豎軸潮流能水輪機水動力性能的研究與實驗.pdf

1、化石燃料的大量使用造成了環(huán)境惡化和常規(guī)能源枯竭，世界各國都在尋找替代能源。與其他類型的替代能源相比，潮流能擁有可再生、可預(yù)測、對環(huán)境和視覺的影響較小等優(yōu)勢，獲得了廣泛的重視。潮流能水輪機是從潮流中提取能量的裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，潮流能水輪機可分為豎軸水輪機和水平軸水輪機。相比水平軸水輪機，豎軸水輪機有一些獨特的優(yōu)勢，如工作不受流向影響、維護簡單、發(fā)電機艙不影響水輪機流場、噪聲低不易空化等，吸引了許多學(xué)者的注意。但也有一些問題阻礙了豎軸水輪

2、機的應(yīng)用，如較差的自啟動性能、相對低的獲能效率、輸出脈動等。本文針對豎軸水輪機獲能效率低、自啟動性能差、輸出及荷載脈動的缺點，通過數(shù)值模擬與物理模型試驗研究了水輪機葉片端部渦流、不同水輪機葉片排列形式、水輪機加裝流體增速裝置的水動力特性。成果應(yīng)用在15kW豎軸潮流能試驗裝置上并進行了實海況試驗，獲得了較好的效果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過三維機翼理論研究了水輪機葉片端部渦流的產(chǎn)生機理與影響因素，探索在水輪機葉片端部加裝端板來

3、抑制葉片端部渦流、進而提升水輪機獲能的改進方法。通過物理模型試驗和數(shù)值模擬（Ansys Fluent軟件）研究了三葉片水輪機的水動力特性，基于葉片旋轉(zhuǎn)過程中端部渦流的影響范圍設(shè)計了端板形狀，通過數(shù)值模擬與物理模型試驗驗證了加裝端板提升水輪機獲能的有效性。在完整端板形狀的基礎(chǔ)上將端板減半，通過減阻和調(diào)節(jié)葉片兩側(cè)壓力分布來進一步提升水輪機性能。以數(shù)值模擬研究了水輪機加裝內(nèi)半邊與外半邊端板時的水動力性能，分析了加裝內(nèi)半邊與外半邊端板時水輪機葉

4、片的輸出特性與作用機理。⑵以物理模型試驗方法研究了不同葉片數(shù)的單層葉片水輪機獲能效率隨尖速比變化規(guī)律，通過計算水輪機在不同停止位置時的水動力轉(zhuǎn)矩來判斷水輪機的自啟動性能。使用耦合式數(shù)值模擬方法研究了一種新式的雙層六葉片水輪機的水動力性能，分析了其內(nèi)層葉片半徑及相位差角變化時對水輪機獲能、負載特性和自啟動性能的影響。以數(shù)值模擬研究了不同扭轉(zhuǎn)角同軸雙轉(zhuǎn)子水輪機的自啟動性能、獲能效率及輸出特性，并與同展長的三葉片水輪機進行了比較。基于不同形式

5、水輪機的性能特點，對其適用范圍進行了分析。⑶基于導(dǎo)流罩和擴散器原理設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、易于建造且適應(yīng)往復(fù)流向的聚流增速裝置，通過數(shù)值模擬與物理模型試驗研究了其在水槽中的增速效果，并進行了二維、三維開敞環(huán)境的數(shù)值模擬，以使結(jié)果具有普遍性。基于三維開敞環(huán)境的數(shù)值模擬結(jié)果，分析了不同流向時擴張板長度與角度變化對增速裝置內(nèi)部增速效果的影響，以及增速裝置所受軸向力的大小。使用耦合式數(shù)值模擬方法研究了三葉片水輪機加裝增速裝置前后水輪機運轉(zhuǎn)尖速比區(qū)間、水

6、輪機獲能效率、負載特性及葉片輸出沿方位角分布的變化，并分析了擴張板角度與長度變化對水輪機性能的影響。⑷在實際海域?qū)σ慌_采用60°扭轉(zhuǎn)角同軸雙轉(zhuǎn)子水輪機、裝機容量為15 kW的豎軸潮流能發(fā)電裝置性能進行測試?；诤Ｔ嚁?shù)據(jù)，分析了水輪機的運轉(zhuǎn)尖速比區(qū)間及最優(yōu)尖速比，高潮位與低潮位期間的平均獲能效率、發(fā)電量及對應(yīng)潮流周期的容量因數(shù)，自啟動流速的分布，及系統(tǒng)獲能效率隨流速的變化。海試后期在水輪機展向一側(cè)加裝了增速裝置，分析了加裝增速裝置后水輪機