这种方法同谷口中准定常模型中的实验修正方法”思路一样，在动 量方程式中乘以一个动量损失系数，只是这个系数的耿值有些改变。关于这 两种修正方法的具体内容可以参看文献 2 4 、 2 6 、 d 4 和 4 5 。 基于动量定理的流管模型在竖轴水轮机水动力性能计算中的应用已经表 明，在密实度和速比不大的情况下，该方法能够方便快捷的预报水轮机的总 体能量利用率和推力等性能。但是这种方法也有一些不足，首先不太适用于 计算较高速比、较大密实度和载荷情况下的水轮机性能。在许多情况下，当 速比增大到一定值时，动量方程就会发散，而得不出解，这是动量模型的不 足之处，而且关于这一问题的原因还有待研究，详细讨论可以参见文献 3 5 和 4 6 ；其次动量定理模型忽略了垂直来流方向的诱导速度，模型本身有一 定的缺陷，这样在求解转子侧向受力时有一定的困难；另外基于动量定理的 模型在预报转子和叶片的非定常性能和瞬时载荷方面有一定的困难。 1 22 基于旋涡理论的方法 1 9 7 8 年，w i l s o n 提出了v o r t e xs h e e t 模型“7 “，来求解g i r o m i l l 风力机 着满片分涮布置在转子叶片鞔迹黼豁上游半圆弧和下游半藩孤上，束代替无 限多的叶片，并且使涡量守恒；而尾涡则用9 0 。和2 7 0 0 方位角处的两条无限 长的平行于来流的常值涡线来代替，其强度可以通过9 0 。和2 7 0 0 方位角处附 着满片强度鲍改变、转子转运黍l 蓬漏腚渣逮发来确定；缓蜃写出了糟附着满 强度和诱导速度表示的转子流体动力性能的基本表达式。由于该模拟只建立 了诱导速度和附着涡强度的关系式，无法确定它们的具体值，所以只能得到 转子妻圭麓鹩极限值， j i 置这一掇袋篷稻b e t z 葫量定瑾豹援疆篷是一致静。虽 然如此，但是这一模型是后来许多旋涡理论模型的基础。 1 9 7 9 年，s t r i c k l a n d 等人提出了t z d a r z 模型“”。这一模型也是基于升力线 理蘧，褥叶片港疆自分为多个夸 段，在每一小段叶片的中弧线上 布置一条附着涡线来代替该段叶 胃。壶予辩着涡大小豹交 乏，将 脱泄出展向尾涡，尾涡的强度等 于附着涡强度的改变。将尾涡用 离数静鑫囊满线栽骛，剿辫着涡 和离散尾涡的强度满足k e l v i n 的 涡量守恒定理，可表选为 f ? 1 + f 梦= f 梦。 罄1 ，2 拜片莰辩辩着滤和离散麓满 f i g12v o r c e xs t m c m r ef o rab l a d ee l e m e n t 其中：聪1 一第1 时间步的尾涡强度 r 芦、r 芦“一第t 和一1 时间步的附着涡强度。 盱片单元貔辫萋涡鞫蓬涡静结构翔国1 2 艨示。为了求零分布涡麴强凄， 需要 充时片相对速度k 和附着涡强度。的关系式。s t r i c k l a n d 等人提出了将 单位展长叶片所受的升力和叶剖筒升力系数联系起来k u t t a 条件，该方法可 哈尔滨工程大学博士学位论文 以表达为： 1 r ，2 寺t c 其中：c叶剖面升力系数的实验值 c 一叶剖面的弦长 这样就可以求出附着涡和尾涡的强度，而流场中各点的诱导速度可根据 这些分布涡的强度和位置由毕奥一萨伐尔定律得到，叶片载荷和转子性能也可 以相应的求得。 s t r i c k l a n d 等人的v - d a r t 模型是在1 9 7 5 年l a r s e n 的计算模型、1 9 7 6 年f a n u c c i 和w a i t e r s 的模型。”以及h o l m e s 的模型5 2 和1 9 7 8 年n g u y e n 的模 型。