（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）叶栅附体对直叶水轮机的性能干扰研究.pdf

i 。k j c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g t h ep e r f o r m a n c er e s e a r c h o f s t r a i g h t bl a d e dv e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n ew i t h c a n d i d a t e ： m e n gq i a o s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f f e n g l a il i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o n o fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 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 用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表 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。 一 作者( 签字) ，修均 日期：劢矿年弓月7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：( 多7 弓 日期：聊f p 年多月7e l 导师( 签字) ：以豸巴 伽年? 月钼 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 竖轴固定攻角直叶片潮流水轮机以其自身系统稳定、制造工艺简单、可 实现大功率大直径和造价低等诸多优点被人们所关注，但是与变攻角竖轴潮 流水轮机相比，其在流速较低时不能实现自启动，能量利用率较低。因此， 如何提高固定攻角直叶片竖轴潮流水轮机的自启动性能和能量利用率成为当 前亟待解决的问题。本文借鉴势能水轮机的导叶原理，利用计算流体力学的 方法结合c f d 软件数值模拟了在潮流水轮机周边区加装叶桐附体后的水动 力性能，为今后进一步的研究提供参考。 首先，本文介绍了叶孝| 1 8 的基本知识、设计了加装叶桐附体的方案，并计 算了三维减摇鳍定常绕流的水动力性能参数且与试验值做了比较，验证了数 值模拟的可行性。 一 然后，计算了加装叶桐附体的潮流水轮机在不同流速下的自启动性能与 其位置角的关系，并与敞水条件下的自启动性能作对比，分析影响潮流水轮 机自启动性能的因素，讨论了叶棚附体对提高水轮机运转性能产生的影响。 最后，本文建立滑移网格模型，计算潮流水轮机瞬态的水动力性能，初 步分析了叶棚附体栅距不同、安装角不同、距潮流水轮机运动轨迹圆的距离 不同对潮流水轮机水动力性能的影响。 关键词：叶桐；竖轴固定攻角直叶片潮流水轮机；自启动性；水动力性能 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i x e d p i t c hs t r a i g h t b l a d e dv e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n e s ( s b v a t t s ) h a v e m a n ym e r i t ss u c ha st h e i rs y s t e m sa res t a b i l i z e d , t h eo p t i m a ls t r u c t u r e so fb l a d e s a r eu n t w i s t e d ，m a k i n gt h e mr e l a t i v e l ye a s yt om a n u f a c t u r eo rf a b r i c a t i o n ，i tc a n r e a l i z eh i g hp o w e r , l a r g ed i a m e t e ra n dl o wc o s t t h e r e f o r e ，s b - v a t t sa r eh i g h l y c o n c e r n e di nr e c e n ty e a r s b u tc o m p a r e dw i t hv a r i a b l ep i t c hb l a d e dv a t t s ，t h e f i x e dp i t c hb l a d e ds b - v a t t sm a yf a i lt h es e l f - s t a r t i n gt