（流体力学专业论文）弹簧控角竖轴直叶水轮机水动力性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 r i 摘要 本文着重阐述了一种新型的潮流发电装置弹簧控角竖轴直叶水轮机 的工作原理和试验研究过程。目的是比较和研究这种水轮机的弹簧控制机构 对性能的影响，并探索这种新型水轮机水动力机理，为潮流水轮机的选型、 水动力性能设计以及潮流电站的总体设计奠定基础。 首先介绍了弹簧控角竖轴直叶水轮机的试验装置和三种试验模型，详细 阐述了针对水轮机各种结构参数的试验方案以及技术实现手段，并介绍了试 验过程。 然后，根据一系列模型试验的结果，整理出弹簧控角竖轴直叶水轮机的 水动力性能数据，以理论和试验分析为基础，探讨三种弹簧控制机构在性能 上的差异，分析包括水轮机密实度盯、弹簧刚度置、叶片摆动轴心的位置和 叶片的摆动角度范围等结构参数以及导流装置对水轮机水动力性能的影响。 基于双盘面一多流管方法构建数学模型，分别使用试验中总结的水轮机 叶片运动规律和计算求得的叶片运动规律进行水动力计算，并与试验结果进 行比较。 最后，使用b o r l a n dc + + b u i l d e r 可视化程序开发环境对直叶水轮机的水 动力性能计算程序进行可视化程序开发，为今后的水轮机水动力性能计算提 供帮助。 关键词：竖轴水轮机；水轮机水动力；潮流能；弹簧控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i lt h i s p a p e r , t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o i lt h en e w l y d e v e l o p e de q u i p m e n t o fr e n e w a b l et i d a l c u r r e n t e n e r g ys p r i n g - c o n t r o l v e r t i c a l a x i sv a r i a b l e - p i t c ht u r b i n ei sp r e s e n t e d m u c ha t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h e c o m p a r i s o na n ds t u d y i n go ft h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h r e ek i n d so f t u r b i n e sa n df o c u s e do nt h ep r o b i n gi n t ot h eh y d r o d y n a m i cm e c h a n i s mo f t h en e w t u r b i n e a 1 lo ft h e s ea r et h ei m p o r t a n tb a s eo ft h es e l e c t i n go ft u r b i n e ，t h e d e s i g n i n go fh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h eg e n e r a ld e s i g n i n go fm a r i n e t i d a l c u r r e n t se n e r g yp l a n t a tf i r s te x p e f i m e n t a ld e v i c ea n dt h r e et e s tm o d a l so f t h et u r b i n ei np r e s e n t e d i tg a v et h ep a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no fe x p e r i m e n t a lp l a nw h i c hi sa i m e da tt h e p a r a m e t e ro f t h et u r b i n e t h e nb yd e a l i n gw i t has e r i e so fm o d a lt e s t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao n h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h et u r b i n ea r cc o n c l u d e d w ed i s c u s s e dt h e i n f l u e n c e so fs o l i d i t y ，s p r i n gr a t e ，t h ep o s i t i o no fb l a d es h a f t ，b l a d ea n g l ea r e a s a n dc h a n n e ld e v i c eo nt h ee n e r g yc o n v e r s i o nc o e f