李龍敬 周慎杰 楊成明

摘 要：葉片姿態(tài)可變水輪機是一種全新的潮流能利用裝置。文章以葉片姿態(tài)可變水輪機的獲能系數(shù)Cp為主要研究目標(biāo)，以水輪機模擬樣機的實驗資料為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)計算和統(tǒng)計對比的方法對實驗數(shù)據(jù)進行分析研究，探討關(guān)鍵參數(shù)對水輪機水動力學(xué)性能的影響，掌握葉片姿態(tài)可變水輪機的基本運行規(guī)律，求取水輪機最佳葉尖速比、最高獲能效率等重要參數(shù)，為新型水輪機的理論研究和實際應(yīng)用提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：葉尖速比；獲能效率；葉片運動規(guī)律；葉片姿態(tài)可變水輪機

中圖分類號：TK73 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0012-05

Abstract： The variable blade hydraulic turbine is a brand new device that utilizes tidal current as the main source of energy. Based on the experimental data of turbine simulation prototype， this paper takes the coefficient of power （CP） of variable blade turbine as the main research subject， analyzes the experimental data by mathematical calculation and statistical comparison， and discusses the influence of key parameters on the hydrodynamic performance of the turbine， so as to master the basic operating rule of the variable blade turbine and obtain the most important parameters such as the optimum blade tip speed ratio and the maximum power efficiency of the turbine. This provides a powerful support for the theoretical research and practical application of the new hydraulic turbine.

Keywords： blade tip speed ratio； power efficiency； blade operating rule； variable blade hydraulic turbine

引言

潮流能因其具有蘊藏量大、規(guī)律性強、便于大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，成為人們對海洋能開發(fā)利用研究關(guān)注的重點。潮流能發(fā)電利用的核心是將潮流的動能轉(zhuǎn)化為水輪機的機械能，研究開發(fā)新型獲能水輪機是開發(fā)利用潮流能的關(guān)鍵[1]。通過實驗平臺對水輪機的模擬樣機進行實驗可以最直接的了解水輪機的運行變化情況，便于比較準確的分析和掌握水輪機的水動力學(xué)性能，為水輪機的設(shè)計提供重要的參考和依據(jù)。因此，不少學(xué)者都通過實驗測試的方法對水輪機水動力學(xué)性能開展研究[2-8]。

我們在總結(jié)和借鑒有關(guān)學(xué)者對水輪機已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了研究開發(fā)一款新型高效能葉片姿態(tài)可變水輪機的設(shè)想，在利用理論研究和數(shù)值模擬方法進行前期研究并已取得階段性成果[9]的基礎(chǔ)上，又利用中國海洋大學(xué)的循環(huán)水槽對新型水輪機進行了模擬實驗，取得了大量的實驗數(shù)據(jù)。本文采用數(shù)學(xué)計算和統(tǒng)計對比的方法，對實驗數(shù)據(jù)進行分析和研究，探討關(guān)鍵參數(shù)葉尖速比對水輪機水動力學(xué)性能的影響，掌握葉片姿態(tài)可變水輪機的基本運行規(guī)律，為新型水輪機的理論研究提供數(shù)據(jù)支持，為工程樣機設(shè)計和推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 模擬實驗介紹

1.1 葉片姿態(tài)可變水輪機工作原理

我們以提高水輪機獲能效率為目的，新設(shè)計了一款帶有葉片連桿機構(gòu)的新型獲能水輪機。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在葉輪上裝有6個葉片，位置相對的2個葉片用活動連桿連接在一起。其工作原理是：在葉輪轉(zhuǎn)動過程中，進入逆流區(qū)的葉片在海流作用下翻倒貼向葉輪輪轂，連桿機構(gòu)使進入順流區(qū)的葉片打開直立，流場體動能使葉輪單側(cè)受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機發(fā)電。連桿結(jié)構(gòu)改變了原來葉片的運動規(guī)律，減少了水輪機在逆流區(qū)的域阻力矩，使更多的潮流能轉(zhuǎn)化為水輪機的機械能。

1.2 實驗?zāi)Ｐ团c實驗設(shè)備

葉片姿態(tài)可變水輪機工程樣機的設(shè)計參數(shù)為：工作流速區(qū)間1-3m/s，葉片數(shù)量6個，連桿數(shù)量3個，連桿長度1.15m，輪轂直徑1m、長度2.5m，葉片最大伸出弦高0.46m，葉片寬度2.5m。根據(jù)歐拉相似準則、佛魯?shù)孪嗨茰蕜t和斯特哈爾相似準則，將水輪機工程樣機尺寸縮小54倍作為模擬實驗樣機的尺寸：輪轂直徑250mm、長度625mm，葉片寬度625mm、最大弦長為115mm，葉片數(shù)量6個，連桿數(shù)量3個，連桿長度287.5mm，模擬實驗工作流速區(qū)間為0.32-0.95m/s。