o r q u ea n dh a v el o wp o w e r c o e f f i c i e n tc pw h e nt h ef l o ws p e e di sl o w s oh o wt oe n h a n c et h es e l f - s t a r t i n g t o r q u ea n dh o wt oo 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 to fs b - v a t t sa r et h ep o p p r o b l e m sn o w a d a y s t h i sp a p e ru s e sf o rr e f e r e n c et h eg u i d e - v a r i e sp r i n c i p l eo f p o t e n t i a le n e r g yt u r b i n e s ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h el f y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o fs b v a t t sw f t hg u i d ev a n e si n s t a l l e dt h es u r r o u n d i n ga r e ab yu s i n gv i s c o u s c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c sm e t h o da n df l u e n ts o f t w a r e t h i sp a p e rm a y p r o v i d eu s e f u la d v i c ef o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n f i r s t l y , t h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tg u i d ev a n e si si n t r o d u c e d ，t h ec a s e so f s b v a t t s 、析t 1 1g u i d ev a n e sa r ed e s i g n e d a n dt h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so f t h r e e - d i m e n s i o n a lf i ns t a b i l i z e rp r o f i l eu n d e rs t e a d ym o v e m e n ta r es i m u l a t e d ， w h i c hw e r e c o m p a r e d 、析t 1 1 t h e e x p e r i m e n t a ld a t a t o i m p r o v en u m e r i c a l s t i m u l a t i o nm e t h o d sr e l i a b i l i t y t h e n ，w eu s et h ec f dm e t h o dt oc a l c u l a t e t h es e l f - s t a r t i n gt o r q u eo f s b v a t t s 、撕mg u i d ev a n e sa td i f f e r e n tf l o ws p e e d s a n dc o m p a r ew i t hw h i c ho f o p e nw a t e rc o n d i t i o n s w ea n a l y s et h e c o m p l i c a t e dc a u s e so fi n f l u e n c i n g s b - v a t t ss e l f - s t a r t i n gp e r f o r m a n c e ，d i s c u s st h ee f f e c to fg u i d ev a n e sf o r e n h a n c i n gt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft i d a lt u r b i n e a tl a s t , w ee s t a b l i s h t h es l i d i n gm e s hm o d e lt oc a l c u l a t et h e t r a n s i e n t h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so