f i c i e n to ft h es p r i n g c o n t r o l v e r t i c a l - a x i sv a r i a b l e p i t c ht u r b i n e m a t h e m a t i c a lm o d a lb a s c do nd o u b l e d i s km u l t i s t r e a m t u b em e t h o da l e p r e s e n t e di no r d e rt oc a l c u l a t et h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h et u r b i n e i n c h d i n gt w ob l a d ek i n e t i cr u l e s o n ei sb a s e do i lc a l c u l a t i o nr e s u l to fc o n t r o l l i n g g e a r ；t h eo t h e ri st h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e nc o m p a r et h er e s u hw i t i c hi s c a l c u l a t e db yt w om e t h o d s 诵t he x p e r i m e n t a ld a t a 。 a tl a s tw eu s e db o r l a n dc + + b u i l d e rp r o g r a mt od e s i g nh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c ep r o g r a mo fv e r t i c a l - a x i sv a r i a b l e - - p i t c ht u r b i n ei n o r d e rt o h e l p h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no f t h et u r b i n ei nf u t u r e k e yw o r d s ：v e r t i c a l a x i sv a r i a b l e - p i t c ht u r b i n e ；t u r b i n eh y d r o d y n a m i c s ；m a r i n e t i d a l - c u r r e n te n e r g y ；s p r i n g - c o n t r o l 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，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：l 垒篮 日期：枷年。月严日 第1 章绪论 1 1 本文的目的和意义 海洋能是一种清洁的可再生新能源。合理的开发和利用海洋能是解决2 l 世纪能源短缺和环境恶化的战略决策，因此当今世界各主要海洋国家普遍重 视海洋能的开发利用，加大了投入力度。在高新技术发展的支持下，目前潮 汐能利用的技术已经非常成熟，进入了商业应用：波浪能开发利用技术日趋 成熟，规模逐渐扩大，已接近商业化应用阶段；潮流能利用的研究和技术发 展的步伐明显加快。在我国，虽然近3 0 多年来在海洋能的开发利用方面取得 了较大的发展，但是由于经济实力和科技投入的不足，与世界先进水平相比， 仍有很大差距。为适应我国特别是沿海地区经济和社会可持续发展的要求， 目前，不论是国际海洋能科技发展的大环境，还是我国已具备的经济和技术 基础，都是加快我国海洋能开发利用的最好时机。为此，认真研究世界海洋 能开发利用的技术现状和发展趋势，总结我国已有的技术和存在的难点，提 出对策和解决办法，对促进我国海洋能科技的发展和海洋能开发利用，是很 有意义的。 在海洋能的开发和利用中，波浪能和潮海流能开发利用的主要关键技术 之一是能量转换装置水轮机的设计。因为波浪能和潮( 海) 流能的能流 密度比较低，普通潮流发电水轮机的能量利用率也不高，这样使得发电的效 率很低。而水轮机的形式及其相应的水动力性能也就成为水能转换的核心技 术，是研究和探讨的重点。现在处在试验与研究阶段的变攻角水轮机有摆线 式水轮机和蹼板式水轮机以及本文所研究的弹簧控角式水轮机等竖轴可调角 直叶水轮机。此类水轮机的设计和水动力性能计算也就成为波浪能和潮海流 能开发利用研究的重要内容。 本文的工作目的是通过试验的方法，结合试验结果的分析与理论方法的 计算，对弹簧控角竖轴直叶水轮机的水动力性能进行探讨研究，着重于通过 试验研究获得一种性能优良的弹簧控角竖轴直叶水轮机的结构形式，并以试 验为基础兼之理论计算，分析水轮机的各种结构参数对其水动力性能的影响， 特别是对水轮机能量利用率的影响；在通过分析试验中采集到的叶片运动规 哈尔滨工程大学硕士学位论文 律的数据，总结出水轮机运动过程中叶片的真实规律，希望对以后弹簧控角 水轮机的设计提供依据；另外，本论文还将探讨水轮机的导流装置对水轮机 水动力性能的作用。