（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）矩形水轮机水动力性能研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： ， 、 u d c ： j t ad is s e r t a ti o nf o rt h e d e g r e eo fm e n g t h er e s e a r c ho f h y d r o d y n a m i ca n d p e r f o r m a n c eo ft h er e c t a n g u l a rt u r b i n e c a n d i d a t e ：n i n gy i j u n s u p e r vis o r ：p r o f z h a n gl i a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li 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 li t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a la r c h i t e c t u r e a 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 ：j a n u a r y ，2 0 1 0 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，均己在文中以明确方式 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) ：叮甥 。7、1 日期：锄i o 年弓月日 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( 母往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) ：亏妨导师( 签字) ：多岔左 日期： 锄f o 年弓月7 日i o 年猬7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 传统垂直轴潮流能发电水轮机的叶片轨迹为圆形，是目前广泛实验和研 究的潮流能转换装置，本文基于这种垂直轴潮流能转换装置开发出两种形式 新颖的水轮机，一种水轮机的叶片运动轨迹前后为长度相等的平行线段，两 侧为向外张开的半圆，我们称其为矩形水轮机；一种水轮机的叶片运动轨迹 为“菱形 ，我们称其为菱形水轮机。 为研究矩形水轮机和菱形水轮机的水动力性能，将应用于垂直轴水轮机 水动力性能计算的单盘面多流管模型方法和双盘面多流管模型方法改进并应 用于这两种水轮机。首先推导出矩形水轮机和菱形水轮机水动力性能的计算 公式，建立流管模型。通过模型计算，探讨了水轮机密实度等水轮机参数以 及叶片偏角控制规律对水轮机能量利用率的影响。综合各计算结果，对水轮 机在不同水况下各参数以及叶片偏角控制规律下的水轮机水动力性能的变化 规律进行了比较与分析。分析得出，通过改变水轮机的密实度和叶片偏角控 制规律可以明显改善水轮机的能量利用率曲线。 最后对比分析了单盘面多流管模型方法和双盘面多流管模型方法，确定 双盘面多流管模型方法为计算水轮机水动力性能的最优方法。对比分析了矩 形水轮机和菱形水轮机的水动力性能，确定菱形水轮机的结构形式更为优良。 关键词：矩形水轮机；菱形水轮机；垂直轴水轮机；水动力性能；多流管 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lv e r t i c a l a x i st i d a l c u r r e n tt m b i n ew h o s eb l a d e sf o l l o w c i r c u l a rc o n t r a i li so n e t y p eo fe n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e me x t e n s i v e l yt e s t e da n d s t u d i e df o rt i d a lc u r r e n ta p p l i c a t i o n t w on e wt y p eo ft u r