5 ”的基础上发展和完善起来的一种自【 | ； 涡模型( f r e e w a k ev o r t e xm o d e l ) ， 它的主要改进有：( 1 ) 通过和升力系数相联系的k u t t a 条件，将叶片失速考虑 进计算模型，使得叶片载荷计算更准确；( 2 ) 叶片展向分段的计算方法使得该 模型可以用于三维计算和具有曲线形状叶片的竖轴风力机的流体动力计算； ( 3 ) 不再固定尾涡的形状，是一种非定常计算模型。 这种模型需要实验数据提供叶片剖面升力系数，而转子转动过程中叶片 实际的非定常运动形式和模型实验中叶片的运动形式有可能不相同，因此二 者的环量不应相同，叶片z l y j 压, 力分布也不同，这样导致叶片瞬时受力的计 算不准确。针对于此，w i l s o n 等人提出了哥十改进的自由涡模型“，他们采 用保角变换的方法，通过尾缘k u t t a 条件来得到附着涡强度，通过叶片表面 压力积分或者复势的解析结果来求解受力。这种方法不需要翼型的实验数据， 但没有考虑叶片失速的影响，而且是一种二维方法。 1 9 8 4 年，马庆位提出了一种旋涡理论模型3 。该模型的基础是w i l s o n 的v o r t e x s h e e t 模型，即用无限叶数的水轮机来代替实际水轮机，用附着涡层 来代替叶片，用和来流方向平行的直线自由涡层来代替尾涡，但是放弃了涡 层强度在不同方位角处都相等的假设和只有9 0 。和2 7 0 。方位角处的两条尾涡 的假设，而是将附着涡层和尾涡层都表达成方位角的连续函数。这样当水轮 机稳定工作时，附着涡和尾涡强度都将只跟方位角有关而和时间无关，而且 具有周期性。最后只要求解出分布涡的强度，就可以求解出诱导速度和叶片 载荷以及水轮机性能等参数。为了求解分布涡的强度，马庆位也采用了同 v - d a r t 模型相同的k u t t a 条件，将附着涡的总强度和叶片翼型升力系数联系 第1 章绪论 起来。然后将黠蓉溺屡分布函数襄尾涡屡分森函数都表达成有陨硬约缚里时 级数，借助于旋涡理论可以导i _ j 轨迹圆上的诱导速度关于涡分布函数的解析 表达式。应用二维升力线理论建立起关于涡分布函数的方程，取一系列控制 点并剥用最小二乘法将该方程转佳为非线性方程组，邂过选代求瓣这个方程 组，解爨涡分布豳数，即可褥潮分布涡的强度。同时，马庆位还采用了朱典 明在摆线推进器的理论计算中使用的方法”，对叶片的曲线运动轨迹和叶片 旋转的影响进行了修正。 d v a n d c n b e r g h e 和e d i c k 在1 9 8 7 年提出一个与二述方法类似的旋涡模 型”。在他们的方法中不再将有限叶 数的水轮机化为无限叶数的水轮机来 楚瑾，德们将尾流静一定区域避行分 格，将位于单元格内的尾涡丝离散到 单元格的四个节点上进行计算，尾涡 丝戆经豢垂它所在赢当遣匏流体速度 确定。在计算叶片受力的时候潜虑了 动态失遴的影响。对于大展弦比叶片 风力撬翡诗算是令人满意的。 图13f e v d 2 r m 模型的不同计算区域 f i g 1 3f i n i t ee l e m e n tm m l y s i sa f e aa n d m a c r o = t o o d e l8 蕊o f f e v d t m 2 0 0 1 年，p o n t a 和j a c o v k i s 提出了一种将自由涡模型和有限元分析结合 起来的分区计算模型一f e 阳埘模型。“”1 。这种模型将计算区域分成大小重 叠瓣嚣部分，麴嚣1 3 绣示，小的诤箨区域惫廷翻片教其瘸圈戆滚缎，丈豹 计算区域包括整个轮机叶片所在的区域。具体计算时，在大的区域中采用和 s t r i c k l a n d 的v - d a r t 模型相似的自由涡模型进行计算；而在叶片周围的小区 域蠹采耀有限元方法诗算。莲造大区域的窭壹涡模型诗舞撰到，、涎域签透器 上的速艘和压力等物理量，作为小区域有限元分析的外边界条件，再加上小 区域的内边界条件，可以求解出小区域的流场；沿叶片边界对速度进行曲线 积分可以褥至l 难着溺强度，羯这一强度在大区域孛重耨送彳亍垂出溺攘型鳃诗 算得到新的小区域外边界条件；如此迭代赢到各物理鼗收敛后，褥进行叶片 受力的计算。