以上讨论内容对于水轮机的选型、水动力性能设计以及 潮流电站的总体设计具有重要的理论和实用价值，这也是提高水轮机发电效 率，加快其实用化进程及推广普及的有益尝试。 本文的工作是国家“十五”8 6 3 计划项目“4 0 k w 座海底式潮流能独立发 电系统”研究工作的一部分。 1 2 水轮机性能研究综述 五十年代，德国的i a s y 提出了摆线式推进器的二元势流理论。后来，美 国的h a b e r m a n 把i a s y 的方法排成计算机程序进行了数字计算，并与试验结 果进行了比较，指出该方法不能满意的预报推进器的性能。 六十年代，日本的谷口中提出了准定常流动模型，假设在叶片运动的整 个空间内，诱导速度的方向与来流一致，其分布是均匀的。为了计算这个诱 导速度，他利用动量定理得到一个补充方程，并在此方程中加上一个经验修 正系数。他的理论被h a b e n n a n 验证，用以预报推进器的水动力性能，在中 等进速系数时，可以得到与试验相符的结果。尽管如此，该方法由于忽略了 诱导速度的不均匀性、侧向诱导速度以及叶片自身转动带来的玫角误差，在 理论上存在着较大的缺陷。 1 9 7 3 年，美国的m r m e n d e n h a l l 和s b s p a n g l e r 提出了计算摆线式推进 器的二元环流理论的非定常模型，克服了谷口中方法中的不足，并取得较好 的结果。但是，在当时的计算机条件下，该方法的计算工作量是相当大的。 1 9 8 0 年，朱典明教授对谷口中方法进行了改进，得到很好的结果。并首 次将改进后的方法用于可调角直叶摆线式水轮机的水动力性能计算，其结果 与试验值较接近。该方法中关于诱导速度的处理与谷口中方法基本相同。 1 9 8 4 年，马庆位在其硕士论文中进一步对可调角直叶摆线式水轮机的性 能进行了计算。在计算诱导速度方面，放弃了原来的动量定理方法，力求用 旋涡理论进行计算。并做以下考虑：用无限叶数的水轮机代替有限叶数的水 轮机以得到旋涡分布，把这样的旋涡分布假设为连续函数，并用三角级数表 示之。借助于旋涡理论可以导出诱导速度关于涡分布函数的解析表达式。应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用二元升力线理论建立起关于涡分布函数的方程，取一系列控制点并利用最 小二乘法将该方程转化为非线性方程组。通过迭代求解这个方程，就可以得 到涡分布，从而确定诱导速度。将上述计算模型编制成计算机程序，将计算 结果与试验结果进行了比较。 1 9 9 9 年，意大利人s e r g i om c a m p o r e a l e 和v i n i c om a g i 基于动量定理的 方法研究了偏心率e 1 0 时的情况。 2 0 0 2 年，张桂湘在硕士论文中对基于动量定理的方法包括s d s t 、d d s t 、 m t t 和涡理论方法( v t t h ) 做了比较研究和分析，计算了摆线式和蹼板式 水轮机的水动力性能，各种方法的比较研究还是比较粗略的。 2 0 0 3 年，汪鲁兵在其硕士论文中针对竖轴可调角直叶水轮机水动力性能 的各种计算方法进行了探讨研究，分别采用基于动量定理的流管方法和旋涡 理论方法( v t t h ) 进行了计算，并对计算结果进行分析比较。在此基础上， 运用最优化理论给出了改善和提高该种水轮机能量利用率的方法，建立了数 学模型，并得到了计算结果。 1 3 弹簧控角竖轴直叶水轮机机构简介 目前，广泛试验和研究的潮流发电水轮机从结构上看可分为水平轴和竖 轴水轮机两种。相对于水平轴水轮机，竖轴水轮机不受来流方向变化的影响， 具有较好的启动性能和较高的能量利用率，因而得到更广泛的应用。根据竖 轴水轮机的叶片安装形式，该种水轮机可分为固定叶片式和可变攻角叶片式 两类。它们的主要区别是：在工作过程中，前者的叶片仅绕水轮机的主轴转 动，叶片自身固定不动；而后者的叶片除了绕主轴转动外还可以按某种规律 绕自身的轴线转动，本文所研究的弹簧控角竖轴直叶水轮机就属于这种可变 攻角叶片式水轮机。与竖轴固定叶片水轮机相比，竖轴变攻角水轮机( 如竖 轴蹼板式水轮机和摆线式水轮机以及本文研究的弹簧控角竖轴直叶水轮机) 的启动性能较好，能量利用率较高。同时根据竖轴变攻角水轮机的水动力原 理，可以重新设计叶片的运动规律，这使得在某种规律下运动的叶片能吸收 更多的潮流动能，从而提高水轮机的能量利用率。 本文研究的弹簧控角竖轴直叶水轮机，对叶片的控制采用了三种弹簧控 制形式，分别命名为t h s l i 型、t h s l i i 型和t h s l i i i 型弹簧水轮机。其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中t h s b l 型水轮机通过在与叶片连接的钢管内安装拉簧，用拉动弹簧所产 生的恢复力矩对叶片进行控制；t h s l i i 型水轮机采用对叶片转动轮盘上的 摆杆加装弹簧以提供叶片转动时的恢复力矩；t h s l i i i 型水轮机则是通过直 接在连接叶片上下两个轮辐中加装弹簧顶销来取得对叶片转动的控制。 选取适当的水轮机导流装置也是此次试验的内容之一。水轮机的导流装 置通常由三个部分组成：导流罩的入口，用于加速来流速度：导流罩内的平 直通道，可以使来流稳定从而确保水轮机平稳的工作状态；导流罩的扩散口 用于调节来流速度。