fs b v a t t sw i t hg u i d ev a n e s ，a n dw ep r e l i m i n a r y a n a l y s et h ee f f e c to fg u i d ev a n e sf o rt h es b v a t t sa td i f f e r e n ts e t t i n ga n g l e ， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i i i d i f f e r e n td i s t a n c ea m o n gt h ec a s c a d e sa n dd i f f e r e n td i s t a n c ef r o mc a s c a d et ot h e t r a c i n gc i r c l eo ft i d a lt u r b i n e s k e yw o r d s ：g u i d ev a n e ；f i x e d p i t c hs t r a i g h t b l a d e dv e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n e ； s e l f - s t a r t i n gp e r f o r m a n c e ；h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e 哈尔滨工稗大学硕+ 学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概j 苤”l 1 2 竖轴直叶水轮机的发展现状3 1 2 1 理论研究现状3 1 2 2 实验研究现状5 1 2 3 带附体的水轮机的研究进展6 1 3 本文的主要工作6 第2 章水轮机及叶栅的水动力计算8 2 1 叶桐的结构形式8 2 1 1 叶柄的基本概念”8 2 1 2 潮流水轮机的结构形式一1 0 2 2 装置结构的受力分析1 1 2 2 1 叶棚绕流分析1 1 2 2 2 潮流水轮机叶片的流体动力特性1 4 2 2 3 潮流水轮机叶片受力分析1 5 2 3c f d 基础及数值计算方法1 6 2 3 1c f d 基础理论1 6 2 3 2 三维翼型的定常绕流模拟计算l8 2 3 3 计算结果及分析2 l 2 4 本章小结2 2 第3 章潮流水轮机的自启动性能研究2 4 3 1 计算模型的结构形式与数值求解过程2 4 3 1 1 计算模型的结构形式2 4 3 1 2 数值求解过程2 5 3 2 潮流水轮机在敞水时的自启动性能研究2 6 3 3 加装叶棚对水轮机自启动性能的影响3 2 3 3 1 叶栅与水轮机中心的位置不同对水轮机的自启动性能的影响3 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 3 2 叶桐的安装角不同对水轮机自启动性能的影响3 3 3 3 3 栅距不同对水轮机自启动性能的影响3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章直叶片竖轴潮流水轮机的水动力性能研究3 8 4 1 潮流水轮机的运动与受力分析3 8 4 1 1 叶片的运动3 8 4 1 2 叶片的瞬时受力4 0 4 2 潮流水轮机叶片的性能参数4 1 4 3 潮流水轮机的水动力性能计算4 4 4 3 1 模型参数4 4 4 3 2 计算结果4 5 4 4 加装叶棚后潮流水轮机的水动力性能计算5 0 4 4 1 栅距对潮流水轮机性能影响5 0 4 4 2 叶栅与水轮机间距对水轮机性能的影响5 3 4 4 3 叶桐安装角不同对潮流水轮机的性能影响5 7 4 5 本章小结”5 9 结论一”6 l 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 6 致 射”6 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 当今世界能源与环保必须相提并论，面对当前能源与环境问题，各个国 家要应对的是气候变化、减排温室气体、环境保护，使能源来源多样化，保 障能源安全，发展可再生能源，缓解能源短缺，走可持续发展的战略。能源 短缺与环境污染是推动可再生能源发展的必然。 全球的主要能源来自石油、煤、天然气等传统能源，由于这些常规能源 的不可再生性，近年来社会发展的需求使得能源紧缺的状况日渐凸显，我国 已是世界第二大石油消费国。为了满足人们对燃料资源需求的同时又可使环 境得到高度的保护，世界各国越来越注重开发、利用新能源，都积极地投入 到低碳排放的清洁能源中。海洋能源是重要的可再生能源之一，它既清洁又 取之不尽，成为世界各国现在乃至未来主要开发利用的能源之一。