（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）流水摆式发动机装置研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文提出了一种水流能量转换的新装置，称为流水摆式发动机，其可在 水流作用下摆动出力并带动发电系统将水流动能转换为电能。以此原理工作 的流水发动机吸收河流或海洋潮流动能，无需建坝，而且机构较为简单。这 为河流能或海洋潮流能开发利用提供了一种新的装置和途径。本文的研究目 标是初步建立这种摆式发动机的结构型式、控制机构及其控制方法，阐明水 流环境下发动机的工作原理，为后续研究奠定基础。 本文分析了流水摆式发动机水动力性能计算的基本公式，根据动量定理 和升力线理论计算了摆式发动机的性能。然后研制了一台在水槽中运行的试 验模型，并对模型进行了强度和可靠性校核。通过摆式发动机模型的水动力 性能试验，采集、分析试验数据，并将之与计算结果进行对比，确定计算理 论的可靠性。通过以上的理论计算和模型试验证明，这种流水摆式发动机可 以将水流动能有效地转化成电能。 关键词：摆式发动机；水动力性能计算；河流动能；动量定理；模型试验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sat y p eo fs t i n g r a yc u r r e n te n g i n ea n dd e v e l o p sar e s e a r c h m o d e lo p e r a t i n gi nw a t e rc h a n n e l t h ee n g i n es w a y si nm n m n gw a t e rt oc h a n g e t h ek i n e t i ce n e r g yo ft h er u n n i n gw a t e rt oe l e c t r i c e n e r g y t h ee n g i n ew o r k i n g u n d e rt h i st h e o r yc a na b s o r bt h et i d a lk i n e t i ce n e r g yo fr i v e r sa n do c e a n s i th a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sn on e e dt ob u i l dad a m ，s i m p l em e c h a n i s m ，l o wc o s t ， r e l i a b l er u n n i n ga n ds oo n i tp r o v i d e san e ww a yt oe x p l o r ef i v e ra n do c e a nt i d a l e n e r g y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nc o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o lm e c h a n i s m a n dc o n t r o lm e t h o df o rt h ee n g i n ea n di l l u s t r a t et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e e n g i n et oe s t a b l i s hab a s i sf o rl a t e rs t u d i e s i nt h i sp a p e r , t 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 ee n g i n ei sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt om o m e n t u mt h e o r e ma n dl i f t i n gl i n et h e o r y at e s tm o d e lw h i c h w o r k si nw a t e rc h a n n e li sd e v e l o p e da n di t ss t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t yh a v eb e e n c h e c k e d a f t e rd o i n gh y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n tw i t ht h ee n g i n em o d e l ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r ec o l l e c t e d ，a n a l y z e da n dc o m p a r e dt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t s t od e t e r m i n et h