从导流装置的组成来看，导流罩的主要作用可以增加水 轮机的来流速度，并保持罩内速度的稳定性。 1 4 计算程序开发 竖轴定叶片轮机流体动力特性的计算方法源于对1 9 7 0 年发展的d a r r i e u s 风机性能的研究。一类是基于动量定理的流管模型，另一类是将叶片及其尾 迹表达为势涡模型。相对而言，流管方法简单快捷，便于优化设计。t e m p l i n 最早提出了单盘面单流管( s d s t ) 模型，沿流向作一个流管流过转子，转子 近似为一个盘面，利用转子受力等于流管动量的变化来确定诱导速度。由于 用单个盘面表达整个转子，这种模型不能反映转子纵向和横向流动参数的变 化，s t r i c k l a i l d 提出了单盘面多流管( s d m t ) 模型，将单个流管细分为多个 独立流管，以反映横向流动参数变化。p a r a s c h i v o i u 的双盘面多流管( d d m t ) 模型将转子上下游分为两个盘面，横向采用多个流管，提高了预报的准确性。 基于势涡理论的涡方法虽然复杂，但在预测叶片非定常载荷与转子尾流特征 方面具有优势。 竖轴可变攻角叶片水轮机比固定叶片水轮机诱导的流场更为复杂，叶片 随转子主轴转动的同时绕自身转轴摆动。朱典明首先将摆线推进器用作水轮 机情形，提出了一种修正的s d s t 模型，他在1 h i g u c h i 早期s d s t 模型的基 础上，引入叶片转动效应对水动力攻角的影响，计算了偏心率e l 时的能量系数。马庆卫则采用了一 种固定尾涡模型，假设水轮机为无限多叶片，尾涡系为半无限长直线涡，这 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种模型能考虑摆线水轮机转子尾流细节，但计算量大。另外，c o i r o 和张亮采 用流管模型分别研究了k o b o l d 和力矩控制式变攻角水轮机的水动力性能。 汪鲁兵在其硕士毕业论文“一种新型变攻角直叶水轮机水动力性能优化 研究”中分别使用两类诱导速度求解方法对竖轴可调角直叶摆线式水轮机进 行了计算。一是基于动量定理的流管模型得到的求解诱导速度的单盘面一单 流管方法( s d s t ) 、双盘面一单流管方法( d d s t ) 、多流管方法( f 兀) ； 二是根据势涡理论得到的求解诱导速度的旋涡方法( v t t h ) 。本文将以此为 基础，通过使用b o d a n dc _ 卜+ b u i l d e r 集成开发环境对弹簧控角竖轴直叶水轮 机的各种水动力性能计算程序进行可视化程序开发，对今后的水轮机水动力 性能计算提供方便。 1 5 本文的工作内容 本文对弹簧控角竖轴直叶水轮机的水动力性能进行了研究。通过分析对 比水轮机三种机构形式的差异，选出水动力性能最佳的机构模型：通过对试 验数据的分析，总结出各种结构参数的适应范围以及对水轮机水动力性能的 影响；通过分析叶片摆角的试验数据，总结叶片的真实运动规律，运用到程 序计算中去，并与原程序以及试验结果进行比较；归纳总结以往的各种计算 程序，对水轮机水动力性能预报的程序进行可视化开发。论文主要完成了以 下几方面的工作。 ( 1 ) 比较t h s l i 型、t h s l i i 型和t h s l - i i i 型水轮机水动力性能上 的差异，从中选出一种理想的弹簧控制机构，改善可变攻角竖轴直叶水轮机 的水动力性能； ( 2 ) 通过研究水轮机在各种状态下的水动力性能，总结归纳包括水轮 机密实度盯、弹簧刚度世、叶片摆动轴心的位置和限制叶片的摆动角度等结 构参数的适用范围。并分析其对水轮机水动力性能的影响； ( 3 ) 以试验数据为依据，分析两种水轮机导流装置对水轮机水动力性 能的影响： ( 4 )总结出水轮机叶片在水轮机运动周期中的真实运动规律，将叶片 的真实运动规律应用到双盘面多流管方法的程序中去，对水轮机的水动力性 能进行计算，并与原方法和试验结果进行比较： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 归纳总结以前的各种水轮机水动力计算程序，使用b o r l a n dc + + b u i l d e r 集成开发环境对水轮机水动力性能程序进行可视化程序开发，为今后 的水轮机水动力性能计算提供帮助。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章弹簧控角竖轴直叶水轮机的试验 弹簧控角竖轴直叶水轮机叶片的安装与水轮机的转动主轴平行，如图 2 1 所示，来流推动水轮机绕主轴中心0 转动，同时每个叶片又绕自身的某一 轴线0 l 旋转。叶片的弦线b c 和叶片所在位置处轨迹圆的切线a o 之间的夹 角伊称为偏角。当水轮机工作在不同 的水动力状态下，调整叶片偏角随叶 片位置改变时的变化规律，可以得到 每个叶片在不同位置处的受力以及 叶片对水轮机的中心矩，从而求得水 轮机的在这种水动力状态下的输出 功率等性能指标。 本章将从弹簧控角竖轴直叶水 轮机的试验入手，以从三种弹簧控制 叶片的水轮机模型中选出最优形式 为目标，并且针对此种水轮机的各个 ， 众 。f 虹， k 。夕 l 图2 1 水轮机叶片示意图 结构参数和水轮机外部的导流装置进行对比试验，最终得到较佳的弹簧控制 形式并总结出水轮机在最佳工作状态下的各种结构参数的适用范围。 