實驗使用的循環(huán)水槽總長度18m，寬0.8m，水深0.73-0.75m，流速控制范圍0.2-0.6m/s。使用ADV聲學(xué)多普勒測速儀、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對水輪機的實驗參數(shù)進行測量。

在模擬實驗時規(guī)定：水流從水輪機左側(cè)流入，葉片在水輪機上方打開時，定義為正向流動；水流從水輪機右側(cè)流入，葉片在水輪機下方打開時，定義為反向流動。

1.3 實驗研究關(guān)鍵參數(shù)

1.3.1 葉尖速比

引入無量綱數(shù)葉尖速比來衡量來流速度與水輪機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，其定義為：水輪機葉片尖端速度與水輪機正前方來流速度之比：

Rc-葉片完全張開時葉片尖端到轉(zhuǎn)子軸線的距離（m）；ω-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角速度（rad/s）；n-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（rpm）；V-來流速度（m/s）。

1.3.2 獲能系數(shù)

獲能系數(shù)CP為水輪機輸出端所輸出的能量與有效迎流面積所對應(yīng)的來流動能之比：

根據(jù)上述表達式可知，為求取λ、CP我們需要獲得數(shù)據(jù)R、A、v、M、ω或n。其中R是輪轂的半徑為0.1m，A為轉(zhuǎn)子的形狀尺寸參數(shù)在樣機設(shè)計時已經(jīng)確定，v、M、ω或n通過測量可以得到。

1.4 實驗測試內(nèi)容

在實驗中需要完成對不同工況條件下的水流速度測量，水輪機轉(zhuǎn)速、扭矩、運行時間和負載等數(shù)據(jù)的測量，同時還要通過高速相機記錄不同工況下葉片運動的變化情況。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 水輪機啟動、運行過程分析

水輪機啟動和運行過程是否平穩(wěn)是衡量水輪機性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。根據(jù)正向流動工況流速為0.5m/s時的實驗數(shù)據(jù)，繪制水輪機啟動和運行過程中轉(zhuǎn)速變化的曲線圖（圖2）。

從圖2中可以看出，水輪機在啟動過程中轉(zhuǎn)速存在著明顯的波動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速在每次迅速增大后都會在一定的區(qū)間內(nèi)波動一段時間，然后再迅速增大，直至在一個穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)保持上下幅度較小的波動；進入穩(wěn)定運行階段后，水輪機的轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)保持在較小的幅度內(nèi)上下波動。這是由于水輪機葉片姿態(tài)的不斷改變使葉片迎流面積不斷改變，葉輪所獲得的驅(qū)動力矩就在不斷改變，因而水輪機的加速度也在不斷改變；又因6個葉片在一個完整的運動周期中是先后6次到達最大開闔角度的，使葉輪在一個運動周期內(nèi)有6次得到了最大驅(qū)動力矩；在葉輪增加連桿機構(gòu)后強化了葉片的開闔規(guī)律，提高了葉輪運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。受上述因素的共同影響，水輪機的轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)周期性波動，而不會出現(xiàn)速度突變現(xiàn)象，從而使水輪機的啟動和運行過程更加平穩(wěn)。

2.2 葉片運動規(guī)律分析

為了對水輪機葉片運動規(guī)律進行系統(tǒng)分析，建立以葉輪軸心為原點的整體坐標(biāo)系，如圖3所示。水輪機葉輪上裝有6個葉片，每個葉片在各自的一個運動周期內(nèi)（與葉輪同步轉(zhuǎn)動一周）都需要完成打開、打開運行、閉合、閉合運行4個運動過程。

2.2.1 正向流動時葉片運動開闔過程的分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制正、反向流動工況下不同葉尖速比時葉片打開位置的對比曲線圖如下（圖4，圖5）。

圖4、5中橫坐標(biāo)表示的是葉尖速比λ，縱坐標(biāo)表示的是水輪機轉(zhuǎn)過起始位置的角度θ。從圖中可以看出，在正、反向流動工況條件下，隨著葉尖速比的增大，葉片開始打開的位置提前，葉片完全打開的位置滯后。即葉尖速比越大葉片完成打開動作時葉輪的轉(zhuǎn)動量越大，葉尖速比越小葉片完成打開動作時葉輪的轉(zhuǎn)動量越小。這是由于在流速確定的情況下，葉尖速比越大，水輪機的轉(zhuǎn)速就越高，葉片在運動時過程中受到流體的作用力就相對越小，葉片在完成閉合（打開）過程動作時水輪機葉輪的轉(zhuǎn)動量越大。