er e l i a b i l i t yo fc a l c u l a t i o nt h e o r y t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d m o d e lt e s ts h o wt h a tt h es t i n g r a ye n g i n ec a ne f f e c t i v e l yc h a n g et h ek i n e t i ce n e r g y o f r u r m i n gw a t e ri n t oe l e c 埘c i t y - k e yw o r d s ：s t i n g r a ye n g i n e ；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 n ；r i v e rk i n e t i c e n e r g y ；m o m e n t u mt h e o r e r n ；m o d e lt e s t 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) ：主遗 日期：o6 年3 月7 曰 哈尔滨上程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的目的和意义 河流的水力蕴藏量取决于径流量和落差的大小，我国河流水力蕴藏量约 为6 8 亿千瓦，占全世界河流水力蕴藏量的1 0 ，居世界首位。我国不仅有世 界上最高的山脉和高原，发源于青藏高原的长江和黄河自西向东奔腾入海， 巨大的河流落差为我国提供了丰富的水电资源：同时，我国还拥有丰富的河 川径流，流域面积在1 0 0 平方公里以上的河流有5 0 0 0 0 余条，东部地区的河 网密度在0 1 公里平方公里以上，据水利部公布的数据表明，我国河川径 流水力蕴藏量占总的水力蕴藏量3 7 。尽管如此，由于技术与规模的原因， 我国( 乃至世界) 目前的水电资源开发仅仅局限于利用河流落差水力发电。 至2 0 0 3 年，全国水电总装机容量为5 6 7 6 万千瓦，年发电2 1 2 5 亿千瓦小时， 分别占全国电力总装机容量的3 4 3 ，全国年发电量的2 8 7 。但随着全球 温室效应影响而退化以及上游生态与植被的日益恶化，导致长江、黄河源头 的冰川消融，两河水量严重稳定从而影响水电的稳定生产；同时，建设象三 峡等这样的大型水电站对上、下游的生态、水利等方面的长远影响还有待研 究与检验。 我国地大物博、一次能源总量较为丰富。除丰富的水力资源外，我国主 要常规能源中的煤炭探明储量6 0 0 0 亿吨以上，居世界第三位，石油地质储 量1 1 6 亿吨，居世界第九位，天然气总资源量4 5 万亿立方米，居世界第十 三位。但按人均拥有量分析，我国则为能源匮乏的国家之一。随着改革开放 以来我国g d p 持续高速增长以及能源消费弹性系数的不断攀高，近年来我国 成为能源进口大国，2 0 0 3 年我国纯进口原油突破7 0 0 0 万吨，成为美国之后 的第二大石油消费国，在煤炭产量1 3 亿吨的基础上进口了1 4 亿吨，天然 气进口2 6 亿立方米。因能源缺口的进一步拉大，2 0 0 3 年我国的电力供求缺 口为2 5 0 亿千瓦时。一方面是中国经济的高增长率和人民生活需求的急速膨 胀，而另一方面是资源的不断萎缩枯竭和环境的急剧恶化。能源告急势必影 响我国的可持续综合发展水平与国家安全。 当前，在向地壳、深海、太空寻求替代能源的同时，大力发展绿色可再 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生能源是我国能源发展的基本方向。诚上所述，占我国河流水力蕴藏量3 7 的河川径流动能至今尚未被人们所开发利用，哈尔滨工程大学潮流能利用研 究课题组在多年的水力学研究实践中，透彻理解了物体绕流产生的升、阻力 变化规律以及涡激效应的能量来源于水流动能的原理，通过适宜的能量转换 机构可实现将河川径流动能转换为电能并为人们方便利用。对此，我们提出 了建设可用于河流径流发电的新型装置一流水摆式发动机。与高投入、大规 模、集中型的落差水力发电系统相比，流水摆式发动机及其发电系统是一种 适宜于任何地形地貌及地质条件下的小型河流发电装置，具有勿需筑坝、机 构简单、造价低廉、拆装便利、迁移方便、效费比高等诸多优点，非常适合 于供给偏远山区的林场、牧场、农场及渔场散户居民点的日常生活与生产用 电。若将摆式发动机单元集结为群，则可用于丘陵或平原地区( 较) 大型河 流的一定规模发电。 本项目的核心技术是河川径流动能的高效转换，转换原理是将水流的动 能转化为摆体往复振荡运动的机械能，再将这种机械能通过一定装置转换为 稳定的电能。初步的查新资料表明，目前国内外尚未有同类技术及产品( 或 样机) 。通过本项目的深入、系统研究，我们试图掌握水流动能与摆体振荡 运动机械能之间高效转换机构的水动力机理、工作特征及其运行特性，并预 期通过示范性样机开展河川径流能利用技术的推广与使用，这一工作具有重 要的水动力理论学术意义和工程实用价值，必将对水力资源利用及水力发电 技术产生新的再认识，并为此填补我国在这一领域的空白，为推动我国绿色 可再生能源的研究与应用找到一个新的切入点。 为使本项目研究有所依托，项目组成员深入黑龙江省嫩江县进行了实地 考察。