2 1 研究的目的和内容 水轮机是潮流电站的核心装置，水轮机水动力性能的好坏，以及结构形 式的合理与否，直接影响到电站的总体性能和效益。弹簧控角竖轴直时水轮 机是一种新型水轮机，它属于竖轴变攻角水轮机，与竖轴蹼板式水轮机和摆 线式水轮机相比，能量利用率较高，具有很好的市场应用前景。 根据对叶片控制的弹簧机构的不同，本次试验所研究的弹簧控角竖轴直 叶水轮机共分为t h s l i 、t h s l i i 和t h s l i i i 三种类型。试验的主要目的是 通过测量水轮机的能量利用率，研究三种弹簧水轮机水动力性能的差异、从 中选择出性能最佳的弹簧控制机构。在此基础上，通过改变包括叶片控制机 构的弹簧刚度k 、水轮机的密实度a 以及导流装鼍的形式、叶片摆动轴心的 哈尔浜工程大学硕士学位论文 安装位置以及叶片的摆动角度范围等水轮机的结构参数，测量其能量利用率 的变化，从而确定各种结构参数对水轮机性能的影响范围。总结归纳水轮机 在较佳状态运行时的结构参数，以便在此基础上设计4 0 k w 座海底式潮流电 站。 此外，弹簧控角水轮机在工作中叶片的运动规律如何，与以前的摆线式 水轮机有那些差异，都需要进行试验来获得数据。 针对以上研究目的，我们进行的试验有以下内容： ( 1 ) 在相同的来流速度下分别对三种形式的水轮机进行试验，分析各种 形式在水动力性能上的差异： ( 2 ) 改变各种水轮机的直径和叶片数进行试验，研究密实度对水轮机水 动力性能的影响； ( 3 ) 针对t h s l - i 型水轮机，将叶片的摆动轴心安装在不同的三个位置 进行试验，通过分析对比获得叶片摆动轴心的最佳位置； ( 4 ) 针对t h s l - i i 型水轮机，选取两种刚度的弹簧并在不同来流速度下 进行试验，研究弹簧刚度对水轮机水动力性能的影响； ( 5 ) 针对t h s l i i 型水轮机，分别限制叶片的摆动限制角度进行试验， 确定叶片的摆动限制范围对水轮机性能的影响； ( 6 ) 选取两种类型导流罩，并先后加装导流后门，测试水轮机的能量利 用率，分析导流装置对水轮机水动力性能的影响； ( 7 ) 针对t h s l i i 型水轮机，在不同来流速度下采集水轮机叶片的摆动 角度，研究讨论这种弹簧水轮机叶片的摆动规律。 2 2 试验设备与装置 2 2 1 试验设备 试验是在船模拖曳水池试验室进行。将试验模型安装在拖车上进行拖曳 试验，可以很好的模拟出水轮机在潮流发电时的状态，在此基础上测得水轮 机工作时的各种水动力性能参数。 主要试验设备： ( 1 ) 船模拖曳水池： 长宽深= f 1 0 8 7 3 5 ) m 。 造波周期：0 4 - - 4 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 规则波波高最大值： 0 4 m 不规则波有义波高最大值：0 3 2 m ( 2 ) 拖车速度范围：o 1 6 ，5 m s 连续可调，车速稳定精度为o 1 。 ( 3 ) y d - 2 8 动态电阻应变仪； ( 4 ) j n 3 3 8 型智能数字式转矩转速测量仪； ( 5 ) 角度信号发射及接收装置： ( 6 ) 五分力测力天平，四分力测力天平； ( 7 ) 永磁风力发电机； ( 8 ) 增速系统 ( 9 ) 变阻箱一个、滑线变阻器若干； ( 1 0 ) 皮托管一个； ( 1 1 ) 计算机；d e l l 5 8 6 ； ( 1 2 ) 叶片弹簧四组； ( 1 3 ) a d 转换数据采集板h y 一8 1 型一只 2 2 2 水轮机试验模型 2 2 2 1 水轮机载体 试验中，三种水轮机模型分别安装在一条船模或由载体平板以及导流装 置组成的载体模型上，其中两种载体模型的特征参数如下： ( 1 ) 载体船模 模型为玻璃缸材质，其船体主尺度为： l b d = 1 9 0 0 x 7 8 0 x 2 6 0 ( m m ) t = 1 6 0 ( r a m ) o = 6 0 0 ( r a m ) 其中三为模型船长；曰为型宽；d 为型深：丁为吃水；o 为船模中心圆井直 径，用于放置水轮机。 ( 2 ) 载体平板 平板是木质结构，其尺度为： l x b t = 1 9 0 0 x 1 2 0 0 2 0 ( m m ) 其中、丑、t 分别为载体平板的长、宽及厚度。此外，载体平板的中心圆井 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分别为m i = 4 4 0 ( r a m ) ，m 2 = 6 6 0 ( r a m ) 。 ( 3 ) 载体导流罩 导流罩支撑载体平板，两种导流罩由木板塑形，金属薄板镶面，其纵向 剖面图如图2 2 所示，主要尺度为： l x b = 1 0 6 0 x 6 4 0 f m m ) a b 图2 2 两种导流罩剖面图 2 2 2 2 水轮机模型 试验中使用的水轮机模型有t h s l i 、t h s l - i i 、t h s l 。i i i 三种弹簧控制 形式，表2 1 列出了三种弹簧水轮机的主要特征参数。 