我国拥有 辽阔的海域且海域海洋能源十分富饶，我国海岸线长达1 8 0 0 0 余千米，在很 多近海岸区存在着强潮流运动，具有广阔的潮流能开发前景【l 】。例如，我国 舟山群岛海域潮流能资源十分丰富，大部分沿岸海域的潮流流速在2m s 左 右，根据v o r t e ce n e r g y 有限公司的研究报告 2 1 ，这种流速非常适宜近海潮流水 轮机的运行。因此，中国目前对海洋能源的开发和利用有着天时地利的条件。 潮流能是指潮流做水平运动所含有的动斛，利用开发潮流能属于新兴 课题，近年来发展特别迅速。潮流能发电装置基本由以下四类构成：( 1 ) 水 平轴式轮机( 图1 1 a ) ，其主轴水平放置，通常和水流方向平行，叶片展向垂 直于主轴。叶片受到潮流冲击绕主轴转动，再经主轴机械传动带动发电机发 电；( 2 ) 垂直轴式轮机( 图1 1 b ) ，其主轴垂直于水面，且和来流方向垂直， 叶片展向平行于主轴。叶片在潮流的推动下绕转子主轴转动，并通过主轴传 动带动发电机发电，将潮流能转化为电能；( 3 ) 振荡水翼式系统( 图1 1 c ) ， 通过潮流驱动下水翼的振荡运动进行发电，潮流使支臂来回振荡，支臂迫使 液压缸伸缩，从而驱动发电机运转川；( 4 ) 文丘里系统，其基于伯努利效应， 通过潮流流经狭窄节流口产生的压力差驱动发电机工作。目前国内研究者常 哈尔滨下程大学硕士学何论文 见的是前两者，即横轴式和竖轴式两种潮流发电水轮机，本论文所讨论的潮 流水轮机属于竖轴式。与横轴式水轮机相比，竖轴式水轮机控制机构相对简 单，安装维修方便，对水深要求不高， 实现任意潮流方向下的正常运行发电， 工作时不受来流方向改变的影响可以 大大简化了控制机构；另外，横轴式 水轮机叶片形状通常为螺旋桨变截面，翼型剖面复杂，致使设计和制造工艺 复杂，造价较高，而竖轴式水轮机多采用直叶片，制造工艺简单，造价较低， 而且机组整体稳定性好、效率较高，安装与维护也相对容易，因而得到业内 广泛的关注和研究。 竖轴潮流水轮机通常安装在一载体平台( 船体、浮箱、浮筒等) 的底部 或同载体一起沉入水底，它由一组伸向水中、与水轮机主轴平行且均匀分布 在盘面圆周的叶片组成，该组叶片在水流推动下绕水轮机主轴转动，并通过 主轴传动带动发电机发电，将潮流能转化为电能。按照叶片运动方式的不同， 竖轴潮流水轮机可分为变攻角式( v a t i a b l e p i t c h ) 和固定攻角式( 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定的规律绕自身的转轴转 动，后者的叶片和轮辐固定在一起，自身不能转动。但是当水流流速较低时， 水轮机的功率也很小，甚至在某些位置角处潮流水轮机无法实现自启动，能 量利用率也很低，尤其是固定直叶片竖轴潮流水轮机的启动性和能量利用率 更差，这是当前迫切要解决的问题之一。 ( b ) 图1 1 潮流发电装置示意图 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 竖轴直叶水轮机的发展现状 上节中提到了竖轴直叶片潮流水轮机具有结构简单、稳定性能好、造价 低廉等诸多优点，正是由于竖轴直叶片潮流水轮机的这些制造和性能上的优 点，人们日渐注重对它的理论研究和实验研究，并且取得了许多重大成果。 1 2 1 理论研究现状 在理论方面，竖轴叶轮的流体动力特性理论计算方法源于垂直轴推进器 的水动力计算模型，2 0 世纪5 0 年代，德国的i s a y 3 】提出了摆线式推进器的二 维势流方法；1 9 6 0 年，日本的谷口中【4 】提出了针对竖轴摆线推进器的准定常 流动模型，此方法对诱导速度的三个假设是理想化的且在公式的推导过程忽 略了阻力对平均推力的影响，因此只对部分推进器适用；1 9 8 0 年，朱典明教 授对谷口中的方法进行了改进1 5 j ，得到了适用于不同偏心率下整个进速系数 范围内的理论方法，并首次将此方法用于可调角直叶摆线式水轮机的水动力 性能计算；1 9 9 9 年，意大利人【6 s e r g i om c a m p o r e a l e 和v i n i e om a g i 用动量 定理的方法研究了偷心率大于l 的情况；2 0 0 5 年，哈尔滨工程大学汪鲁兵 7 1 的博士论文中针对水轮机在中低速比时叶片攻角变化较大的特点，建立了离 散涡面元法分离模型来模拟流动分离；2 0 0 6 年，哈尔滨工程大学容亮湾【8 】在 其硕士论文中又应用流体力学软件f l u e n t 优化了叶片并利用m r f 模型数 值模拟了竖轴直叶片水轮机的水动力性能。根据这些方法所依据的理论基础， 可以把他们分为以下三类： ( 1 ) 基于动量理论的流管法。流管法将潮流水轮机简化成被一个流管包 围的盘面，并假设整个盘面上叶片的诱导速度均匀分布，应用动量定理建立 相关流管动量变化和盘面内叶片所受合力方程，从而求出诱导速度和水轮机 的水动力性能。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，计算 中叶片的数据都是静态试验的，因此我们要对叶片运动的非定常效应进行修 正，这也使得流管法在预报潮流水轮机的非定常性能和瞬时载荷方面有困难。 