（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）可控偏角竖轴水轮机性能试验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文主要阐述了一种采用伺服电机控制叶片运动的新型潮流发电装置 可控偏角竖轴水轮机的工作特点和试验研究过程。目的是研究这种新型 水轮机的水动力学机理并考察这种新型叶片运动控制机构在水轮机上的应用 情况，为该叶片运动控制机构在水轮机方面的应用和推广积累经验。 首先简要叙述了可控偏角竖轴水轮机的工作特点，介绍了本文的试验装 置以及针对水轮机各种试验参数的试验方案以及相应的技术实现手段，并介 绍了试验的整个流程。 然后根据试验结果，整理出可控偏角竖轴水轮机的水动力数据，以试验 分析为基础，研究不同试验参数下水轮机性能的变化规律，分析讨论了包括 叶片数z 、叶片弦长c 、来流速度玖、偏心率e 等参数对水轮机水动力性能 的影响。 基于单盘面多流管方法建立数学模型，使用试验设定的叶片运动规律和 试验参数计算水轮机的水动力性能，并与试验结果进行比较。 最后，以试验数据为依据，分析讨论了不同试验状态下叶片受力的变化 规律以及对水轮机性能的影响，并初步分析了叶片干扰对水轮机性能的影响。 关键词：竖轴水轮机；叶片运动控制机构；伺服电机；试验参数 哈尔滨工程大学硕士学何论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w o r k i n gc h a r a c t e ra n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h en e w l y d e v e l o p e de q u i p m e n to fr e n e w a b l e t i d a l c u r r e n te n e r g yw h i c hi sc a l l e dt h e c o n t r o l l e dv e r t i c a l a x i s v 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 s f o c u s e do nt h es t u d y i n go ft h eh y d r o d y n a m i cm e c h a n i s mo ft h en e w l yt u r b i n ea n d t h er e v i e w i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o l l e dd e v i c eo ft h ev a n e so nt h et u r b i n e a l lo ft h e s ea let h ei m p o r t a n tb a s eo ft h ea c c u m u l a t i n ge x p e r i e n c et os t r e t c ha n d a p p l yt h i sn e w d e v i c e a tf i r s tw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o l l e dv e r t i c a l - a x i sv a r i a b l e - p i t c h t u r b i n ei sp r e s e n t e d i td e c r y p t se x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dp l a nw h i c hi sa i m e d a td i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h et u r b i n ea n dr e l e v a n tt e c h n i c a lm e t h o d i ta l s og i v e s t h ew h o l ef l o wo ft h ee x p e r i m e n t a t i o n t h e nb yd e a l i n g 晰t ht h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n 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 e a l ec o n c l u d e d o nt h eb a s eo ft h e e x p e r i m e n t a la n a l y s e s ，w ei n v e s t i g a t e dt h el a wa i m e da tv a r i a b l ep a r a m e t e r sa n d d i s c u s s e dt h ee f f e c to fs o m ep a r a m e t e r st ot h eh y d r o