表2 1 水轮机模型特征参数表 i n l n 型号t h s 【，it h s l i it h s l i 转盘( 或轮辐) 直径d 4 4 04 4 0 和6 6 04 4 0 翼型 n a c a 0 0 1 8n a c a 0 0 1 8n a c a 0 0 1 8 弦长ct 1 0n 01 1 0 叶片 展长b 6 6 06 6 06 6 0 叶片数z 33 和43 和4 主轴长l3 9 83 9 89 7 2 弹簧刚度系数k ( n m )2 6 5 5 83 4 1 3 和1 0 0 9 81 0 4 8 6 摆杆长1 6 0 6 01 0 下面将分别讨论三种水轮机的结构形式与叶片的受力。 ( 1 ) t h s l i 型水轮机 t h s l - i 型水轮机为“拉杆”式弹簧控制，弹簧处在主轴与叶片摆杆的连 线上，当叶片不受外力作用时，弹簧处在自然位置，保证叶片弦线与轮机转 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动轨迹圆的切线方向一致，当叶片摆动时叶片摆杆拉动弹簧，使得弹簧伸长， 从而弹簧的拉力提供叶片的恢复力矩。 图2 3 为t h s l - i 型水轮机弹簧控制机构作用原理示意图，其中d 1 r 是水 轮机静止时叶片弦线所处位置，和运动轨迹圆相切，此时，叶片摆杆a 4 与 内部装有弹簧的杆0 处于同一条直线o o l 上。水轮机转动以后，叶片受水流 的冲击绕其转轴d l 转过角度妒，此时叶片的弦线位置为0 l r ，摆杆0 1 a 转动 到新位置d 1 曰，拉杆o a 在弹簧的作用下伸长并转动到o b ，产生弹簧反力b ， 其方向与b o 的方向一致，如图2 5 所示，弹簧反力b 对叶片作用的力矩即 为叶片受到的弹簧恢复力矩。 设摆杆d 1 b = ，o a = ，o b = ，水轮机的半径为r ，叶片的摆动偏 角为伊，则有： z ，：胄一，；，：扛i f 面( 2 1 ) 令a i = f 2 一= r 2 + f 2 - 2 r l c o s q - ( r f ) 由正弦定理有： s i n f l = r s i n 伊，2 则力臂 d l d = l s i n f l = l r s i n q o 1 2 叶片所受力矩为： 肘。= 茁 r - 1 腿s i n 妒 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y 滁、， 、， 图2 3t h s l i 型水轮机叶片受力分析以及装配图 ( 2 ) t h s l - i i 型水轮机 t h s l 型水轮机为“推杆”式弹簧控制机构，弹簧分别加装在叶片摆 杆两侧。当叶片不受外力作用时，叶片弦线与轮机转动轨迹圆的切线方向保 持一致；当叶片摆动时，加装在摆杆两侧的弹簧受到叶片摆杆的压力，从而 提供对叶片的恢复力矩。 图2 4 是t h s l - h 式水轮机单个叶片受到的弹簧恢复力矩的作用原理示 意图，其中o t 是水轮机静止时叶片弦线所处位置，和轨迹圆相切，此时叶片 摆杆o c 指向轨迹圆圆心，两根弹簧滑杆所处的位置为a c 和b c ；水轮机转 动以后，叶片受到水流的冲击绕转轴0 转过角度伊，这时弦线的位置为o r ， 摆杆o c 摆动到新位置o c ，带动两根弹簧滑杆移动到a c 和b c 7 ；这样滑杆 b c 上的弹簧受到压缩，产生弹簧反力b ，其方向和b c 的方向一致，弹簧 反力b 对叶片作用的力矩即为叶片受到的弹簧恢复力矩。 如果弹簧刚度为k ，弹簧的压缩量为，则弹簧反力为： b = k a i( 2 5 ) 其中a l = b c b c 。令摆杆的长度o c = o c7 = f ，滑杆的长度b c = a c = f ， 则可以求得，满足： ，= _ 面j 磊开面面面( 2 6 ) 弹簧恢复力矩m 。就可以表示为： m k2 b o e = b l c o s ( c o + 占)( 2 7 ) 其中6 为弹簧滑杆b c 转过的角度，满足： t a n 6 ：1 - c o s 妒( 2 8 ) i i l s i n l 5 0 将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 和( 2 8 ) 代入公式( 2 7 ) 可得： m r = k - 卜厄忑再丽k s 卜耐融等焉) ( 2 - ，) 采用上式求解弹簧恢复力矩的时候，偏角伊应该取绝对值，这样计算出 的恢复力矩也为绝对值，其正负应该和偏角妒一致。在迭代求解偏角和攻角 的过程中直接采用上式比较复杂，且收敛速度慢，如果弹簧刚度相对比较大， 叶片的偏角较小，则有出* d c = l s i n o 以及占z0 ，可得： m r k f 2s i n _ o c o s ( 0 ( 2 - 1 0 ) 图2 4t h s l - i i 型水轮机叶片受力分析及装配图 ( 3 ) t h s l - i i i 型水轮机 t h s l - i i i 型为“轮辐”式控制机构，其叶片通过上下两层“轮辐”平行 的固定在水轮机主轴周围，在“轮辐”内安装有弹簧和顶销，当叶片摆动时， 安装在叶片摆动轴心两侧的弹簧顶销对叶片提供恢复力矩。 图2 5 为t h s l - i i 型水轮机弹簧控制机构作用原理示意图，其中0 。r 是 水轮机静止时叶片弦线位置，和运动轨迹圆相切。水轮机转动以后，叶片受 水流的冲击绕其转轴d l 转过角度伊，此时叶片的弦线位置为d i t ，内部安装 有弹簧的d a 杆受到压缩，产生弹簧反力只，其方向与d a 杆的方向相同， 则弹簧反力只对叶片作用的力矩即为叶片受到的弹簧恢复力矩。 