嫩江流域东高西低，为山区半山区、丘陵缓冲地带，仅嫩江上游的大 小河流和小流域河叉就有百余条。嫩江县的1 3 个乡镇和1 个种畜场共有1 3 0 多个放牧点，这些牧业点依水而居，因缺电或无电严重影响了业者的生活水 平和生产效率。作为技术推广与应用，项目组拟在合适的河道中建设一台示 范性流水摆式发电系统样机，更长远的目标则试图解决嫩江县等此类地区远 离村屯畜牧场和林场点居民的生活照明、提水以及小生产用电等农牧民迫切 需要解决的问题。 本论文工作是国家自然科学基金项目“流水摆式能量转换装罨水动力学 2 堕尘堡三型盔芏堡主堂笪鲨奎 机理与性能研究”( 批准号：5 0 5 7 6 0 1 5 ) 和黑龙江省重点科技攻关项目“流 水摆式发动机及发电系统研究”( 编号：g c 0 4 a 3 0 7 ) 的一部分。 1 2 流水摆式发动机性能研究综述 国内河潮流能研究始于1 9 8 2 年。初期，哈工程大学朱典明教授带领科 研组首先开展了水轮机水动力性能理论和试验研究，在实验室进行了6 0 w 、 1 0 0 w 直叶自调角和摆线水轮机模型试验，在叶片控制( 如连杆、凸轮弹簧、 双凸轮式) 等方面做了大量的工作。 自1 9 8 5 年开始进行河流电站的研究设计，1 9 8 9 年“l k w 直叶片河流发 电装置”在黑龙江省龙凤山水库进行了两个月的发电试验，并通过验收，1 9 9 7 年摆线式水轮机获得国家专利。 九十年代末，课题组开始研究潮流电站的相关技术，1 9 9 5 年完成了“1 0 k w 潮流实验电站”技术方案，2 0 0 2 年在舟山海域建成了我国首座“7 0 k w 潮流 实验电站”，并完成了海上试验。 欧美在潮流水轮机与发电系统方面的研发技术已经有了很大进展，正逐 步从商业示范型的向规模实用型发展。 1 3 本文的工作内容 本文中分别采用动量定理方法和升力线理论方法对流水摆式发动机的 水动力性能进行了分析与计算。研制一台能够在水槽中运转的试验模型，通 过模型实验，采集、分析试验数据，并将之与计算结果进行对比，分析该计 算理论的可靠性和发动机的可实现性。本论文主要完成了以下几方面工作： ( 1 ) 提出一种高效的流水摆式发动机新装置。 ( 2 ) 进行发动机高效工作的水动力学机理及工作特性研究。 ( 3 ) 对能量转换装置机构进行设计，并进行强度与可靠性校核。 ( 4 ) 发电、电力控制模式及其监控系统研究。 ( 5 ) 研制一个流水摆式发动机模型，进行发动机性能的初步试验性研 究。 ( 6 ) 采集并分析试验数据，确定计算理论的可靠性，为后续的研究工 作提供理论参考。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章流水摆式发动机的水动力分析 流水摆式发动机的叶片是垂直地安装在一个水平轨道上，如图2 1 所 示，水流推动叶片并带动发动机沿轨道运动，叶片自身并不旋转。通过调整 叶片与水流方向之间的夹角，可使发动机工作在不同的水动力状态下，从而 使叶片受到的力不同，发动机的输出功率也不同，在相同流速情况下输出的 电能就不同。 这一章首先讨论一下流水摆式发动机的水动力学原理，确定其能量利用 率以及其它水动力参数的求解方法。 2 1 叶片的运动与受力 2 1 1 坐标系及叶片运动分析 如图2 1 所示，取大地 坐标系侠弦，x 轴沿水平方 向，z 轴沿叶片展长方向， 该坐标系不随叶片运动而 变化。0 是叶片弦线a b 与 水流方向的夹角，称为偏角 或几何攻角。 水流以等速n 沿x 轴 方向流向叶片，叶片的横向 移动速度为v ，方向为沿着 ， 瓷 1 匕 d 图2 1 叶片运动分解图 y 轴的正向。分析中假定叶片不动而仅考虑水流相对于叶片的运动。 考虑单个叶片的运动情况，v 是叶片的诱导速度分量，方向为y 轴的负 方向，v = 一v ： k 为合速度分量，方向由各速度分量的大小和方向确定；口 为叶片水动力攻角，即合速度矢量v 。与叶片弦线a b 的夹角；妒为合速度矢 量v 。与水流方向的夹角。当叶片启动并工作足够长时间以后，叶片的横向速 度矿可视为常数，以上各速度分量及合速度都可视为时间t 的函数。合速度 4 哈尔滨上程大学硕士学位论文 可用矢量关系式表示 v r = l + v ( 2 - 1 ) 为了后续分析和计算的方便，下面将关系式( 2 1 ) 在几组相关坐标系中进 行分解。 口= 目一妒( 2 - 2 ) c o s 妒= ( 2 - 3 ) k s i ne p = 一v ( 2 4 ) 由式( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可得叶片水动力攻角 a = 口 f v 、 一喀l 刊 ( 2 - 5 ) 以及合速度 = 呀+ ( _ v ) 2 ( 2 6 ) 为方便起见，定义如下和速度有关的无因次系数 合速度系数 瓦= 鲁 ( 2 _ 7 ) 斟e 肛青( 2 - 8 ) 于是，式( 2 - 3 ) ( 2 - 6 ) 可无因次化如下 s i n 伊= 一a ( 2 - 9 ) 瓦c o s 6 p = 1 ( 2 一l o ) 口= 口一n ，c 留( 一去) c z 一，- ， 瓦= 五2 + 1 2 ( 2 1 2 ) 2 1 2 叶片受力分析 考虑单个叶片剖面的受力情况，叶片剖面上受到的作用力主要由升力和 阻力组成，除此以外，还受到由于加速运动( 在起动和翻转时的非定常运动) 所产生的其它附加力，在此不妨把这部分力称作流体惯性力“1 ，在后面进行 专门计算。 