d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo f t u r b i n e ，i n c l u d i n gt h en u m b e ro fv a n e ，t h ec h o r dl e n g t ho fv a n e ，t h es p e e do f s t r e a ma n de c c e n t r i c i t yr a t i o m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do ns i m p l e - d i s km u l t i - - s t r e a mt u b em e t h o da r 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 u r b i n eu s i n g e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa n dm o v i n gl a wd e c i d e db ye x p e r i m e n t a n dt h e n c o m p a r et h er e s u l t 、析t he x p e r i m e n t a ld a t a a tl a s t ，w ea n a l y z ea n dd i s c u s st h em o v i n gl a wo fv a n eo nt h ed i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o na n dt h ee f f e c t i t g i v e t h et u r b i n eo nt h eb a s eo f e x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e nt r y i n go fa n a l y z i n gt h ee f f e c to ft h ec a s c a d ee f f e c tt o t h ep e r f o r m a n c eo ft h et u r b i n e k e y w 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 h ec o n t r o l l i n gi n s t i t u t i o no fv a n e m o v i n g ；s e r v oe l e c t r o m o t o r ；e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ：堡垒l 垒 日期：2 - a d 孑年；月f 千日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 海洋能源开发的背景及其意义 进入2 1 世纪以后，世界各国普遍面临能源短缺的问题。在化石燃料逐渐 趋于枯竭的情况下寻找清洁的新能源是大多数国家特别是能源需求量很高的 大国的迫切需求。在众多的新能源中，海洋能以其独特的优点成为人们积极 研究的重要新能源之一。 潮流和海流作为一类海洋自然流动现象，拥有巨大的能量，它们是以动 能的形态蕴藏于海洋中，是海洋能的重要表现形式。海洋能具有可再生、无 污染、分布广、稳定且有规律的显著优点，而且其蕴含的巨大能量更是十分 诱人的。研究表明：全世界海洋储藏的潮汐能约有2 7 亿千瓦，每年的发电量 可达3 3 ，4 8 0 万亿度。另据初步计算：若以平均流量每秒1 0 0 立方米计算， 我国近海和沿岸潮流的能量就可达到一亿千瓦以上。我国的海洋能资源转换 为有用的动力值，至少可达1 5 亿千瓦，相当于目前我国电力总装机容量的 两倍多。全世界海洋能的总储量，约为全球每年耗能量的几百倍甚至几千倍。 这充分地说明：在不远的将来，海洋能在造福于人类方面，将发挥巨大而重 要的作用【。 我国在海洋能开发利用方面已有3 0 多年的历史，取得了很多积极进展。 但由于经济实力和科技投入都相对不足，与世界先进国家相比，我国的技术 水平存在一定的差距。基于这种情况和海洋能源开发的巨大前景，加快我国 海洋能的开发建设，促进我国海洋能技术的发展是十分必要和紧迫的。 1 2 水轮机基本原理 获得海洋能的最基本途径就是将海洋能转化为电能。海洋能发电与风力 发电和常规水力发电的原理类似，通过某种能量转换装置，将海水的运动能 转换为电能。潮流能量转换装置大多采用水轮机形式，水平流动的海水冲击 叶轮将水流的动能转换为水轮机的旋转机械能，水轮机经机械传动系统带动 发电机发电，最终转换为电能【2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水轮机因其复杂的运动，其水动力性能目前还不能完全依靠理论计算来 完成。要通过水轮机模型试验得到可靠的技术数据，解决提高潮流环境下工 作水轮机的能量利用率和工程实践问题，为我国沿海地区潮流能利用和发电 提供有效的高新技术支持。海洋能研究的核心技术是将海洋能转换为机械能 的机构。