设弹簧到叶片轴心距离0 a = 0 1 b = z ，则弹簧伸长量为： x = ，t a n 妒( 2 一1 1 ) 噙、) 。 ，舔、|， 、，、|，c、名 j蔫。 、 ， x 、 t 。 匕旧 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果弹簧刚度为k ，则叶片所受恢复力矩m 为： m = k x ，= k 2t a n q o f 2 1 2 ) 由于这种弹簧水轮机的叶片由上下两层轮辐固定，则叶片所受恢复力矩 由两个弹簧提供，因此其恢复力矩m ，为： m r = 2 k x ，= 2 k 2t a i l 妒 ( 2 1 3 ) 图2 5t h s l - i i i 型水轮机叶片受力分析以及装配图 2 3 试验方案与测试手段 2 3 1 试验模型安装 三种结构形式的水轮机先后安装在两种载体圆井的中心，水轮机的主轴 通过伞齿轮与水平放置在载体平面上的齿轮箱、扭矩仪以及永磁风力发电机 连接在一起，其总布置简图如2 6 图所示。 图2 6 船型载体的总布置示意图 载体船模通过测力天平与竖直安装在拖车上的支柱相连，载体四周用钢 丝辅助固定a 当拖车以恒定速度前进时，水轮机在水流的推动下开始工作， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水轮机通过扭矩仪输出转矩和转速，发电机开始发电，电能通过电阻箱负载 释放，改变电阻负载就可以得到不同的转速和输出功率，从而获得试验数据。 2 3 2 试验研究方案 根据模型试验的内容，我们制定了试验研究方案： ( 1 ) 裸船体受力测量 试验过程中将测量的速度范围确定为v = o 4 m s 到2 6 m s ，每隔 0 2 m s 选取一个速度点，共1 2 个实验点，采集的数据形成一条阻力曲线， 如图所示： 图2 7 水轮机载体船阻力曲线 ( 2 ) 水轮机水动力测试 先后对t h s l - i 、t h s l - i i 和t h s l i i i 型水轮机进行试验，并改变弹簧水 轮机的各种结构参数进行性能测量，每种试验状态分别进行四种来流速度 ( v = 1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4m s ) 的试验。 i h s l 。i 型水轮机性能测量 该实验测量t h s l - i 型水轮机的水动力性能，并且改变叶片摆动轴心的 位置测量其对水轮机水动力性能的影响。 1 h s l - i i 型水轮机性能测量 a 在四种不同的来流速度下，测量t h s l i i 型水轮机敞水状态的水动力 性能； b 选取两种刚度的弹簧，分别称为a 弹簧、b 弹簧，在敞水状态下进 行试验，比较弹簧刚度对水轮机性能的影响； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c 在敞水状态下使用a 弹簧，先后改变水轮机的直径和叶片数目，测 量水轮机密实度o r 的变化对水轮机性能的影晌； d 使用a 弹簧，加装不同的导流装置，测量不同密实度o - 的水轮机水 动力性能，比较各种导流装置对水轮机性能的影响。 t h s l i i i 型水轮机性能测量 该实验测量t h s l 1 1 i 型水轮机的水动力性能，并且改变叶片数目来检测 密实度盯对水轮机的水动力性能影响。 图2 8 两种载体下的水轮机拖曳试验 2 3 3 测试技术 试验中需要测试的数据包括： ( 1 )水轮机在旋转过程中主轴受到的沿前进方向的纵向力( 阻力) 、 力矩和垂直于拖车前进方向的侧向力。 ( 2 )主轴的转矩、转速以及功率。 ( 3 ) 水轮机叶片相对于自身轴心的旋转角度。 测力方法： 试验时，以固定在拖车测桥拖带支架和水轮机载体之间的五分力测力天 平作为力传感器，测量阻力、侧向力和力矩三个参数，数据信号经动态电阻 应变仪将应变信号变成电压信号，经过a d 转换进入计算机，再利用专业软 件进行数据采集。 测主轴转矩、转速以及功率方法： 利用专用的扭矩仪来测量水轮机主轴转速、转矩和功率。扭矩仪是一种 哈尔滨工程大学硕士学位论文 专门的测量转轴类运动和力矩参数的装置，包括扭矩传感器和二次仪表。试 验时将扭矩传感器一端与发电机主轴相连，另一端与水轮机齿轮变速箱相连 接，水轮机旋转时，通过变速箱带动扭矩传感器一起旋转，测得的水轮机主 轴转速、转矩和功率的频率信号通过数据线输出到二次仪表后变为电压信号， 经过a d 转换输入计算机。 测量叶片摆动角度方法： 水轮机叶片的旋转角度由固定在叶片轴心的角位移传感器测量，由于水 轮机旋转时会造成角位移传感器的数据线发生缠绕，因此，测量时采用了无 线数据传输技术，将角位移传感器通过数据线与固定在水轮机旋转盘上的无 线发射机相连，测得的角位移信号经调制后由无线发射机发射，信号再由无 线接收机接收、解调和a d 转换，通过计算机的r s 2 3 2 接口输入到计算机。 测试系统的示意图如图2 9 所示。 图2 9 水轮机试验测试系统 由测力天平测得的阻力、侧向力和力矩信号以及由扭矩仪测得的主轴转 速、转矩和功率信号为模拟电压信号，经多通道模数转换卡转换后采集到计 算机中进行数据处理，而对于角位移传感器测得的水轮机叶片转角信号，为 了使无线传输数据可靠、减少误码，直接使用调制后的数字信号进行传输， 信号由无线接收机接收后进行解码，然后经计算机r s 一2 3 2 接口输入计算机。 