考虑叶片剖面上受到的作用力，如图2 1 所示，在t 时刻，叶片受水流的 作用力( 升力l 和阻力d r ) 可表示为 l = c l 吉p v ；c ( 2 1 3 ) d r = c d 丢；c ( 2 - 1 4 ) 以上两式也是单位展长的叶片受到的作用力，作用于整个叶片上的升力 和阻力如下 l = l c lr 去p v ；c d t ( 2 - 1 5 ) d ，= l c o 鼍；c d l ( 2 - 1 6 ) 式中c 和6 分别为叶片的弦长和展长；p 为流体密度；c 、c 。为翼剖面 的升力系数和阻力系数，两者随叶片水动力攻角口的变化而变化，而攻角口又 随时间t 的变化而变化。 在水流作用下，图2 1 所示叶片受到的推力f ，p ) 、侧向力f ，p ) 可以用升 力l 、阻力d r 以及偏角口表示如下 t x p ) =i n ( o + d , c o s l ( o d l o。 ( 2 1 7 ) 6 、 = 鲁j v ；c c zs i n ( o + c oc 。s 妒枷 o p ) = 皿c o s l 9 0 - d , s i n 口o d l o (2一18)b ， = 鲁坛c 虹c 。s 妒一c ds i n 妒枷 g p ) = 戌，止s i n 一口) 一d rc 。s 如一目) 】胡 ：罄啦岫i 一删讲 1 哈自滨j 二程大学硕士学位论文 将式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 一1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入以上三式，经过简化计算有 b f ，p ) = i l l c 0 8 妒+ d ，s i n 口o d l i = - - ，- p 。jv 。c 眨( 一v ) + c y a d l ( 2 - 2 8 ) 一0 = 导j _ c c 。o ) + c o d r f 。p ) = i l l s i n p 一皿c o s 驴】删 = 鲁b j 圪c 眨_ 一c 。卜v ) 】椰 ( 2 2 9 ) = 鲁b 仍珞c 畋一g z 】刃 2 2 诱导速度的求解方法 诱导速度的求解是发动机水动 力性能求解的基础，也是人们重点 研究的课题之一。本文采用已有的 一些计算方法，如基于动量定理的 方法和基于旋涡理论的方法。为了 使发动机在运行过程中更高效和更 可靠，在这一节中分析、比较了这 些方法在实践中的运用效果，并对 它们进行了总结和改进。 基于动量定理方法的基本思路 是：运用动量定理，建立流体来流 图2 2 叶片受力分解图 2 讲 讲 回 c 一4 一 钼 劬 一 c 伍 珥 证 - s 毋 f c 一4 蜘 胎 s 矿 三 6 j o o什弘。p2 = = p “ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方向的动量变化率和叶片单位时间受力之间的动量方程式，再加上叶片攻角 和诱导速度之问的运动方程式，迭代求解出攻角口。 下面将给出基于动量定理方法的推导过程和计算步骤，假设叶片为较大 展弦比的矩形机翼，如图2 2 所示 口= 0 一妒( 2 - 3 1 ) 旯= v = t a n c p = 吃c o s o 将叶片受力分解为沿弦向的切向力和垂直于弦向的法向力 几= 阪去p 啄c 饥 ( 2 3 2 ) 亿= f c d 1 p v ：c d l ( 2 3 3 ) ； 厶 叶片的横向力为 e = 层c o s 妒一s i n f 口 ( 2 - 3 4 ) p = f r v ( 2 3 5 ) 式中，r 是叶片沿y 轴正方向分力的大小。v 是叶片的横向运动速度。 由( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 、( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 可得叶片运动功率 p = ( 乃c o s c p 一吒s i n t p ) x v = 陋j 1p 啄伽唧一雕p 啄删小叫，q 。3 6 由公式( 2 3 6 ) 可知，当叶片处于稳定状态时，在相同的形和0 下，功率p 只与驴有关，具体计算步骤如下： 第一步，取第一个几何攻角最= 1 5 。，来流速度分别取以= 0 8 m s ， = 1 0 州s ，= 1 2 州s ，屹= 1 5 州s 四种情况进行叶片的水动力性能计 算： 第二步，根据试验水槽的实际情况取叶片的运动距离为1 2 m ，选取时间 间隔步长d t = 0 0 2 5 s ； 第三步，假设叶片的碰撞翻转过程是瞬时完成的，碰撞后叶片几何攻角 发生变化的时问很短，且发动机工作时的负载为恒定值。取初始状态下叶片 几何攻角o o = 3 0 。，来流速度n 恒定，叶片的诱导速度v = o m s 进行计算； 堕堡堡! 堡盔鲎堡主堂鱼堡壅 第四步，根据公式( 2 3 2 ) ，( 2 - 3 4 ) ， ( 2 - 3 5 ) ，( 2 - 3 6 ) 以及在初始时刻 叶片的水动力攻角与几何攻角相等，即= p ，计算出初始时刻叶片的横向 受力f ，； 第五步，假设叶片的第i 个速度间隔步长为v ，加速度间隔步长为a ， 攻角间隔步长为a i 以及夹角的间隔步长纯。 