2.2.2 葉片運動特性分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將葉片在正、反向流動工況高葉尖速比時一個運動周期中葉輪的轉(zhuǎn)動參數(shù)匯總統(tǒng)計如下（表1，表2）：

從表1、2中可以發(fā)現(xiàn)，在正（反）向流動工況下，水輪機在空載狀態(tài)時葉片完成打開（閉合）過程動作時葉輪的轉(zhuǎn)動量最大為120（100）度；在保持完全打開（閉合）狀態(tài)運動時葉輪的轉(zhuǎn)動量最小為60（80）度；葉片完成打開與閉合動作的運動量是相同的，在完全打開狀態(tài)下和完全閉合狀態(tài)下的運動量也是相同的。

這是因為水輪機在空載時的轉(zhuǎn)速最快，葉尖速比最大，葉片在閉合過程中受到流體的阻力也最小，所以葉片在完成閉合（打開）動作過程時葉輪的轉(zhuǎn)動量就最大；6個葉片是等間隔的安裝在輪轂上的，每個葉片在葉輪上所對應(yīng)的圓心角都是60度，所以在每個葉片通過流場中的某一點時葉輪的最小轉(zhuǎn)動量為60度；葉片連桿機構(gòu)使連在一起的二個葉片在同一時刻的動作完全相反，完成相對應(yīng)動作的運動量又完全相同。這一特性反映在一個葉片上的表現(xiàn)，就是葉片完成打開與閉合動作時的運動量相同，在打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)下運行的運動量相同，完成打開動作與完全打開運行時葉輪的轉(zhuǎn)動量之和為180度，完成閉合動作與完全閉合運行時葉輪的轉(zhuǎn)動量之和為180度。

綜合以上分析，無論是在正向流動工況下還是在反向流動工況下，水輪機的任何一個葉片在完全打開后葉輪的轉(zhuǎn)動的角度量都不會小于60度，也就是說該型水輪機在運行過程中至少有一個葉片是在順流區(qū)處于完全打開的獲能狀態(tài)，也至少有一個葉片是在逆流區(qū)處于完全閉合的狀態(tài)，從而使水輪機的運行阻力更小、動力更強，也更加平穩(wěn)。

2.2.3 正、反向流動葉片運動過程的對比分析

根據(jù)實驗資料，將在正、反向流動工況條件和不同葉尖速比時葉片完成打開動作葉輪的轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)列表如下（表3）。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，雖然葉尖速比相同，但葉片在正向流動工況下完成打開（閉合）動作時葉輪的轉(zhuǎn)動量大于反向流動工況時。這是由于葉片在正向流動工況下進行完全打開后的獲能運動時是由上向下的，葉片的重力對水輪機的轉(zhuǎn)動起到了促進作用；而葉片在反向流動工況下進行完全打開后的獲能運動時是由下向上的，葉片的重力對水輪機的轉(zhuǎn)動起到了阻礙作用，葉片在正向流動時獲得的合力矩要略大于在反向流動時獲得的合力矩，所以葉片在正向流動時進行打開后的獲能運動時速度會相對快一點，葉輪的轉(zhuǎn)動量會相對少一點。

2.3 水動力學(xué)性能的分析

通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，可以分別得到正、反向流動工況下不同流速時水輪機的獲能系數(shù)隨葉尖速比變化的曲線（圖6，圖7）。

從圖6、7中可以看出，無論是正向流動還是反向流動，隨著葉尖速比的不斷增大，水輪機的獲能效率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。正向流動時水輪機的最佳葉尖速比在0.5左右，最高獲能效率在0.53-0.57之間。在流速為0.5m/s時，葉尖速比達到最佳值后繼續(xù)增高，獲能效率下降趨勢緩慢，即在高流速下水輪機的獲能效率更優(yōu)；反向流動時水輪機的最佳葉尖速比在0.45-0.5之間，最高獲能效率在0.27-0.47之間。與正向流動相比，在相同流速下反向流動時的獲能效率略低，而且在低流速時這種差異性更加明顯。

這是由于反向流動時順流區(qū)在水輪機的下方，葉片在完全打開后進行獲能運動時除了要克服流體的阻力外，還要克服葉片自身的重力才能保持葉片處于完全打開的獲能狀態(tài)，從而減小了葉片所獲得的動力；而正向流動時順流區(qū)在水輪機的上方，葉片在完全打開后進行獲能運動時葉片自身的重力增加了葉片所獲得的動力。所以與正向流動相比，反向流動時的獲能效率略低。