另外，当速比较大时，流管法对潮流水轮机的水动力性能的预报也不准确， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因为随着速比的增大和叶片载荷的增加，动量方程很难收敛，有时甚至还会 发散。 ( 2 ) 基于势流理论的的涡方法。涡方法起源于势流理论中关于升力问题 的面元法原理，提出之初是为了解决风机的问题，逐渐也被用到水轮机问题 中。将叶片的表面上布置源和汇，中弧线上布置附着涡线来模拟运动叶片及 其流场，由于附着涡的变化，会脱泄出尾涡，附着涡和尾涡的强度要满足 k e l v i n 涡量守恒定理；要确定附着涡强度还要通过由尾缘压力相等的k u t t a 条件的补充方程得到。随着发展，涡方法也有许多改进，大家可以看相关的 文献资料。与流管法比较，涡方法模型能够计算竖轴潮流水轮机的瞬时载荷、 叶片之间的干扰、叶片与自由涡系之间的干扰、叶片表面压力分布与变化、 叶片自转及动态失速等非定常效应的细节情况，能够较全面地模拟水轮机的 运动和受力。但是当潮流水轮机工作在小速比时，其叶片处在大攻角范围内， 动态失速严重，叶片受力计算不准确。由此看来涡方法和流管法可以互补缺 点。 ( 3 ) 基于全流场求解控制方程的粘性计算流体动力学方法( c f d ) 。计 算流体力学方法在工业和工程应用方面有强大的生命力，它的目标是在工程 上尽可能用数值试验代替实物试验，用计算机模拟自然环境，设计工程机械 装置。所以c f d 方法的发展取决于计算机速度和存储信息能力的发展和计算 流体通用软件的成熟发展。与实物试验相比：c f d 技术同样可以做到预报真 实的流体、机械等工作过程的细节，并且可以把他们保存下来，把实物试验 所需的人力、物力、财力降到最低，而且所需时间也大大减少。c f d 商用软 件操作方便，通用性良好，可以用来设计和模拟我们所需的各种尺寸的潮流 水轮机在各种工况下的水动力性能并获得良好的计算结果，不过要想解决更 复杂的动态问题，则需要对软件进行二次开发，许多软件如f l u e n t 、a n s y s 都配有二次开发的接口。 与传统的流管法比较，c f d 方法可以详细模拟流场中每时每处的动态变 化细节，清晰捕捉叶片非定常运动引起的强湍流漩涡，准确预报潮流水轮机 叶片的瞬时受力特性。与涡方法比较，c f d 方法可以保证潮流水轮机在中低 速比范围内的计算精度。 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 2 2 实验研究现状 竖轴潮流水轮机的实验研究开始于2 0 世纪7 0 年代中后期，国外比较有 影响的是1 9 8 3 - - 1 9 8 8 年，日本的k i h o p 等人在e h i m e 的k u r u s h i m a 海峡进 行了三次潮流水轮机的实测试验，得出水轮机的速比一能量利用率曲线和电机 转速一功率曲线，但他们直到1 9 9 6 年的世界可再生能源会议f 1 0 l 上才正式发表 其实验结果，之后他们又对公开的实验结果进行了修正。1 9 9 8 年c o k o 1 1 】介 绍了k o b o l d 垂直轴潮流水轮机的实验研究情况，给出了不同密实度的k o b o l d 轮机的功率一转速曲线，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 t l 2 1 进行了偏心率大于1 o 的摆线式水轮机的模型试验，发表的数据包括能量利 用率一速比性能曲线和叶片的载荷曲线，叶片数有4 叶和5 叶两种。另外，日 本的灿血o r i 【1 孙，t y a s u o t l 4 1 ，澳大利亚的g o f l o v l l5 1 ，加拿大的b l u ee n e r g y c a n a d ai n c 【1 6 1 ，瑞典的n i l s s o n 17 l 和s e g e r g r e n 1 引，英国的s a l t e r 【1 9 】等也都做 过垂直轴潮流发电水轮机相关的试验研究，但是公开的数据非常之少。 国内公开的文献也有很多。1 9 8 4 年马庆位1 2 0 】发表的硕士学位论文中给出 了可调角直叶潮流水轮机的模型试验结果，并分析指出了密实度和偏心率对 水轮机性能的影响，绘制出了不同的偏心率和不同密实度情况下可调角直叶 水轮机的能量利用率和叶片载荷曲线。1 9 8 4 年孙百超【2 1 】等进行了弹簧调节攻 角的直叶片水轮机实验研究，给出了水轮机能量利用率系数曲线。1 9 8 6 年， 朱典明【2 2 j 教授等人陆续进行了7 0 k w 潮流试验电站的建设、试验等工作，2 0 0 2 年给出了电站的测试数据，包括不同流速下的功率一转速曲线以及潮流水轮机 的载荷等。1 9 9 9 年，张维新【2 3 】在其硕士学位论文中给出了蹼板式水轮机发电 装置的试验模型并在哈尔滨工程大学水平循环水槽中进行了试验，整理出了 我国第一份蹼板式水轮机的水动力性能资料。