根据起始时刻= 口，只= m a 。，v i = a , d t 计算出下一段时间步长的v 2 ， 带入公式 r 。、 ( p = f l l c t a r l i 贵j ( 2 - 3 7 ) = a r c t a n _ ( i1 以及公式( 2 3 1 ) ri 、 口f = 口一a r c t g l 一l la , i 计算出下一段时间步长叶片的水动力攻角8 。再通过公式( 2 3 2 ) 、( 2 3 4 ) 、 ( 2 3 5 ) 、 ( 2 3 6 ) 计算出这一段时间步长叶片的横向受力。= m a ：， u = a 2 d t ，依此类推，进行迭代。 求解出水动力攻角口并带入公式( 2 - 5 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 1i ) 、( 2 - 3 4 ) 、( 2 - 3 6 ) 、 ( 2 3 7 ) ，分别求出匀速运动时叶片的横移速度y 、横向受力f 、速比旯以及 功率p 。计算中的质量m 包括叶片质量m 、叶片连杆以及随连杆一起运动 的各部分零件质量m ：、以及叶片在水中运动的附加质量7 1 之和。叶片的质 量材，、叶片连杆以及各部分零件质量膨：可通过实际测量得到。叶片的附加 质量删将在2 3 节中求解得到； 第六步，分别计算不同叶片几何攻角鼠的情况。根据公式( 2 3 6 ) 比较不 同叶片几何攻角情况下的功率p ，从而得出叶片的最佳几何攻角臼，； 第七步，在叶片最佳几何攻角巩的情况下，根据上面计算的叶片横向受 力f v ，选取不同发动机负载进行计算，得出发动机的最佳功率巴以及最佳效 率印。； 第八步，做出五一p 和五一c 。曲线，对获得的理论数据进行总结与分析， 以便与试验结果进行比较。 具体在求解过程中，可以根据需要构造不同的迭代关系式，并目适当选 9 哈尔滨j 二程人学硕士学位论文 取迭代初始值，以达到事半功倍的效果。当然，迭代也有可能不收敛，这往 往和初始值的选取以及迭代关系式的构造有关，这可以通过用一些数值方法 对迭代关系式进行加工使其收敛“。 2 3 附加质量 叶片在水流中加速运动时，由于附加惯性力的作用，其质量相当于在真 空中运动时的叶片自身质量m 增加一个叶片的附加质量m 。附加质量由物 面上的单位运动绝对速度势西决定，与流体密度、物面形状和运动方向有关， 与时间无关。 物体在无界流场中作六自由度的变速运动时的动能及附加质量： 将速度势的表达式 庐= ( 2 3 8 ) 带入m = 一p 撖靴中，得到流体的动能 ：。o n 一圭p 少豢一；喜私 p 黟等叫s 。， 其中破为单位绝对速度势，引入广义的附加质量 m f = 一p 跏善办( f 1 2 ，6 川如，6 ) ( 2 珈) 动能表达式可简记为 t = 去m 口l 巧 ( 2 4 1 ) 广义附加质量m 。表示物体沿方向运动引起的i 方向上的附加质量，其 共有3 6 项。当f ，j = 1 , 2 ，3 时，m 。具有质量的因次，当f ，j = 4 , 5 ，6 时，m 。具有 惯性距( 转动惯量) 的因次。 平板叶片的弦长c 在平行于水槽壁方向上的投影为c c o s 0 。根据j n 纽 曼的船舶流体动力学“”中提到的简单形状物体附加质量计算方法，可以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得到平板叶片的近似附加质量m 。： 驴印b 口 2 蚴 2 4 碰撞翻转过程 叶片的碰撞翻转能否顺 利实现，是关系到流水摆式 发动机能否正常运转的一 个关键因素。只有叶片能够 顺利翻转，流水摆式发动机 才能够正常运转。 当叶片以匀速v 碰撞在 槽壁的碰撞头上时，就会使 碰撞头后面的弹簧被压缩。 同时，叶片会以它的转轴为 回转中心开始旋转。以叶片 了 k! 土a tv o h 她_ r 。研武 l c o s 0 2 + ， c 武 图2 3 叶片碰撞翻转示意图 x 的质，o c 为坐标原点，对叶片进行受力分析，如图2 3 所示，此时叶片受到 作用于叶片压力中心b 上的水动力f ( 由于叶片的翼型是对称的，所以压力 中心位于叶片弦长的四分之一处) ，作用于碰撞点a 的弹簧弹力k e 以及作用 于转动点o 的系统摩擦力r 。 根据动量定理以及动能定理对上述各力进行分析： 叶片上的碰撞点a ，叶片压力中心b ，叶片转动中心o ，以及叶片质心c 的几何关系如图2 3 所示。对叶片受力分析如下： k 6 一f + t = m a 。 ( 2 - 4 3 ) 厂，、 如0 一b c o s p ) 一f i c o s 0 - - e c o s ol = 。彬 ( 2 4 4 ) 山 l ，m v ；一足0 + ) + f j ：一乃，= 寺k 2 ( 2 4 5 ) 二 其中，m 为叶片的质量与附加质量之和，为叶片相对于通过质心转轴 的转动惯量，0 为叶片的几何攻角。h 为碰撞点距离质心c 的距离，e 为叶片 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转轴到质心c 的距离，口，为叶片在质心c 处的加速度。 在起始时刻，叶片以匀速v 接触到碰撞头，此时叶片上每一点的加速度 皆为零。之后，由于弹簧弹力的作用以及叶片的自由转动，根据图2 3 所示 的叶片上各点的几何关系，加速度可以得到如下关系： “= j 1 a 6 = 艺 a 。