追求的是转换效率7 7 和能量利用率系数g ，能量利用率系数与水 轮机叶片的水动力性能相关。 水轮机的水动力性能包括纵向推力正，互，横向推力z ，对转轴的扭矩q 以 及能量利用率。无因次化后表示为系数c ，c e 和c 。其中衡量水轮机 性能优越的最重要指标是能量利用率系数c 。 1 3 可控偏角竖轴直叶水轮机机构简介 可控偏角竖轴直叶摆线式水轮机是一种能量转换装置。它的机构主要是 由转盘、叶片及叶片运动控制机构组成。水轮机叶片垂直均布的安装在半径 为r 的转动圆盘上，叶片吸收水流的动能推动转动圆盘旋转，叶片随转动圆 盘绕圆心d 转动的同时，叶片又绕自身的轴摆动。叶片在转动过程中，它的 弦线始终垂直于叶片轴与控制点c 的连线。转动圆盘角速度为0 ，来流速度 为玖，则叶片相对于来流的反向移动坐标而言，其叶片运动轨迹是一条摆线， 故称为竖轴摆线式水轮机。它的工作原理是吸收水流的动能产生扭矩带动发 电机发电。竖轴摆线式水轮机又分为固定偏角和可控偏角两种。固定偏角水 轮机虽然结构相对简单，但能量利用率较低。可控偏角水轮机的g 较高但需 要复杂的叶片控制机构。从目前来看，叶片控制机构有连杆控制、弹簧控制、 伺服电机控制等几种。本论文所依据的试验研究就是采取伺服电机控制叶片 偏转的方式，每一个叶片控制机构配备一个伺服电机，将不同偏角变化规律 下的叶片偏角与叶片位置角的对应关系编制成计算机程序输入到单片机中。 单片机通过脉冲宽度调制机制控制伺服电机和角位移传感器，根据事先输入 的程序改变叶片的迎流攻角。这样，通过修改程序就可以实现相应的叶片偏 转规律。与以往的叶片控制机构相比，伺服电机控制叶片偏转方式具有灵敏、 准确、方便在不同状态下切换等优点；但这种控制方式造价昂贵、技术复杂、 可靠性也较低，必须加以改进和完善。 利用上述机构对水轮机的叶片受力进行分析研究是本试验的重要创新。 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 在以往的水轮机试验中，无论是连杼式时片控铡还是弹簧式叶片控制；无论 是竖轴摆线式水轮机还是蹼板式水轮机都只是分析研究速比、密实度、翼型 等因素与能量利用率之闾的关系洌。两对不同状态下的叶片受力和叶栅干扰 的分析研究鲜有涉猎。本试验由于采用了灵敏的叶片测力天平和先进的无线 通讯技术使采集叶片的瞬时受力数据成为可能。试验装置中，有一只叶片安 装了三分力测力天平。叶片在运动过程中，测力天平测得叶片受鲻的切向力 和法向力以及轴扭矩的数据，然后由编码器无线传输到接收装置，最后通过 串躁输入到数据采集电脑中成为可供分析研究的数据。 1 4 摆线式水轮机性能计算方法综述 在二十世纪五十年代，德国的i a s y 提出了摆线式推进器的二元势流理论。 看来，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 与实验结果进行了比脚，指出该方法不能满意地预报推进器的性能。 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，用| 以预报推进器 的水动力性能【4 1 。在中等进速系数时，可以得到与试验大致相符的结果。1 9 7 3 年，美国的m 。1 l 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翡二元环 流理论的非定常模型，克服了谷口中方法中的不足，并取得较好的结梨引。 1 9 8 0 年，朱典明教授对谷躁中方法进行了改进，得到很好的结果【6 j 。并 首次将改进焉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 果与试验值比较接近。该方法中关于诱导速度的处理与谷网中方法基本相同。 1 9 8 4 年，马庆位在其硕士论文中进一步对可调角直时摆线式水轮机的性 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。并将计算结采与试验结果遴行了比较1 7 l 。 2 0 0 2 年，我校的张桂湘在硕士研究生毕业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 和涡方法( v t t h ) 做了比较研究和分析，计算? 摆线式和蹼板式水轮机的水动力性能 3 1 。 2 0 0 3 年，我校的汪鲁兵在他的硕士毕业论文里对竖轴摆线式水轮机水动 力计算方法进行了更深一步的研究。他分别采焉基于动量定理的流管法和旋 涡理论方法进行计算，并对计算结果进行了比较研究。并在计算结果的基础 哈尔滨丁程大学硕十：学位论文 上，提出了优化水轮机性能，改善和提高水轮机能量利用率的方法t 8 t 。 1 5 竖轴水轮机试验研究综述 竖轴水轮机的试验研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代的中后期。在1 9 8 4 年，马庆位在他的毕业论文里就已经给出了在不同偏心率和密实度情况下的 能量利用率曲线和叶片载荷曲线并分析了密实度对水轮机性能的影响【。同 一年，孙百位等进行了弹簧控制水轮机偏角的水轮机试验研究，给出了相应 的能量利用率曲线【9 】。2 0 0 2 年，张亮教授给出了7 0 k w 潮流试验电站测试数 据，包括不同流速情况下的功率转速曲线以及轮机载荷等【lo j 。