2 0 0 6 年，陈晗【2 4 】在其硕士学位 论文中详细阐述了弹簧控角竖轴直叶片水轮机的工作原理和试验过程，在试 验的基础上对导流装置和水轮机叶片的摆动规律进行了探索和研究。2 0 0 8 年，季剑远1 2 5 1 在其硕士学位论文中详细分析了不同试验状态下可控偏角竖轴 水轮机的叶片受力的变化规律和水轮机的水动力性能。 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 1 2 3 带附体的水轮机的研究进展 1 9 8 9 年，张洪雨1 2 6 1 等提供了计算摆线式水轮机在二元对称导流管中工作 时的水动力性能计算方法，并对“l k w 直叶片河流发电装置”的水动力性能 进行了计算，结果与试验结果相比误差很小。1 9 9 8 年，阿根廷的i s e p 小组 提出了一种对水轮机的性能提高有很大帮助的改进，即加装导流罩，比起传 统的水轮机，它能使水流集中起来，提高流经水轮机的水流速度。2 0 0 4 年， 哈尔滨工程大学张亮【2 7 等考虑了潮流工作的流场是对称性的，又参照风力机 的扩散原理提出了适用于竖轴直叶片潮流水轮机的导流罩设计思想，通过数 值计算发现导流罩大幅度增加了水轮机所在区域的水流速度，有利于提高水 轮机的功率。后来又基于流体水动力学理论分析，提出在导流罩的两端位置 增加对称的扩张门，数值计算证明扩张门能够进一步提高导流罩内水流速度 和流场的稳定性，但是阻力会增大且造型困难。2 0 0 5 年，此导流罩设计方案 应用于由张亮教授主持的国家十五8 6 3 项目“4 0 k w 座海底式潮流能独立发 电系统”【2 8 】，并且顺利通过验收。2 0 0 7 年，哈尔滨工程大学刘斌【2 9 1 的硕士 学位论文在之前已有的基础上对加装导流罩的潮流水轮机的水动力性能进行 理论计算，并将计算结果与不带导流罩的潮流水轮机的性能参数进行比较， 得到了加装导流罩后对潮流水轮机水动力性能的具体影响，为潮流电站的总 体设计提供参考。2 0 0 8 年，哈尔滨工程大学孙科【3 0 1 在其博士学位论文中再 次提到了固定偏角竖轴潮流水轮机加装导流罩，由于导流罩内的流场稳定， 从而提高叶片在叶轮下游盘面的切向力性能，并提出了维氏曲线型和双曲线 型两种导流罩设计思想，给出了对比计算值。 1 3 本文的主要工作 本文的工作来源于“国家科技支撑计划1 5 0 k w 潮流能电站关键技术研 究与示范”项目，研究的对象是竖轴固定叶片潮流水轮机。本文的工作是在 已有研究的基础上，研究流场加装叶棚附体后对竖轴固定直叶片潮流水轮机 的性能干扰情况。大家知道风机的启动有时要借助电机拖带，固定叶片水轮 机的自启动能力也较差，尤其是竖轴固定直叶片水轮机。试验发现在某一流 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 速下在叶片附近用叶栅制造水流流向的扰动，会使水轮机启动。同时叶栅的 导流作用会提高水轮机的水动力性能。利用势能工作的水轮机普遍都加装有 导流叶栅，而利用动能工作的水轮机还没有加装导流叶栅的案例。研究导流 叶栅与水轮机间的影响，首先要计算如何获得自启动力矩，使来流作用在数 个叶片上产生的合力矩大于水轮机轴的阻力矩实现自启动，然后再计算叶栅 导流作用对潮流水轮机的水动力性能影响。文中的工作内容主要分两大部分： 第一部分研究竖轴固定直叶片潮流水轮机的自启动性能；计算潮流水轮机在 静态流场中的自启动力矩，分析影响直叶片竖轴潮流水轮机的自启动性的原 因；加装叶栅附体干扰流场来提高水轮机的自启动力矩；第二部分研究加装 叶桐附体后对直叶片竖轴潮流水轮机的水动力性能的影响；通过对多种工况 条件下的计算结果进行比较，分析了叶柄附体对直叶片竖轴潮流水轮机的水 动力性能的影响，为实际工程应用提供参考。本文通过对国内外研究进展情 况的分析和讨论，将在以下几方面对固定攻角的竖轴直叶片潮流水轮机做具 体研究： 1 利用计算流体力学计算软件f l u e n t 的前处理软件建模并计算二维 机翼的水动力性能，来检验此软件计算数据的可靠性。并确定本文计算所需 的竖轴固定直叶片水轮机计算模型。 2 根据竖轴潮流水轮机的工作特点，研究三叶片潮流水轮机在圆周各位 置角处的受力情况，对不同情况下可能影响水轮机自启动力矩的原因进行分 析、讨论。并与加载叶棚附体的情况进行对比，找出最佳方案。 3 用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 建模，用滑移网格模型求解潮流水轮机 在瞬态情况下的水动力性能参数，并详细分析加装叶棚附体后潮流水轮机的 水动力性能情况。 4 把叶柄附体干扰流场对水轮机的水动力性能相关计算结果进行后处 理，得出结论，与潮流水轮机在敞水中的计算结果进行比较，给今后的工程 应用做参考。 