b i n e sb a s e do nt h e t r a d i t i o n a lo n ea r ed e v e l o p e d ，o n ec a l l e dr e c t a n g l et i d a lc u r r e n tt u r b i n ew h o s e b l a d e sf o l l o wt w op a r a l l e ll i n e sw i t ht h es a m el e n g t hf r o n ta n dr e a ra n dt w o s e m i c i r c u l a rc o n t r a i li nb o t hs i d e s ，t h eo t h e rc a l l e dd i a m o n dt i d a lc l j n e n tt u ：r b i n e w h o s eb l a d em o v e m e n tc o n t r a i l i sd i a m o n d f i r s to fa l l ，p r e d i c t i n ga n da n a l y z i n gt 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 e s e t w ot y p eo ft u r b i n e sb a s e do nt h e e x i s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s a n dt h e c o m p u t a t i o n a lm e t h o d si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r o n em e t h o di sa l s og i v e nt o c a l c u l a t et h ei n d u c e d v e l o c i t y , w h i c hi st h eb a s i c p r i n c i p l e o ft u r b i n e 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 本文的目的和意义1 1 2 水轮机研究现状3 1 3 水轮机性能研究综述4 1 4 本文的工作内容7 第2 章矩形水轮机的水动力分析9 2 1 叶片的运动与受力。1 0 2 1 1 叶片的运动1 0 2 1 2 叶片及水轮机的受力1 2 2 2 动量定理模型1 7 2 2 1 基本原理17 2 2 2 单盘面多流管模型1 9 2 2 3 双盘面多流管模型2 1 2 3 流管模型修正方法一2 4 2 3 1 诱导速度修正2 4 2 3 2 流管划分方法2 5 2 4 偏角控制规律2 7 2 5 本章小结一3 0 第3 章矩形水轮机水动力性能影响分析3 1 3 1 水轮机性能影响因素分析”3 1 3 1 1 速比的影响3 1 3 1 2 诱导速度修正的影响3 4 3 1 3 偏角的影响3 8 3 1 4 长径比的影响4 1 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 1 5 密实度的影响4 4 3 1 6 叶片翼型的影响5 2 3 2 流管模型对比分析5 5 3 3 本章小结5 8 第4 章菱形水轮机的水动力分析5 9 4 1 叶片的运动与受力“5 9 4 2 水轮机性能影响因素分析6 3 4 2 1 偏角的影响6 3 4 2 2 菱形角的影响6 4 4 2 3 密实度的影响6 6 4 2 4 叶片翼型的影响6 8 4 3 菱形水轮机与矩形水轮机对比分析6 9 4 4 本章小结7 2 结j 沦7 3 参考文献7 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 7 致谢”7 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的目的和意义 为了履行京都议定书的承诺，各国政府都宣布了野心勃勃的可再生 能源开发计划和减排目标。例如，欧盟和英国都宣布了到2 0 1 0 年由可再生能 源生产的电力占总电力1 0 的目标。虽然这样的目标听起来非常的宏大而且 需要巨大的投资，然而可再生能源增长1 0 的目标也仅能够满足全世界能源 需求的增长却不能减少对传统石油等化石燃料的使用。