计算受力的时候，考虑到粘性的影响，该模型假设叶片边界层 内为爱漉，运餍卡f l 动量积分关系式计算了边器层黪簿寝势布，并攥藏诗算 了叶片鼹到的摩擦黼力。这模型虽然复杂，但是能够比较准确地预报叶片 的瞬时骚力。由于在小区域的计算中采用的是环量守悔的l a p l a c i a n 方程 哈尔滨：翻l 大学博士学位论文 。“，该方法只邋用于计算豳定攻角水轮桃匀速转动过程中的性能。 近年来还菱震越来了一些新豹基于旋涡理论方法和其它数值诗算方法嚣 模型，例如f e m a n d o 等提出的离散涡( d i s c r e t ev o r t e xm o d e l ) 模型”“以及 l a d o p o u l o s 提出鲍n o n 1 i n e a r s i n g u l a r i n t e g r a t 方法。”等等，关予这些方法 的公开资辩较少，其讨+ 算效栗述有待于道一步的研究。 1 3 竖轴潮流水轮机实验研究进展 竖轴潮流水轮机的实验研究开始于2 0 址纪7 0 年代中后期，公开的资料 中比较著名的有1 9 8 4 年马庆位的文献。“，其中给出了不同偏心率( 0 2 ，0 4 ， 0 6 ，0 8 ) 秘密实度麴摆线式承辍班鲍能量铡嗣率性能越线，鞋及时蔑载萤趣 线，分析了密实度对水轮机性能的影响。1 9 8 4 年孙百超等进行了弹篱调节攻 角的直时片水轮机实验研究。，给出了水轮机能量利用率系数曲线。1 9 9 8 年 c o i r o 在文献 2 中分绍了k o b o l d 竖辘潮流越( 轮极鲍实验磺究憾况，绘出 了不同密实度的k o b o l d 轮机的功率一转速瘟线，其中叶片数有2 叶和3 叶两种。1 9 9 9 年c a m p o r e a l e “”进行了偏心率大于1 0 的摆线式水轮机的模型 实验，发表的数据镪挺能量利用窭一速比蛙艇蛙线和叶片靛载赫热线，叶片 数有4 时和5 时两种。2 0 0 2 年，朱典羁等“给出了7 0 k w 潮流实验电站的测 试数据，包括不同流速下的功率一转速曲线以及轮机的载荷等。 此外，日本的k i h o “、a k i n o r i “”“、澳大列亚的g o r l o v “、趣拿大蛇 b l u ee n e r g yc a l l a d a 狲“、瑞典的n i l s s o n ”稻s e g e r g r e n 等也都做过竖轴潮 流发电水轮机相关的实验研究，但是公开的数据还比较少。 。4 本文懿圭要工终 通过对国内外研究进展情况的分析和讨沧，本文将在以下几个方面对竖 轴潮流承舱桃骰进一步蛉研究： 1 ，掇据竖轴潮流水轮机的工作特点，建立描述水轮机水动力憔能的参数 模型，据此分析水轮机性能的影响因素。鉴于前人采用的描述竖轴水轮机水 蘸力性能黪参数直接墩皇竖轴撵遴爨的相关参数，两鼹毒工蠖特点并不完全 相同，鲁皴一些性能分析和比较不太方便，本文将建立鼹直接的、适用千水 轮机性能描述、分析与对比的参数模型。 籍l 章绪论 2 分援和对比各秘变攻角东轮机叶片运秘控毒枫构的工 # 方式鞠特点， 进行弹簧控制式变攻角水轮杌的设计和模受实验，分析箕水动力性能和影响 因素，检验叶片控制机构的可靠性和效果，为性能更好、工作更可靠的叶片 控泰9 规构的设计提供依据和参考。 3 校糕动量定瑷鹱理，建立分板承轮椭水动力性能的双盘面多流管模 型，通过对流管扩张、非定常效应的修正，使计算方法熙完善。 4 ，利耀非定常藤元法，以单个叶片非定常运动数值计算方法为蕊础，建 立多叶片嚣定常运动的漏蟊元法模型，分褫多令叶片共圈运动时的叶片与尾 涡以及叶片与叶片之间的干扰效应和叶片载荷特性。 5 ，考虑到水轮机工作速比较小时，时片攻角变化范围大的特点，建立分 嵩流动模型，模 ： f 滚葫分离对承转祝性姥静影响，使计弊踅其合理穗。 6 通过具体算例检验涡面元法模