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章水轮机及叶栅的水动力计算 竖轴固定直叶片潮流水轮机以其结构简单，稳定可靠，造价低廉等诸多 优点被研究者关注，同样它的缺点也是研究者越来越关注的热点和克服的重 点。竖轴固定直叶片潮流水轮机启动比较困难，一般不能进行自启动，需要 外力启动。现在国内外有许多研究者针对提高竖轴固定直叶片风机或水轮机 的自启动性能进行研究，例如文献 3 1 中应用变桨矩技术来提高垂直轴风力 机的启动性能和风能利用率，文献 2 9 中在水轮机的两侧加装导流罩，以提 高水轮机盘面内的水流速度，从而提高水轮机在较低流速下的自启动性能和 水动力性能，这些方法都可以借鉴到如何提高潮流水轮机的启动性和水动力 性能的研究中来。但是潮流水轮机要大功率商业化，其尺度将大到3 0 m 以上， 所以加装导流罩在施工难度及造价上会带来很多难于解决的问题。本文设计 在潮流水轮机前流场加装叶棚附体，通过叶栅的干扰改变潮流水轮机周围流 场的运动情况，试图来研究叶栅干扰流场后是否可以提高水轮机的自启动力 矩和能量利用率c p ，为实现竖轴潮流水轮机的自启动能力和提高其水动力性 能提供一个理论参考。 2 1 叶栅的结构形式 2 1 1 叶栅的基本概念 叶栅，即指由多个相同翼型按等距离排列而成的组合体。按其排列形式 可以分为两类：直列叶栅和环列叶棚( 图2 1 ( a ) 和图2 1 ( b ) ) 。若翼型沿直线 等间距排列，两端按需要确定展长，称为直列叶栅；若翼型沿圆周等间距排 列时，称为环列叶栅。本文所讨论的叶肃吁是有限个叶片组成的，称其为有限 直列叶栅。 直列叶栅中两个相邻翼型之间的距离t 称为栅距；直线u 为叶栅额线， 我们定义叶栅安装角a 为来流方向与叶棚翼弦的夹角；叶栅的栅距t 与弦长b 之比称为相对栅距f ： f = f b ( 2 1 ) 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 数。 相对栅距的倒数称为叶栅的稠度t ： f = 1 f = b f ( 2 2 ) 通常，可以简单地根据翼型、稠度和安装角三方面来确定叶栅的几何参 图2 1 ( a ) 直列叶栅 l 心 。5 7 令 c 。 、= 3 n 么o， 矿 & 纱 图2 1 ( b ) 环列叶栅 定义叶栅的进流角和出流角分别为1 3 。，1 3 ：，它们是进出口速度矢量与 叶栅额线正方向u 之间的夹角。a l a 2 和b l b 2 是两条间隔一个栅距t 的流线， a l b l 和a 2 b 2 与该叶桶的额线方向平行，并远离叶栅，认为该处的水流已经 不受叶栅的影响，即截面a l b l 和a 2 b 2 上的速度等于离叶栅无穷远前方和后 方处相对速度c 0 1 和晚。 夕 用，够坚) f 7 爪疆 l q 1 勿 、 b 1 卜一彳 图2 2 叶桐受力分析图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 潮流水轮机的结构形式 如图2 3 中3 叶、4 叶的潮流水轮机在某特定位置角总会出现无法自启 动的情况，所以文中拟定以3 叶片潮流水轮机为例进行建模。论文所考虑的 潮流水轮机为直叶片垂直轴形式，且攻角固定，即叶片的弦长与水轮机的运 动轨迹圆相切，展长与转轴平行。由于叶片是直叶片，为了计算简便，文中 只选取其二维截面进行建模和计算。 弦 v ( m s ) y 厂 、 t hx 。 图2 3 三叶片和四叶片竖轴潮流水轮机2 d 简图 翼弦方向与y 轴平行的叶片阻力非常大，平行于x 轴的叶片没有升力， 在这种情况下，水轮机叶轮很难转动起来。假若在水轮机迎流方向加装叶栅 附体，通过改变叶桶安装角、叶栅间距离等条件来改变来流绕叶榴附体后的 流场方向，即改变水轮机前方的局部流场从而使水轮机能够获得较大的自启 动力矩。算例中，叶栩加装于潮流水轮机流场正前方，由于潮流是往复式周 期性流动的，又因为直叶水轮机是对称的，后方加装叶栅的影响效果与前方 是一致的，故只考虑叶栅加装于流场正前方，结构形式如图2 4 所示。 一c = 蜷度p ，、 厂、。 l乡j 、 r 妥弋 、 少、 图2 4 潮流水轮机前方流场加载叶栅示意图 数值计算所选取的潮流水轮机模型的尺寸参数主要包括：水轮机模型的 1 0 “ 兰l 星一 1 1 兰一 哈尔滨工程大学硕十学位论文 直径d ，对应的翼型，叶片弦长，叶片数，叶片攻角，详细数据如下表： 表2 1 潮流水轮机静态时参数表 水轮机直径叶片弦跃叶片数叶片翼型叶片攻角 0 4 4 m0 1 1 m 3 叶n a c a 0 0 18o 表2 2 潮流水轮机瞬态时参数表 水轮机直径叶片弦长叶片数叶片翼型叶片攻角 1 5 m 0 1 2 m 3 叶n a c a 0 0 1 80 叶栅加装方式，初步设定考虑不同栅距、不同叶桐安装角、不同叶桐距 水轮机的距离对潮流水轮机的影响，具体参数如下表： 表2 3 加载静态流场中的叶栅参数表 叶栅翼型 n a c a 0 0 1 8 叶片数3 叶 叶片弦长o 1 lm 栅距 0 0 5 ，0 