以后，哈尔滨 工程大学的陈晗、廖康平等也进行了弹簧偏角水轮机的试验，获得了相应的 试验成果1 1 1 | 。 在国外：1 9 9 8 年，c o i r o 介绍了k o b o l d 竖轴潮流水轮机的试验研究情 况，公布了不同密实度的二、三叶片的k o b o l d 水轮机功率一转速曲线【l 引。 1 9 9 9 年，c a m p o r e a l e j 进行了偏心率大于1 0 的摆线式水轮机模型试验l l 引。发 表的曲线图有能量利用率速比曲线和叶片载荷曲线。叶片数是四叶和五叶。 此外，日本的k i h o ，a k i n o r i 【1 4 】，澳大利亚的g o r l o v 1 5 j ，加拿大的b l u ee n e r g y 、 c a n a d ai n c 1 6 】，瑞典的n i l s o n ，s e g e r g r e n 1 。7 j 也都进行过竖轴摆线式水轮机的试 验研究，但是没有公布较多的试验数据。 1 6 本文的主要工作内容 本文的工作内容分为两个部分：第一个部分是主要通过试验的方法，利 用对试验数据的分析与理论计算对可控偏角竖轴直叶片水轮机的水动力性能 进行研究。着重于通过试验的方法获得性能优良、质量可靠的水轮机运作状 态，并在试验的基础上进行一定的数值运算，分析研究水轮机各种参数对其 水动力性能的影响。特别是水轮机能量利用率的影响因素，更是需要重点考 虑。第二个部分是分析在试验过程中采集到的叶片运动和受力的数据，研究 水轮机在运动过程中的真实规律。为新一代可控偏角水轮机的设计提供试验 依据。综合以上所述，论文主要完成了以下几方面的工作。 ( 1 ) 首先研究e = 0 4 ，e = 0 5 ，e = 0 6 等三种不同偏心率下水轮机的水动力性 能的差异，分析偏心率对水轮机性能的影响范围和程度以及对叶片受力的影 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 响，改善可控偏角水轮机的水动力性能。 ( 2 ) 研究水轮机在不同来流速度下的水动力性能，通过在一定来流速 度下改变水轮机的负载来研究水轮机在不同速比下的水动力性能。 ( 3 ) 通过改变叶片的弦长来研究水轮机在不同弦长条件下水动力性能 的差异，获得在不同弦长条件下的水动力性能。 ( 4 ) 通过改变叶片数来研究水轮机在不同叶片数情况下水轮机的性能， 初步研究叶栅干扰对水轮机性能的影响。比较不同叶片数的水轮机的叶片受 力情况和运动状态，分析其真实运动规律，并进一步研究不同叶片数水轮机 的叶片之间的干扰情况即叶栅效应。 ( 5 ) 根据设定的试验装置参数，应用单盘面多流管法( s d m t ) 计算水 轮机的水动力性能，并与试验结果进行比较。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章可控偏角竖轴水轮机的工作特点 21 竖轴水轮机的工作原理 竖轴发电水轮机的主要部件是大同小异的，都有垂直于水面的转轴和一 组伸在水下绕转轴作圆周运动的叶片。但控制叶片运动的控制机构和附属的 联接、转动机构随着不同类型的水轮机而有着不同的特点。比如弹簧攻角水 轮机有几组弹簧控制机构约束叶片的偏转；连杆式水轮机有着较复杂的连杆 控制机构。即使是固定偏角水轮机，它的连接叶片和水轮机主轴的轮辐形式 也与水轮机的尺寸、叶片数有关。另外，竖轴水轮机的叶片虽然大都采用直 叶片的形式；但外形轮廓也有矩形、梯形等多种，甚至有使用专门设计的翼 型的水轮加 图2 1 水轮机实物照片 竖轴水轮机一般分为升力型和阻力型两种。顾名思义，升力型水轮机的 驱动力是叶片受到的流体升力；阻力型水轮机的驱动力是叶片受到的阻力。 阻力型水轮机的能量利用率比较低故常适用于流速较低的环境。而应用较广 堕堡篓兰垒奎兰垫圭耋i ! 丝耋 的是升力型水轮机。本论文所依据试验的水轮机采用的是伺服电机控制叶片 偏转、直叶片、n a c a 翼型的竖轴可变偏角升力型水轮机。水轮机在来流作 用下匀速转动的时候，位于不同方位角的叶片受到了升力l 和阻力d ，。如图 2 2 所示： j 、矗。1 立盐 图2 2 竖轴水轮机原理示意图 从上图可以清楚地看到，叶片所受到的升力沿弦线的分量是驱使转盘运 动的主要动力。试验证明：叶片在不同的偏也淬下的受力以及对转动圆盘的 转矩在水轮机运动过程中是周期性变化的，而且在平行于来流的情况下，叶 片只受到阻力，升力为零。 2 2 叶片的运动 2 2 1 叶片的摆线式运动 摆线式竖轴水轮机叶片的运动有其自身的特点：一方面，叶片绕主轴的 圆心作圆周运动：另一方面，叶片还绕轴心按照一定的偏心规律往复摆动。 在叶片的所有的运动周期中，叶片控制机构使叶片弦线始终与某一点到叶片 摆动轴心的连线相垂直。这一点就是水轮机的偏心点。偏心点到转动圆盘圆 心的距离就是偏心距，而偏心距与叶片转动轨迹圆半径的比值被称之为偏心 率，用e 表示。偏心率是描述水轮机运动规律的重要参数。本文所依据的试 验采用了0 4 ，0 5 ，0 , 6 三个偏心率，并对它们的运动、受力进行了比较和分 一一堕玺鎏i ：堡奎茎堡圭兰堡望兰 析。 当叶片以稳定转速髓转动圃盘作圆周运动时，如果将水流看作是没有速 度的，而转动圆盘以大小相同、方向相反的来流速度向前运动，那么叶片在 前进过程中运动的轨迹就是一条摆线。