2.4 模擬實驗數(shù)據(jù)誤差的修正

本次模擬實驗?zāi)Ｐ蜆訖C的輪轂直徑為250mm、長度為625mm，循環(huán)水槽寬度為800mm、平均水深為740mm。經(jīng)計算可知，輪轂阻流部分的截面積占流道截面積的26.39%，減小了流體通過水輪機時的實際過流截面積，使通過水輪機流體的實際流速大于流槽中的來流速度，從而使獲能效率等實驗數(shù)據(jù)存在一定的實驗誤差。為提高實驗數(shù)據(jù)的準確性，擬利用流固耦合數(shù)值模擬的方法研究流道截面積對獲能系數(shù)的動態(tài)影響，求取實驗流速的修正系數(shù)，對實驗結(jié)果進行必要的修正。

將模型實驗工況條件縮小2.5倍作為數(shù)值模擬條件：輪轂直徑100mm，葉片寬250mm、最大弦長為46mm，循環(huán)水槽寬320mm、水深為300mm。流道長度取1500mm，以流道截面積96000mm2（與實驗條件相似）、109500mm2、182500mm2、255500mm2、328500mm2、401500mm2作為變量，對流道截面積S和獲能系數(shù)Cp進行流固耦合數(shù)值模擬。根據(jù)計算結(jié)果繪制曲線圖如下（圖8）：

從圖中可以看出，在具有足夠大的流場范圍內(nèi)，水輪機的獲能系數(shù)基本不受水輪機流道截面積改變量的影響；當(dāng)水輪機流道截面積小于300000mm2后，水輪機的獲能系數(shù)隨流道截面積的減小而不斷偏大。

從圖8中可知，在模型實驗條件下（將計算參數(shù)縮小2.5倍）的獲能效率Cp為0.6，而在無限域流場條件下的獲能效率Cp為0.298，通過計算可得η為1.259。從本文“水動力學(xué)性能的分析”中可知，在正向流動工況實驗條件下進行水輪機模型實驗時得到的最高獲能效率為0.57，將η等于1.259代入公式對實驗誤差進行修正計算后，可得本次實驗條件下水輪機實驗?zāi)Ｐ偷膶嶋H最高獲能效率約為0.286，略低于在數(shù)值模擬條件下求取的最大獲能效率0.32，比上海交大在水輪機實驗中得到的最高獲能效率0.19[10]提高了

0.096。

從上述計算結(jié)果可以看出，由模擬研究取得的獲能系數(shù)比數(shù)值模擬求取的獲能系數(shù)低了0.034，這是由于在進行數(shù)值模擬時是按理論上最優(yōu)葉尖速比計算的，在進行模擬研究時則是依據(jù)模型試驗中葉尖速比的實際參數(shù)計算的，而在進行模型試驗中控制參數(shù)的調(diào)節(jié)受人為和客觀因素的影響較大，葉尖速比是很難達到和長時間保持在最佳值的，所以通過模型實驗取得獲能系數(shù)一般都低于理論計算的最高值。

3 結(jié)束語

通過對葉片姿態(tài)可變水輪機實驗數(shù)據(jù)的分析研究可以得到以下結(jié)論：新型水輪機在增加葉片連桿機構(gòu)后，提高了葉片運動的規(guī)律性，使水輪機的啟動和運行過程更加平穩(wěn)；該型水輪機在運行過程中保持至少有一個葉片是在順流區(qū)處于完全打開的獲能狀態(tài)，同時也保持至少有一個葉片是在逆流區(qū)處于完全閉合的微阻力狀態(tài)，從而增強了葉輪的動力，減少了葉片運動的阻力，提高了水輪機的獲能效率；新型水輪機在正向流動工況下模擬實驗的最佳葉尖速比為0.5左右，最高獲能效率為0.57，經(jīng)對實驗誤差進行修正后葉片姿態(tài)可變水輪機的最高獲能效率為0.286左右，比上海交大在水輪機實驗中得到的最高獲能效率0.19[10]提高了0.096；水輪機在高流速時具有更優(yōu)的獲能效率，在反向流動時的獲能效率略低于正向流動時的獲能效率。

文章以提高水輪機的獲能效率為目的，首次提出了在水輪機葉輪上增加葉片連桿機構(gòu)的設(shè)計方案，經(jīng)對實驗數(shù)據(jù)的分析研究后，認為該設(shè)計方案可行，且具有較強的創(chuàng)新性、實用性和很好的學(xué)術(shù)意義。

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