0 7 5 ，0 1 ，0 1 2 5 ，0 1 5m 叶片尾缘距0 0 2 ，0 0 5 ，0 0 7 ，0 0 9m 水轮机轨迹圆的距离 叶栅安装角 1 0 ，1 5 ，2 0 ，3 0 ，4 0 表2 4 加载瞬态流场中的叶栅参数表 叶栅翼型 n a c a 0 0 1 8 叶片数 3 叶 叶片弦长 o 1 2m 栅距 0 0 5 ，0 0 7 ，0 1m 叶片尾缘距o 0 5 ，0 0 8 ，0 1m 水轮机轨迹圆的距离 叶栅安装角4 5 ，3 5 2 2 装置结构的受力分析 2 2 1 叶栅绕流分析 叶栅绕流分平面叶柄绕流和空间叶栅绕流两种类型【3 2 1 ，当叶桐流动参数 只与两个空间坐标有关，流面是相互平行的平面时，称为平面叶栅绕流。这 哈尔滨工程大学硕士学能论文 是叶榈理论的基础。当叶棚流动参数与三个空间坐标有关时，流面是曲面， 称为空间叶栅绕流。叶棚绕流求解分为正问题和反问题两类，正问题就是叶 栅的分析问题，即给出叶栅和翼型的几何参数，叶桐进流速度矢量，求解叶 栅内流动参数，包括叶面上流速分布和压力分布；反问题就是叶栅的设计问 题，即给出叶栩进流、出流的速度矢量，求解叶桐和翼型的几何参数。本文 中仅讨论不可压缩流体绕平面直列叶桐的流场分析问题，即叶桐绕流求解的 正问题。 对控制体a l a 2 b 2 b l 应用连续性方程( 图2 2 ) ： m = t p c 0 1s i n 屈= t p c 0 2s i n 屈 ( 2 3 ) 其中m 为流体质量流量。由此可见，在叶棚前后与额线垂直的z 轴向的速度 分量是应该相等的，即 o ) z = qs i n p , = 哆s i n 屈 一 ( 2 - 4 ) 若 s i i l 届 s i n 屐，加速叶栅( a t 2 c o i ) s i n 多l s i n 殷，减速叶栅( 0 ) 2 0 1 ) 设流体作用于一个叶片上的合力p ，它是升力l 和阻力d 的合力( 图2 2 ) ， 如将合力p 在叶栅额线方向和轴线方向上分解，分别以u 表示额向力( 法向 力) 分量、t 表示轴向力( 切向力) 分量，这里流线上流体压力可相互抵消， 粘性力忽略不计，对控制体应用动量定理，在额线方向上有 u = p t ( 砰s i n 届c o s f l l 一s i n 厦c o s 压) ( 2 5 ) 在轴线方向有 t = ( 砰s i n 2 屈一喀s i n 2f 1 2 ) + t ( p l 一仍) ( 2 6 ) 其中鳓来流速度； 幼绕叶栅后流场速度： p 水流密度。 计算绕一个翼型的速度环量r ： 1 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 r - - d l = - ( 0 9 2 。一q 。) = 一t a o ( 2 7 ) 这说明绕叶栅翼型有环量的流动时，叶栅前后的流动方向将发生偏转，不象 单个机翼那样不改变无穷远前、后方流场的流动方向。 考虑有总压损失p o 的伯努利方程： p - p 2 = p 华+ 卸。2p 华+ p 。 ( 2 _ 8 ) ：p ( c 0 2 。一( - o l u ) 华+ 卸。 将方程( 2 - 4 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入方程( 2 - 5 ) 、( 2 6 ) 中，得到 u = 彩， ( 2 9 ) t ：一p r 毕_ i - t a p 。 ( 2 1 0 ) 二 其中额向力u 与总压损失无关，而轴向力t 可分为两部分，分别由无粘性流 动产生和总压损失产生，令他们为 z = 一庐华( 2 - 1 1 ) l = t a p 0 ( 2 1 2 ) 在不考虑总压损失的情况下，u 和t 的合力就为无粘性流体的升力厶， 厶= f 虿= 庐谚+ ( 学) 2 ( 2 - 1 3 ) 由总压损失产生的推力乃，一部分为阻力d ，另一部分为升力损失量 0 ，即 d = 乃s i n 尾= f 峨s i i l 尾 ( 2 - 1 4 ) 0 = 一弓c o s p 。= 一，c o s p 。 ( 2 - 1 5 ) 这样，实际流体中作用于叶棚翼型上升力l 为： l = 厶+ 三，= p r 瓯一，c o s 尾 ( 2 1 6 ) 这是平面叶栅绕流中一个基本关系式。但要求出升力，还必须更详细的研究 哈尔滨工程大学硕十学位论文 通过叶榴附体的流动。文中为了简化，假设水流速度绕叶棚后大小不发生变 化( 实际用f l u e n t 算得的数据是有损失的) ，只改变流动方向，且流动方向 角度与叶栅的安装角相同。 2 2 2 潮流水轮机叶片的流体动力特性 潮流水轮机的叶片属于水翼的一种，它的流体动力特性包括升力特性、 阻力特性、俯仰力矩特性、压力分布特性等等。其中升力大小是由翼背( 上 表面) 和翼面( 下表面) 上压差力分布所确定；阻力分粘性阻力、诱导阻力j 波浪阻力等三部分组成；俯仰力矩大小与所取力矩轴的位置有关。本节主要 讨论定常流