p 口d 是螺距，表示叶片在转动一个周 期时间内前进的距离。如图2 3 所示： 弋 分 ：i _ _ 一1 图2 3 叶片摆续运动轨迹 2 2 2 叶片的真实运动规律 叶片的摆线式运动规律决定了叶片偏角妒和转动圆盘位置角引拘对应关 系： ，一c 鼬普罢南 协- ， 改变偏心率e 就可以得到不同的叶片偏角矿随位置角目的变化规律。本文所 依据的试验装置偏心点的方向角是固定的，为1 8 0 。位于0 号叶片的上方。 而且，0 号叶片的位置被确定为转动圆盘位置角0 。虽然每个叶片的转轴处都 安装了角位移传感器，但系统只记录了i 号叶片的偏转角度，因此在不同的 叶片分布状态下，1 号叶片与偏心点的相对位置就是不同的。这样，就必须 对上面的公式进行修正： 3 叶片： 。：a r c t a r e c o s ( 护+ 3 1 + e s i n ( 8 + 3 0 ) ( 2 2 ) 扩扩 。口十片： r = 一胁毒盎 c z - ， s 怖 一m 番篙軎 沼。， 不同叶片数状态下，1 号叶片与偏心点的相对位置如下图所示： 图2 41 号叶片与偏心点的相对值置图 试验结果表明：试验过程中，叶片的实际偏转规律与控制程序算法描述的偏 转规律能够很好的吻合。 八厂 图2 5 叶片偏角随时间变化规律曲线 上图是甲叶片数状态下c 弦长的叶片在e = o6 、来流速度是16 m s 的试 验情况下叶片的偏角变化图。从图中可以看出，叶片的实际的偏角变化基本 满足试验的要求。 i 、1 1 1 l，*，tf 、 卜孰同h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 水轮机性能影响因素 影响水轮机水动力性能的因素有很多，包括：翼型、叶片数不合速度 系数、叶片攻角甜、位置角口、叶片偏角妒、速比a 、叶片弦长直径比c 、 密实度玎等。下面首先给出一些重要参数的准确定义，然后简要分析某些因 素对水轮机性能的影响。对试验数据和理论计算结果的详细分析研究安排在 第四章和第五章。 2 3 1 水轮机运动和性能参数的定义 无量纲形式的运动和性能参数有助于更方便地处理和比较试验和计算数 据，分析水轮机的水动力性能。所以，先给出一些试验装置的参数以及重要 参数的无量纲形式： 叶片弦长 叶片展长 轨迹圆直径 叶片弦长直径比 轨迹圆半径 来流速度 合速度 相对合速度 叶片转速 速眈 转盘受到的平均推力系数 转轴受到的平均力矩系数 水轮机平均能量利用率系数 1 0 一 一 墨玖一一一一一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 速比的影响 速比是转子旋转速度和来流速度之比，是影响水轮机水动力性能的重要 因素之一。对于一定形式、结构尺i j 、大小、翼型确定的水轮机来说，速比 直接决定叶片在不同位置角处的相对速度和攻角，从而影响叶片的受力以及 水轮机的性能。图2 6 给出了不同位置角处相对台速度k 随位置角0 的变化 曲线。由图可知，速比决定了不同位置角处合速度相对于来流速度的火小。 图2 6 相对台速度随位置角的变化 如图所示，0 - 1 5 4 0 。时露有最大值，最大值随速比的增大而增大；0 - 1 3 4 0 和1 7 1 0 时元有最小值。从图中可以看出，随着速比的增大，露的相对波动 幅度越大。正是因为水轮机的转动使叶片的相对速度出现波动，叶片的受力 才发生改变，同时叶片相对速度的波动和叶片攻角的变化也造成了叶片的非 定常运动。 叶片的几何攻角是由速比和叶片偏角其同决定的。图2 7 是叶片攻角随 位置角的变化曲线。从图中可以看出，叶片攻角是周期性变化的，变化幅度 和攻角的正负峰、谷值都很大。当速比小于o 7 8 1 时，变化幅度就超过了 1 8 0 。，即使速比大于这个值，在很大速比范围内，大攻角出现仍然不可避 免，叶片实际上还是工作在较大迷比范围内。所以水轮机在实际工作过程中 必然有流动分离、动态失速等非定常效应发生，由此对水轮机的水动力性能 产生很大的影响，这在第四章、第五章里还会提到。 水轮机的速比在整个工作过程中是个变化的量，其变化受多种因素影响。 本节只是就不同速比时叶片相对速度和攻角的变化简要介绍了速比对水轮机 镱 警 瀚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性能的影响。在第五章，将详细讨论速比不同时叶片受力以及对水轮机性能 影响的变化规律。( 图2 6 和图2 7 中的试验数据的试验参数为：叶片数丙， 叶片弦长c = - b ，偏心率e = 06 ，来流速度吒= 1 8 m s ) 图27 叫片攻角随位置角的变化 2 3 3 偏心率的影响 偏心率对于水轮机水动力性能的影响主要体现在叶片在不同位置角处的 偏角口的变化。在不同的偏心率状态下，叶片偏角的变化范围是不一样的。 图2 8 不同偏心率下的叶片偏角随位置角的变化 图2 , 8 是甲叶片、c 弦长的水轮机在来流速度儿= 18 r n s 情况下，一个周 期内不同偏心率的偏角变化规律图。由试验曲线可以清楚地看到：偏心 率越大，叶片偏角的变化范围越大。这与理论计算的结果是一致的。 一娶 *警 黟， 。 