= 墨 ! ! 二墨：! 二! ! ! ! 旦( 2 - 4 6 ) 占2 5 ， 三c o s 口一已c o s 口 生二! ! ：! ! ! ! 旦 a 。一o o h e c o s o s f 旦1 一s 0 鱼二生： ! a a a o h e c o s 0 当叶片的速度v 变为零时，叶片的几何攻角变为吼，叶片的横向力为f 0 ， 弹簧压缩到最大值，此时可以给叶片提供x 。的弹力。 ，t、 k e o ( h - e c o s o o ) 一fc o s 目一8 c o s 口i = ，哦 ( 2 4 7 ) 0 一 由( 2 4 3 ) 、( 2 4 4 ) 、( 2 - 4 5 ) 、( 2 - 4 6 ) 、( 2 - 4 7 ) 五个公式联立解方程组， 计算出弹簧的弹力是否能够使叶片几何攻角口变为0 。若弹簧弹力能够使叶 片几何攻角臼变为0 。，则翻转成功，流水摆式发动机模型能够正常运转，反 之则翻转失败，摆式发动机模型不能够正常运转。 由此可见，叶片能否顺利翻转是由弹簧的弹力 o ，叶片的撞击速度v ， 叶片上各点之间的位置关系等多方面的因素综合作用结果所决定的。 2 5 升力线理论方法 如果展弦比较大，机翼的流体动力特性可以用具有相同剖面形状和迎流 角的无穷长二元机翼结果来近似模拟，对于有限展长机翼将不可避免的会后 向伸出漩涡，从而使流体的流动特性发生变化，成为三元流问题。在分析自 1 2 堕笾鋈三堡盔堂堡主堂焦丝塞 由漩涡系的影响时，根据机翼弦长尺度较小的特点，可以用一条集中的固着 漩涡( 升力线) 来近似代替。其强度r ( z ) 沿展向变化，而相应的自由漩涡系 在升力线上任意点的诱导下洗速度可以用b i o t - s a v a r 定理确定。可以认为 这个诱导下洗速度在整个剖面上为同一常数。诱导下洗流的作用，相当于将 均匀流向下偏转了一个下洗角占，占= 号，偏转后的气流称作有效气流，该剖 面的有效迎角迎流为 口e = 口一占 其中a 为机翼的几何迎流角。 给出环量沿翼展的分布后，作用于任意展向位置上沿展长单位长度一段 机翼上的流体动力可由儒可夫斯基定理求出 r = p u t r 垂直于有效速度。将r 向o y 、o x 轴投影，得到单位展长一段机翼的 升力y ，和诱导阻力d ( o x y z 为气流坐标轴) ，7 = r c 0 8 s 尺 即 畦= r 1s i n r t y = p u t q = p v i f 可以注意到，由于自由漩涡系的下洗作用，有限翼展机翼的阻力不为零， 这是与二元机翼的不同之处。 整个机翼的升力为 y = f 2 2 y 娩= p uf 1 1 2 f d z ( 2 - 4 8 ) 代入r ( 口) = 2 v t x b s i n n o ? 导 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y = 要p u 2 1 2 b i 1 机翼的升力系数 q 2 去硼蜀 ( 2 - a 9 ) = p u 。6 式中s 为机翼的面积，a 为机翼的展弦比，a = 1 2 s 。机翼的诱导阻力为 q l = 丘q l 出= p 丘2 - 阮 ( 2 5 0 ) 式中 所以 机翼的诱导阻力系数 d r 叶2 击连考舢车等 s ， q f = 詈p u 2 1 2 t ，n 群 嚷2 知q i = 兢苹碱 f 5 2 ) 由此，可以把摆式发动机叶片模拟成机翼，根据升力线理论计算作用于 叶片上的升力和阻力。 2 6 本章小结 本章首先分析了流水摆式发动机的运动规律和受力情况，对其水动力性 能计算方法进行了归纳与整理。然后重点讨论了叶片诱导速度的求解方法， 并给出了求解的具体过程。由于在本章所述的方法中，都是对实际情况进行 简化，考虑一些影响性能的主要因素，而忽略掉了另外一些因素。计算方法 基于动量定理，忽略了攻角变换的时间。而且由于此种发动机的叶片攻角 很大，存在着攻角收敛慢甚至不收敛等问题，有待进一步改进。在实际求解 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 过程中使用了一些修正方法，用经验的或理论的方法去修正已有算法，可以 得到和实际情况更接近的结果”，在后面的章节中会对其中的某些修正方法 进行一些描述。 本章的目的在于寻找一种摆式发动机水动力性能和能量利用率的计算方 法，为后面的优化设计做准备，在后面的章节中将给出具体的算例，来验证 这些方法的正误与优劣，并且和优化结果进行比较。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章流水摆式发动机模型试验 根据第2 章的理论，可以计算出流水摆式发动机的水动力性能。但是， 理论计算是在理想状态的，与实际发动机的工作情况存在一定差异，需要进 行实际验证，才能更好的完善流水摆式发动机。本章要做的就是，研制一个 流水摆式发动机模型，在现有实验室条件下进行模型试验，采集和分析试验 数据，并对这种新型发动机的研究设计方案提出改进建议。 3 1 试验模型 3 1 1 模型设计的思路及试验系统构成 考虑到摆式发动机装置运动的特点，选择在哈尔滨工程大学循环水槽中 进行模型试验。该水槽的主尺度：试验段宽i 7 米、水深1 5 米，最大水流 速度2 o m s 。