所以，为了人类的可 持续发展，在很长一段时间内要不可避免的对可再生能源进行巨大且持续的 投资。海洋能利用可以不占用土地资源，避免了陆上可再生能源开发利用时 土地占用方面的诸多限制，尤其是人口密集的地区或国家。虽然陆上可再生 能源的利用还远没有达到饱和，但河道上建设过多的大坝会对河道自身及周 边的生态环境会造成太大的压力；风电场建设不但对风资源的质量要求高， 而且占用土地面积大，由于叶尖造成的噪声影响，风电场必须远离市区；生 物燃料所需要的原材料的种植同样需要大面积的土地。因此，海洋能在能源 领域扮演着越来越重要的角色。海洋能包括潮汐能、潮流能、海流能、海上 风能、温差能、盐差能以及海底蕴藏的矿产资源，其中潮汐能已经商业化运 行，海上风能也已开始步入商业化运营的阶段，其次潮流能和海流能是最有 潜力开发商业化运营的海洋能资源。潮流主要是由潮汐上下运动引起的海水 在水平方向上的运动，而潮汐是由地球与月球或太阳之间相对的天体运动而 引起的海面上的椭圆形周期性运动，此起彼伏，不是高于就是低于平均海面， 所以潮流跟潮汐一样具有周期特性，而且它们的运动周期几乎是相同的，约 为半日或一日。海流一般是由各海域温差或盐差以及地球自转引起的海水流 动。潮流或海流一般情况下流速很低，但当它们流经某些狭窄的水道时，比 如两个岛屿或陆地与岛屿之间的海峡，流速将变高，有些地方能达到2 3 m s 或更高。潮流能或海流能所蕴藏的动能是非常巨大的，而且与风能相比，它 们有规律的流动，不易受天气的影响，容易预测，且能流密度高。如果潮流 能和海流能得到成功开发，它们对于满足未来可观的能源需求具有重大意义， 而且将为全球创造一个全新的巨大的产业。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 吸收潮流能或海流能中 的动能可以利用陆上风力发 电机的工作原理，我们可以将 这些利用潮流能或海流能的 发电装置比喻成工作在水下 的风力发电机，只是驱动这些 装置运行的不是空气而是潮 流或海流。潮流能或海流能的 能量密度要比空气的高很多， 2 m s 的水流的能量密度为 4 k w m 2 ，为了达到同样的能 、d1 、文 ，恭 一 n 、遵 ，9 、 x 。- _ 。- 。_ 。一。 _ _ - 。_ _ _ _ - 。- _ _ 一 i i 7；，一岁： 切1 0 。j ，气。，气 图1 1 矩形水轮机叶片运动轨迹 量密度，风速必须达到1 8 m s 。可见，当潮流或海流的流速较高时，潮流能 或海流能发电装置将比陆上风力发电机吸收更可观的能量。在潮流能和海流 能开发与利用中，水轮机的结构形式在很大程度上决定着水轮机的能量利用 率与水动力性能的优劣，因此，开发出一种能量利用率高、水动力性能优良 的水轮机结构形式就成为该领域的研究重点。潮流能或海流能水轮机的结构 形式依据主轴与来流方向的关系分为水平轴式和垂直轴式，主轴平行于来流 方向的为水平轴式，主轴垂直于来流方向的为垂直轴式。相对于水平轴水轮 机，垂直轴水轮机结构简单，对水深要求不高，工作时不受来流方向改变的 影响，因而得到广泛的关注和研究。现在处在试验与研究阶段的垂直轴水轮 机主要有固定攻角水轮机以及能够变攻角的摆线式水轮机和蹼板式水轮机。 现开发出一种结构形式新颖的水轮机，如图1 1 所示，按照水轮机分类方法， 其也属于垂直轴水轮机，同样可以利用攻角变化规律控制水轮机的水动力性 能，但与叶片轨迹为圆形的传统垂直轴水轮机不同的是，其叶片轨迹前后为 平行且长度相等的直线段，两侧为向外凸的半圆，故称其为矩形水轮机。在 水流推动作用下，一组叶片沿上述“矩形轨迹 运动，通过某种连接方式带 动转子转动，进而带动发电机发电，将潮流或海流动能转化为电能。矩形水 轮机的叶片在水流作用下不但沿“矩形轨迹运动，叶片本身也能够按照一 定的规律绕自身转轴转动来实现攻角的变化，优良的攻角变化规律能够使水 轮机在低流速时也具有良好的自启动性能，而且能量利用率较高，特别是中 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 低速比时的效率也不低；而叶片固定式水轮机结构简单，系统稳定，但不具 备上述优点。本文的主要内容正是研究这种矩形水轮机不同情况下的能量利 用率与水动力性能的变化规律，并在此基础上开发出一种形式更为优良的菱 形结构水轮机。 