等 卜 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i i i _ uilllllli i i l l l l l l l l i ii i 宣昌i 暑宣笛眷黼 o 3 0 o 2 s o 2 0 。l s 0 1 0 o 0 5 0 o o 卜e - - o 6 - 一e 。o 5 o e oo 。2 5o 5 0o 。7 51 o o l 。2 5 速 = | ：i 5 0 图2 9 不同偏心率下的水轮机能鬣利用率曲线 试验数据还表明，在相同密实度、相同速度来流的情况下，增大偏心率 可以明显提高水轮机的能量利用率。如图2 9 所示。 2 3 4 叶片数的影响 改变叶片数相当于改变叶片的密实度。对于弹簧控制偏角的水轮机，内 于是被动控制，时片数越多，叶片对转动圆盘的力矩逐渐减小，导致能量利 用率逐步降低。在低速比范围内这一趋势并不明显，随着速比的增大，甲叶 片水轮枫妻冬能量利震率显著地高于乙时片水轮机。本文所研究的可控编角竖 轴水轮机采取的是电机主动控制叶片偏角的方式，叶片的偏转规律只由偏心 率决定。在一定的速院范围内，增加叶片的数躅有助于增加其对转动圆盘的 转矩。所以，叶片数多的水轮机能量利用率显然要高一些。 图2 1 0 是甲叶片水轮机和丙叶片水轮机在相同偏心率、弦长、来流速度 情况下的麓量利用率对纥。丙叶片水轮机的能量利用率的峰值要比率时片水 轮机的要高2 3 个百分点。从整个速比范围上着，在启动到取得能量利用率 峰值酶大部分速毙区域内，丙叶片水轮机的能量刹雳率都要高于警时片水轮 机。 4 一 一 垒 一 e 一 一 一 一 哈尔滨工程大学硕十学位论文 o 2 s o 。2 0 80 。1 5 o 1 0 o 0 5 o 。0 0 i 忒| ! ：军 r 髟 。 代 门 ? 。y l 、 0 0 00 2 50 5 00 。t 5 1 0 0i 。2 5 速眈1 5 0 图2 1 0 不同叶片数下的水轮机能量利用率曲线 2 3 5 叶片弦长的影响 根据密实度的定义，改变时片数隧或叶片弦长都可以起到改变密实度的 作用。但试验数据表明：不同叶片弦长的水轮机的水动力性能之间的差异远 没有不同叶片数的水轮机那样明显。事实上，甲叶片、不同弦长水轮机的能 量綦j 用率仍然可以看出随时片弦长的增大而增加；僵丙叶片、不同弦长水轮 机的水动力性能之间的差异已不能简单地用弦长不同来加以解释。 0 3 0 o 2 5 o 2 0 0 王5 0 1 0 o 0 5 0 0 0 z = 丙，e = o 。6 ，v = 1 6 _ 卜a 卜b 髟庐 一e 彳锣 飞 辱 参 - 一蕊 f o 。o。2o 。垂 。6o 。8l 。ol 。2 速比l 。垂 图2 1 1 丙叶片水轮机不同弦长之间的性能比较 1 4 哈尔滨下程大学硕士学位论文 o 2 5 o 2 0 巳 o o 1 5 o 1 0 o 。0 5 o 0 0 o z = 甲，e = o 6 ，v = 1 8 _ 一a 杉簪# + b 纱 7 、 瀑 + c 厂吵巡 罗对 i 、 0o 20 4o 60 81 o1 21 4 ：速l l l 6 图2 1 2 甲叶片水轮机不同弦长之间的性能比较 图2 1 2 显示：在不同弦长的甲叶片水轮机中，c 弦长的水轮机能量利用 率要依次高于b 和彳弦长的水轮机。而且在相当大的速比范围内，这一现象 都十分明显。而对于丙叶片的水轮机，如图2 1 1 所示，采用b 弦长叶片的水 轮机能量利用率峰值最高。但在大部分速比范围内，由叶片弦长不同带来的 能量利用率的差异是很小的。 2 3 6 来流速度的影响 来流速度是影响水轮机性能的重要因素。试验表明，在不同的来流速度 下，水轮机的性能差异明显。随着来流速度的增加，能量利用率也随之增加。 图2 1 3 不同来流速度下的水轮机能量利用率曲线 1 5 哈尔滨工挥大学硕十学位论文 l l l l 如图2 1 3 所示，在整个速比范围内，水轮机的能量利用率随着来流速度 的增加而增大。而且，从上面的几组能量利用率曲线的峰值点位置可以看出： 来流速度越大，能量利用率在接近峰值处随来流速度的变化越小。这是因为 在较高来流作用下水轮机产生的扭矩较大足以在相当程度上抵消系统阻尼对 能量利用率的影响。这也说明了本论文所依据的水轮机试验系统在较高的来 流作用下性能比较稳定。 2 4 本章小结 本章主要论述了本论文所依据试验的可控偏角竖轴水轮机系统的工作特 点。首先叙述了竖轴水轮机的工作原理，其次介绍了摆线式水轮机的叶片运 动规律以及试验中叶片的真实偏角变化规律，然后给出了有关水轮机性能的 重要参数的数学表达式。最后，以试验数据为依据，初步分析了水轮机的几 个主要参数对水轮机性能的影响，包括速比、偏心率、，叶片数、叶片弦长、 来流速度等。本章只是通过介绍可控偏角水轮机的性能影响因素概括可控偏 角竖轴水轮机的工作特点。对水轮机性能的详细分析以及叶片的运动、受力 的分析研究将放在第四和第五章。 1 6 第3 章可控偏角竖轴直叶水轮机的试验 可控偏角水轮机的叶片与转动主轴的安装位置如右图所示。在来流的作 用下，水轮机的叶片绕主轴 转动，同时叶片又围绕自身 的轴有一定程度的偏转。这 样，叶片的弦线与转动圆盘 的切线就形成了一个夹角 口，称之为偏角。当改变水 轮机的偏心率的时候，水轮 机叶片偏角随叶片位置改 变的变化规律也就随之改 变。如图2 1 所示。