目标是基于该水槽环境条件设计一个流水摆式发动机试验模 型，进行系统试验、采集与分析试验数据，与理论计算结果对比分析，验证 理论的可靠性。 该试验模型由支撑系统、叶片、叶片运动机构、机械传动系统、惯性飞 轮以及发电机等组成。 支撑系统中的槽钢主横梁直接架设在水槽槽壁上，流速可按照需要进行 调整，叶片受到水流冲击，会顺着槽钢主横梁( 轨道) 从水槽的一侧运动到 另一侧。在轨道两端的竖梁上装有弹性碰撞头，叶片在撞上碰撞头后会产生 翻转，迎流攻角改变方向，这样叶片开始反向运动，从而实现摆式发动机的 往复运动。 为了使发电机能够有稳定的电压输出，通过链条条传动将发动机的往复 运动转换成回转运动。具体做法是，通过叶片的往复运动，带动与其相连的 链条运动，链条运动又带动了固定在槽钢主横梁上的链轮转动，从而带动飞 轮转动，飞轮再带动发电机做功。由于发动机叶片的运动是往复运动，为了 提高能量利用率，使该机构更合理，采取了特别措施，由两个链轮分别带动 安装在同一主轴上转动方向相反的飞轮。由于飞轮具有只能由链条单方向带 动的特性，保证了无论叶片朝哪个方向运动，发电机始终保持同向旋转，持 哈尔滨工程人学硕十学位论文 续产生电压输出。为了保证机构运行的稳定性，在装有飞轮的主轴一端安装 有一个质量较大的惯性飞轮，在槽钢主横梁的另一端则安装有位移电位计， 可测得叶片运行的位置。 为了获得理论分析所需数据，在叶片与回转轴之间安装有应变式测力天 平，可测得叶片运行过程中作用于其上的的法向、切向力以及回转力矩。在 转动轴的末端安装有角位移电位计，可测得叶片的几何攻角。同时，需要采 取一些措施保证电位计与测力天平上的连接导线不会产生缠绕和相互干扰， 更不会因为叶片的运动被拖入水中。 3 1 2 模型设计 ( 1 ) 试验装置设计 同一传动系统中的链轮、飞轮、各主轴上的传动滑轮以及随动轮必须保 证处于同一个平面内；各主轴上的链轮之间要保持一定的间距：各传动轮之 间在纵向也要留有一定的距离余量，以免发生链条与链条之间的相互干扰； 必须保证槽铝滑道的结构强度，若强度不足则会发生弯曲现象而增加叶片运 动中的滑动摩擦力；必须保证槽铝滑道与转动轴上的轴承之间安装紧密性， 使二者之间不会因产生滑动丽增加摩擦力：碰撞头与叶片的接触点和叶片转 轴之间要有一定的可调节距离，以避免理论计算与实际试验时产生的误差对 叶片翻转运动造成影响；碰撞头装置要选择弹性系数适当的弹簧，处于初始 状态时的弹簧要保留有一段可调节的预压量，碰撞头应保证光滑以避免损伤 叶片。 ( 2 ) 摆式发动机叶片设计的条件 作为摆式发动机的叶片，首先要保证具有足够的迎流面积a ；在水动力 攻角不大时，其升力系数要远远大于阻力系数；叶片应具有一定的质量，保 证在碰撞过程中产生足够的惯性，使得叶片能够成功翻转；叶片的碰撞点， 水流压力中心、叶片转动轴位置以及叶片质量中心之间要保持合理的位置关 系，避免对叶片翻转过程产生不利影响。 ( 3 ) 流水摆式发动机模型的强度校核 水流冲击叶片时，连接叶片的回转轴会产生巨大的弯矩；叶片在撞到碰 撞头翻转过程中，控制叶片角度的零部件也会产生疲劳磨损。这两处地方是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要进行强度校核的主要地方。 根据以上的思路和要求，设计出的流水摆式发动机试验模型如图3 1 、3 2 和3 3 所示。 图3 1 摆式发动机模型正视闰 图3 2 摆式发动机模型俯视图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 摆式发动机模型立体图 3 2 流水摆式发动机模型试验 3 2 1 试验设备与仪器 流水摆式发动机模型，叶片( 试验需要的几种型号) ，应变式测力天平( 三 分量) ，发电机( 额定电压3 6 v ，额定功率1 0 0 w 的标准交直两用电机) ，滑 动变阻器组( 4 4 q + 9 6 q + 6 6 7 f 2 ) ，高精度电位计( 2 个) ，应变仪、信号放大 器、数据采集与分析处理器等。 3 2 2 试验内容与步骤 ( 1 ) 试验内容 发动机叶片的定常试验，确定叶片的升力、阻力系数；确定叶片能够翻 转的最低流速试验；确定不同流速下叶片的最佳几何攻角( 固定负载改变几 何攻角试验) 试验；最佳几何攻角下的发电机功率和效率试验( 固定几何攻 角改变负载试验) ；翼型翻转与弹簧刚度关系的试验等。 哈尔滨工程人学硕十学位论文 ( 2 ) 测量参数 叶片的几何攻角曰，叶片的横向位移d ，不同流速下摆式发动机模型运 转的周期，发电机输出的直流电压值【，与发电机相连接的滑动变阻器组 的阻值r ，作用于叶片上的法向力e ，、切向力以及扭矩m 。 ( 3 ) 试验步骤 a 、试验准备 首先，对测力天平进行标定，得出输入信号与输出信号之间的关系( 灵 敏度系数) ，然后将发动机叶片与测力天平、模型试验装置以及测量设备连接 好。 其次，在不带负载的情况下测得模型试验装置加带发电机和不加带发电 机时整个系统摩擦阻力值的大小。 最后，将整个试验模型安装在循环水槽上，如图3 4 所示，对发动机叶 片的几何攻角测量装置( 角位移电位计) 和叶片位移测量装置( 位移电位计) 进行标定。 图3 4 流水摆式发动机试验安装图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b 、模型试验 具体的试验步骤见表3 1 。 