由于数据采集的信号源由两部分成，并且要求各信号在时间上同步，开发了 水轮机试验数据采集系统软件，软件主界面如图2 1 0 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 0 水轮机试验数据采集系统软件主界面图 采用该软件可同时采集由a d 转换卡输入的数据电压信号和由计算机 r s 2 3 2 接口输入的数字信号。 2 4 试验数据表达方式 作用在船体模型上的水动力有纵向阻力x 和侧向力y 。定义纵向力x 以 阻力方向为正，侧向力y 以拖车前进方向指向右弦为正。 试验结果中力x 、y 的单位为k g f 因此计算力系数时，将测量结果乘以 9 8 ，再进行无因次化。 总阻力系数和侧向力系数分别定义为： ry c x = _ _ 二一，c r = _ 一 ( 2 1 4 ) p v ：z , b吉p v ? d b 其中p 为水的密度，d 为轮机直径，b 为轮机叶片展长，圪为来流速度 即拖车运动速度。 设轮机的转速、转矩、负载功率分别为n 、q 和p 。则定义水轮机速比、 转矩系数和能量利用率系数如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 五= 等，2 荪q g2 荪q c o 2 5 本章小节 本章介绍了弹簧控角竖轴直叶水轮机的三种模型和模型试验方法。本章 以寻找一种可行的水轮机叶片控制形式为目的，使用先进的试验设备仪器， 设计了可行的试验方案和测试数据的技术手段，为全面详细的研究弹簧控角 竖轴直叶水轮机的各种水动力性能、比较三种水轮机不同的结构控制形式、 探讨水轮机的叶片摆动轴心位置、叶片摆动角度限制范围、水轮机的密实度 以及弹簧的刚度等结构参数的影响奠定了基础。此外，试验中对水轮机外部 的导流装置也做了重点的研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章弹簧水轮机的水动力性能 通过全面系统的试验，我们基本上认识了三种弹簧控角水轮机在水动力 性能上的差异，了解了弹簧水轮机的运动规律以及弹簧控角竖轴直叶水轮机 的各种结构参数对其水动力性能影响的基本规律。本章将以试验数据为依据， 首先阐述三种弹簧水轮机性能的优劣，然后分别阐述水轮机叶片的摆动轴心、 水轮机的密实度、控制机构的弹簧刚度以及叶片的限制摆动角度等结构参数 对水轮机水动力性能的影响规律。此外，导流系统对于提高来流速度，间接 的提高水轮机的性能起着很大的作用，本章也将在试验的基础上探讨水轮机 导流系统对水轮机性能的影响。 3 。1 叶片的弹簧控制形式 在试验中我们分别对三种形式的水轮机水动力性能进行了测量，图3 1 3 , 4 列出了三种弹簧控制水轮机在来流速度不同的情况下的速比一能量利用 率比较曲线。图中t h s l - i i 型水轮机包含两条数据曲线，分别对应两种不同 刚度弹簧的结果。三种水轮机的基本状态是：敞水状态，安装3 个叶片，直 径为0 4 4 m ，叶片转轴中心安装在o 0 0 6 m 处。由于试验条件的限制，在三种 弹簧控制形式的比较中弹簧刚度有所不同，这会对这组曲线比较造成一定影 响( 三种控制形式采用的弹簧刚度见表2 1 ) 。 从图中可以看出，弹簧刚度最大的t h s l - i i 型水轮机的能量利用率曲线 最好，最高能量利用率可以达到0 3 左右，出现能量利用率最大值的速比范 围也较大；而弹簧刚度系数为k = 2 6 5 5 。8 n m 的t h s l - i 型水轮机的能量利用 率要稍高于弹簧刚度系数为k = 1 0 9 9 8 n m 的t h s l i i 型水轮机；t h s l i i i 型水轮机与另外两型比较，速比一能量利用率曲线最低，其最高能量利用率 仅达到0 1 5 ，而且最高能量利用率所对应的速比范围也较小。 从上述的比较中可以看出，相对于水轮机工作的最重要的水动力参数来 说，t h s l 一1 1 型弹簧水轮机的能量利用率最高，相比另两种形式来说具有更 好的利用价值。 0 4 0 0 ，3 5 0 3 0 0 2 5 02 0 a 0 1 5 。 0 1 0 0 0 5 0 0 0 、札i 尸 、 rp i j， + t h s 卜i 矧、 一t h s l i i a 五彩 广一t h s l i i b t 一1 h s l i i i 3 5 3 0 2 5 2 0 已 1 5 u 1 0 0 5 0 0 ，- “ 力飞l z lq _ 蛙卜 严生飞l - 冷k ， - - - - o - - t h s l i f + t h s l 一 卜t h s l b 一t h s l - i 图3 1 三种水轮机x - c p 曲线比较 图3 2 三种水轮机 c p 曲线比较 u = 12 m s ，z = 3 ，d = 4 4 0 m m ，c h o r d l = 6 m mu = 1 6 n v s ，z = 3 ，d = 4 4 0 m m c h o r d l = 6 r a m 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 d 0 1 5 。 0 1 0 0 0 5 0 0 0 一t h