在试验 过程中，可以得到不同偏心 率状态下的叶片在各个位 图31 水轮机运动示意图 置的受力，包括垂直于叶片弦线的法向力和平行于弦线的弦向力，以及电机 对叶片作用使其产生绕自身轴线的转矩( 本文称之为俯仰力矩) 。从这些关键 的试验数据出发，通过数值处理可以得到水轮机在所对应水动力状态下的性 能数据，如水轮机的能量利用率等。 本次试验是可控偏角竖轴直叶水轮机的模型试验。试验的主要工作是对 比分析三种偏心率状态下水轮机模型的水动力性能并分析试验数据，总结出 各种参数的适应范围以及对水轮机性能的影响程度。另外，还要分析叶片的 真实运动以及受力的规律，讨论不同试验状态下叶片受力的变化规律及对水 轮机性能的影响。 3 1 研究的目的和内容 水轮机是潮流发电系统中实现能量转换的核心设备。水轮机的水动力性 能是否优越，直接决定采用该水轮机的潮流电站的经济价值。和竖轴璞板式 水轮机，摆线式水轮机样，可控偏角直叶水轮机仍属于传统竖轴摆线式水 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 m 一 im 篁 轮机的范畴，但却有着前者不具备的优点。具有良好的市场应用价值。 根据选择对叶片运动控制偏心率的不同，本试验所研究的可控偏角竖轴 直叶水轮机可分为e = 0 4 ，e = 0 5 ，e = 0 6 三种水动力状态。试验的主要目的 是获得衡量水轮机水动力性能是否优越的关键指标一能量利用率。利用该水 轮机模型允许对偏心率的大小和方向进行精确控制的独特优点，通过试验可 以对比研究三种状态下的水动力性能差异。这样就可以通过选择合适的偏心 率使叶片具有合适的偏角，从而获得性能最优的水动力状态。在此基础上， 可以改变每一种状态下的叶片数z ，叶片弦长c ，转速0 9 ，来流速度玖等性 能参数，通过对比试验研究它们对能量利用率的影响及影响范围。最后总结 归纳水轮机在最优状态下运行的性能参数，获得这些性能参数的最佳组合： 为以后编制试验图谱，预报潮流发电水轮机的性能计算方法提供试验数据的 参考。 根据以上对试验目的叙述，试验安排的内容如下所示： ( 1 ) 在来流速度不变的情况下对三种偏心率状态下的水轮机模型进行试验， 研究分析这三种状态下水动力性能上的差异。 ( 2 ) 在每一种偏心率状态下，分别改变水轮机模型的叶片数和弦长；研究密 实度对水动力性能的影响。 ( 3 ) 在每一种偏心率状态下，通过改变发电机的电阻负载来改变转动圆盘的 转速，研究速比对水动力性能的影响。 ( 4 ) 在每一种偏心率状态下，通过改变拖车前进速度来改变来流速度，研究 速比对水动力性能的影响。 3 2 试验设备与装置 3 2 1 试验设备 试验地点安排在哈尔滨工程大学船模水池实验室。试验模型平台安装在 该实验室拖拽水池的拖车上。拖车携带水轮机模型以不同速度在水池中前行 可以较好地模拟出水轮机在不同速度的来流下进行潮流发电的状态。 主要试验设备： 1 船模拖拽水池：长宽x 深= ( 1 0 8 x 7 x 3 5 米) 造波周期：o 4 4 秒 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - - i i l l li l llil i l l d l r ； ii i , i i 墨薯 规则波波高最大僮：0 4 米 不规则波有义波高最大值：o 3 2 米 2拖车速度范围： o 1 , - 6 5m s 连续可调，车速稳定精度为o 1 3转矩转速传感器 ，4转矩转速测量仪 5角位移传感器 6三分力测力天平 7负载发电机 8叶片驱动伺服电机 9d e l l 计算机 l o 滑动变阻器 l l 交流伺服控制卡 1 2p w m 驱动板 3 2 2 水轮机试验模型 水轮机载体 试验过程中，水轮机模型被安装在一台载体船模上，载体船模的特征参 数如下： 模型为玻璃钢材质，船体主尺度为： 表3 1 载体船模主尺度表 m m 己bd 垂t 2 0 0 01 2 0 04 0 0 7 1 52 0 0 其中l 为模型船长，b 为型宽，d 为型深，t 为吃水，垂为船模中心圆 井直径，为安装水轮机模型预窝空间。如图3 2 所示： 图3 2 载体船模示意图 1 9 哈尔滨工程大学硕七学位论文 水轮机模型的主尺度，叶片的相关参数如下表所示 表3 2 水轮机模型主尺度表m m 水轮机商径d叶片弦长c叶片展长b叶片翼型l 叶片数 z 一 眦。隹 垂口4 0 0 丙 c 试验水轮机模型采用三种叶片数和三组弦长用以分析密实度对性能的影 响；转动圆盘直径，叶片展长以及叶片转轴位置为定值。叶片控制机构采用 直流伺服电机控制叶片偏角变化。每一台电机控制一组叶片，这样就可以分 析偏心率不同时叶片偏角变化规律的不同，以及由此引发的叶片和转动圆盘 受力的变化情况。 图33 水轮机叶片控制机构 3 3 试验方案与测试手段 3 3 1 试验模型安装 水轮机模型及叶片驱动机构安放在载体船模圆井的中心，模型的主轴经 伞齿轮与同样安放在载体船模上的转矩转速传感器和负载发电机相连。试验 装置布置情况如图所示： 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 图3 4 水轮机试验装置布置示意图 1 、拖车测桥( 可升降) ；2 、稳定支架；3 、拖体天平；4 、负载发电机 5 、载体船模；6 、水轮机叶片 为了确保转动圆盘的迎流速度和拖车前行的速度相一致，载体船模通过 拖体天平与垂直安装在拖车上的支柱相连，使两者能够同步运动。