表3 1 试验内容与步骤 试验内容 试验的具体步骤 ( 1 ) 将叶片固定在发动机上的某一位置，使之 不会沿滑道作横向运动； ( 2 ) 调整叶片几何攻角至起始值0 = 9 。，设定 叶片的定常试验( 确定叶 水流速度分别为= 1 0 叫5 、= 1 1 m s 、 n = 1 2 m 厶，测得作用于叶片上的切向力、法向 片的升力、阻力系数) 力以及经过水流冲击之后叶片的攻角变化值，以 便进行误差修正； ( 3 ) 调整叶片的几何攻角，每次增加3 。，重复 上述步骤，直至增加到叶片的几何攻角为5 r 止。 ( 1 ) 选取弹性适中的碰撞弹簧； ( 2 ) 选择不同的几何攻角进行模型试验： 确定叶片翻转的最低流( 3 ) 对于每一几何攻角情况，使水流速度从 速试验n = o 6 m s 开始，逐渐增加，观察叶片能够顺 利翻转的流速值； ( 4 ) 仪器采零。 ( 1 ) 进行叶片的小几何攻角模型试验：选择固 定负载( 电阻r = 8 0 7 q ) ，进行固定负载变攻角 的模型水动力性能试验。 确定不同流速下叶片的 设定某一流速，从几何攻角0 = 9 。开始，每次增 加3 。，一直增加到0 = 2 4 。止，测量和观察作用 最佳几何攻角 于叶片上的水动力以及叶片运动规律。改变水流 速度，重复上述实验。 ( 2 ) 进行大几何攻角的模型试验：选择固定负 载( 电阻r = 1 4 0 d ) ，进行固定负载变攻角的模 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型水动力性能试验。 设定某一流速，从几何攻角0 = 2 5 。开始，每 次增加5 。，一直增加到臼= 5 5 。止，测量作用在叶 片上的水动力以及叶片的运动规律，改变水流速 度，重复上述实验。 ( 3 ) 所选取的试验流速分别为n = 1 0 m s 、 = 1 1 m , 、以= 1 2 m , 、巧= 1 3 m s 。 ( 1 ) 在进行了固定负载变攻角模型水动力性 能试验之后，对试验数据进行处理和分析，得到 电阻为1 4 0 ( 2 情况下的流水摆式发动机模型叶片 的最佳几何攻角巳。选取巳+ l o 。、巩、以一1 0 。 最佳几何攻角下的发电 三个角度进行固定几何攻角变负载的模型试验； ( 2 ) 调整好叶片几何攻角p 之后，分别使滑动 机功率和效率试验 变阻器组的电阻为2 2 q 、4 4 q 、9 2 q 、1 4 0 f 2 ， 2 1 0 q ，在5 种不同负载情况下进行固定几何攻 角变负载的模型试验，采集相关数据。 ( 3 ) 选取的试验流速分别为矿。= 1 0 m s 、 以= 1 1 州s 、巧= 1 2 m s 。 ( 1 ) 选取三组弹性系数s 不同的弹簧，分别进 行叶片翻转性能试验。 ( 2 ) 撤下连接在摆式发动机模型上的滑动变 叶片翻转和弹簧刚度关 阻器组，在不带负载的情况下进行该项试验。 系试验( 3 ) 测量安装有不同弹性系数弹簧碰撞头的 流水摆式发动机模型叶片在碰撞翻转过程中所 需时间，找出所需时间最短的弹簧，进而分析适 合应用于流水摆式发动机的弹簧刚性系数。 哈尔滨i ：程火学硕士学位论文 3 3 试验现象的描述与分析 根据观察，流水摆式发动机在小几何攻角情况下固定负载改变叶片几何 攻角、大几何攻角情况下固定负载改变叶片几何攻角以及固定叶片几何攻角 改变负载的三项模型试验中有着不同的试验现象。 ( 1 ) 固定负载改变叶片几何攻角试验中的现象与分析( 小几何攻角) ： 在叶片几何攻角0 = 9 。、水流速度矿。= 1 o m s 时，叶片能够顺利完成碰 撞翻转动作，流水摆式发动机模型可以正常运转。叶片的翻转过程非常连贯， 翻转所需要的时间也比较少。此时，叶片的运行缓慢，勉强可以沿发动机的 轨道作往复运动，带动发电机惯性飞轮的转动不连续，往往会间断较长时间。 随着水流速度增加，流水摆式发动机的运转状态变得流畅起来。增加叶片的 几何攻角，其运行速度逐渐加快，而且加快的幅度越来越大。叶片的翻转过 程依旧连贯，翻转所需时问也较少，带动发电机惯性飞轮的转动越来越连贯， 但是偶尔还会有间断现象发生，发动机模型的结构状态没有发生变化。 这是由于在叶片几何攻角较小时，水流冲击叶片进而作用在叶片上的横 向力非常小，刚刚可以克服发动机模型的负载以及滑动摩擦力做功，勉强能 够推动叶片运转。随着流速增大，作用于叶片上的横向力变大，而负载没有 改变，因此发动机模型的运转变得顺畅起来。虽然系统的滑动摩擦力亦会有 所增加，但其增加的幅度不大，因此发动机模型的运转会顺畅得多。在叶片 几何攻角较小时，叶片受到的作用力和扭矩都比较小，不会对发动机模型的 结构强度造成太大影响。 ( 2 ) 固定负载改变叶片几何攻角试验中的现象与分析( 大几何攻角) ： 叶片的几何攻角0 = 2 56 时，发动机模型的试验现象与小几何攻角时相差 不大。当几何攻角0 3 5 。之后，叶片在翻转过程中开始出现不连贯的现象， 叶片碰撞到碰撞头后其几何攻角迅速变为零度，翻转开始时叶片的转动非常 缓慢，当叶片的几何攻角超过某一个角度以后，就迅速翻转到最大角度，叶 片翻转所需的时间以及在叶片翻转过程中叶片横向运动的距离都一直在增 加。而且这种现象随着叶片的几何攻角继续增大而越来越明显，增加来流速 度也会加剧这种现象的发生。当几何攻角口= 4 56 时，其横向运行速度达到最 大值。随后，叶片的几何攻角再增加，其运行速度反而会