为了尽量 减小侧向力对水轮机模型运行的影响，应该在载体船模两端添加约束条件。 载体船模四边安装了四个插销，用螺栓与安装在船模上方的钢制稳定支架相 连接。为了尽量减小稳定支架对船模的受力影响，在稳定支架的上方安装有 四个小轮。小轮只沿拖车测桥上的槽道往复运动。拖车测桥可在一定高度范 围内升降，便于船模吃水线的调整。如图3 4 所示。当拖车以一定的恒定速 度前进时，载体船模和水轮机模型一起运动。转动圆盘在水流的推动下开始 转动，其主轴通过垂直传动驱动水平放置的伞齿轮联接转矩转速传感器和负 载发电机。负载发电机将转动产生的机械能转化为电能，转矩转速测量仪输 出转矩和转速信号并通过数据采集系统输入到电脑中。转动圆盘转速的调整 通过改变滑动变阻器的电阻负载加以实现。同时，角位移传感器也同步记录 角度信号并通过r s 4 8 5 无线通讯传输到电脑中生成叶片位置角数据。 3 3 2 试验研究方案 根据以上所述试验内容，制订试验方案如下： 2 l 哈尔滨工程大学硕士学伉论文 i i ii ii i i i i i i i 警i i ；i i 昌篁黼篇篁葺宣暑置i 昌墨躺拦 ( 1 ) 最大量程下 | l 力天平的标定 试验过程中必须确定测力天平的量程范围以避免所测力的实际值超过测 力天平的量程范囤造成试验数据的错误和天平的损坏。测力天平分为两种： 一是测量叶片所受法向力，侧向力和俯仰力矩的叶片测力天平，其法向力和 侧向力的量程取相同数值。另一是拖车载体天平，用来测量整个水轮机模型 及载体船模在运行时所受的阻力，其量程范围要比叶片测力天平要大的多。 具体量程范围如下：( 单位：牛米) 三分力叶片测力天平：x ：1 0 0 牛眯；y ：1 0 0 牛米；m ：3 0 牛枣米 ( 2 ) 无叶片状态下特定吃水阻力试验( 裸船体受力测量) 试验过程中将所测量的速度范围确定为v 一0 2m s 到2 。8r n s 。共1 5 个数据采集点。把这1 5 个点情况下的阻力数据形成曲线。 5 5 s 0 s 4 0 3 5 耋3 0 2 5 2 0 l 纛 1 0 s 0 lo m m 吃凝窆舞马巨力曲线 o 50 t 5l1 2 si s1 7 s22 2 s 速度 謦3 。5 载体麓摸吃水隧力逮线圈 ( 3 ) 水轮机水动力性能测试 根据偏心率的不同，先后对g = 0 4 ，0 5 ，0 6 三种状态下的水轮机进行试 验。通过组合不同的叶片数、叶片弦长来改变密实度；通过组合不同的来流 速度、转盘转速来改变速眈。 在每一个偏心率状态下，不改变叶片弦长、转盘转速、来流速度；分 别采用甲、乙、丙组叶片进行试验；分析比较叶片数对水轮机性能的影响。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在每一个偏心率状态下，不改变叶片数、转盘转速、来流速度；分别 采用弦长各为么、口、c 的叶片进行试验；分析比较叶片弦长对水轮机性能 的影响。 在每一个偏心率状态下，不改变叶片数、叶片弦长、转盘转速；通过 改变拖车速度设定不同的来流速度进行试验；分析比较来流速度对水轮机性 能的影响。 在每一个偏心率状态下，不改变叶片数、叶片弦长、来流速度；通过 改变受载电枫的电阻设定不同的转盘转速进行试验；分析比较转盘转速对水 轮机水动力性能的影响。 3 3 3 测试技术 试验中需要采集大量数据。按模型构件的各个部分可以大致分为以下三 类： ( 1 ) 水轮机模型在工作过程中载体船模受到的阻力。 ( 2 ) 负载发电机的功率以及负载发电机转动轴的转速和扭矩。 ( 3 ) 叶片所受到的法向力、弦向力、俯仰力矩以及绕自身轴心的偏转角 度。 测量力的方法： 在准备试验前，将拖体天平固定在拖车之间与载体船模之间的支柱下端。 作为力传感器，拖体天平将测量载体船模在拖车前进过程中受到的阻力。天 平所受到的力改变天平内部应变片的电阻，将力信号转成电信号；再经过a d 转换输入计算机，最后利用专业数据采集软件d r d a s 进行采集、处理。叶 片测力天平测量叶片受力的过程与之大致相同。 测量转矩、转速以及功率的方法： 转矩转速传感器是专门雳来测量转轴类运动和力矩参数的仪器，在试验 中用来测量水轮机模型的转速、转矩和功率。在试验中，将传感器一端与负 载毫机的转动辘相连，另一端与转动凌盘主轴的伞齿轮相连。水轮机模型的 转动圆盘在受到来流作用旋转时，通过伞齿轮垂直传动带动传感器内部的转 轴一起旋转。测得的主轴转速、转矩以及功率信号由传感器转换成电压信号 再通过放大、a d 转换输入到转矩转速测量仪中。最后输入到工控p c 。为了 准确地采集试验数据信号并保证信号在时间上是同步的，采用了专业的数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采集软件d h d a s 数字信号采集分析系统。这是该软件界面： ：! 。：。，； 戆黪黪熙鄹嘲 图3 5d h d a s 数字信号采集分析系统软件界面 如图3 5 所示，d h d a s 系统将所要采集的数据分为三个通道：6 - 1 通道 显示载体船模受到的阻力；6 - 3 通道显示负载发电机转轴的转速；