本文的工作目的是在前人对传统垂直轴水轮机性能计算的理论方法研究 的基础上，研究出一套可行的计算模型来计算矩形水轮机的水动力性能，特 别是能量利用率；通过模型计算结果比较并分析不同水轮机参数( 包括密实 度等) 和叶片攻角控制规律对水轮机能量利用率的影响，找出一组能量利用 率比较优良的水轮机参数和一种叶片攻角控制规律；然后，对矩形水轮机的 结构形式进一步改进，使矩形水轮机的能量利用率更高。综上所做工作对于 矩形水轮机的选型、水动力性能设计以及潮流电站的总体设计都具有重要的 指导意义以及理论和实用价值。 本文的工作是国家自然科学基金项目“矩形潮流能水轮机研究”研究工 作的一部分。 1 2 水轮机研究现状 由上一节可知，潮流能或海流能水轮机的结构形式主要有水平轴式和垂 直轴式两种，现阶段广泛实验与研究的水轮机形式也主要属于这两种。 欧美在潮流能或海流能水轮机方面的研发与实验技术已经有了很大进 展，正逐步从商业示范型向规模实用型发展。其水轮机形式也主要属于水平 轴式和垂直轴式。水平轴水轮机有：挪威h a m m e r f e s ts t r o m a s 公司于1 9 9 0 年代中期和2 0 0 2 年分别安装的1 5 k w 和3 0 0 k w 水平轴水轮机样机【1 】；英国 m c t 公司于2 0 0 3 年安装测试的一台3 0 0 k w 双桨叶水平轴商业样机【2 】；英国 s m dh y d r o v i s i o n 公司也同样开发了一台双桨叶水平轴水轮机【3 】；为了提高潮 流能利用率，英国l u n a re n e r g y 公司研制了一种带导罩的水平轴水轮机1 4 。 垂直轴水轮机有：美国s a n d i a 国家实验室将d a r r i e u s 型风机【5 】技术用于潮流 发电而发展起来的d a r r i e u s 型水轮机；加拿大b l u ee n e r g y 公司开发了d a v i s 水轮机【6 】。垂直轴固定攻角直叶片水轮机虽然结构简单，但能量利用率较低， 而且自启动特性能也较差。美国g c kt e c h n o l o g y 公司开发的螺旋状叶片垂直 轴水轮机r 7 】与直叶片水轮机相比其水动力性能有所改善。为了获得更高的能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量利用率，人们进行了变功角水轮机的研究，国外比较具有代表性的是爱丁 堡大学s s a l t e r 教授提出的力矩控制式转轮【8 l 和意大利d pc o i r o 教授和 a r c h i m e d e s 路桥公司的k o b o l d 水轮机【引。在国内，上世纪8 0 年代，哈尔 滨工程大学船舶工程学院率先开始了竖轴潮流发电水轮机的理论和实验研究 工作。1 9 8 3 年，孙百超等人完成了弹簧控制攻角直叶片水轮机的实验和理论 研究【lo 】【l 。1 9 8 4 年，马庆位在朱典明教授的指导下完成了竖轴摆线式水轮机 的性能实验和理论分析【1 2 】【1 3 】。1 9 8 6 年开始，朱典明教授等人陆续进行了7 0 k w 潮流实验电站的建设、实验等工作【1 4 】【1 5 】。2 0 0 0 年，张维新完成了蹼板式水轮 机的理论和实验研究【1 6 】。2 0 0 2 年，张桂湘进行了摆线式和蹼板式水轮机的理 论计算研究【l7 1 。2 0 0 4 年，张亮教授指导完成了弹簧控制式竖轴直叶变攻角水 轮机的模型实验，取得一系列成果。 除了水平轴式和垂直轴式以外，人们也研究了其他形式的潮流能转换装 置，例如英国e b 公司开发的a w c g t l 8 】潮流能转换装置和s t i n g r a y t l 9 】 【2 1 】座海 底式潮流能转换装置，a w c g 装置利用水流冲击叶片产生向上或向下的升 力，连接于叶片的箱体随着向上或向下的升力做上下往复运动，箱体上表面 有通气孔，通气孔随箱体上下往复运动产生往复空气运动进而带动气轮机发 电；s t i n g r a y 装置通过水流作用在水翼上的水动力推动水翼做往复运动，再 通过支撑臂将运动传递给液压系统并驱动液压马达来产生电力，该装置同时 通过一套液压控制系统来调整叶片偏角实现最佳水动力功角以达到能量利 用率最大化。b u e n o sa i r e s 大学的e l p o n t a 对一种v g o td a r f i e u s 风力机进 行了理论研究，其结构形式与本文研究的矩形水轮机相似【2 2 】。我国也曾经研 究一种流水摆式发电装置，2 0 0 5 年哈尔滨工程大学船舶工程学院课题组设计 并建造了一个宽度为1 5 m 的流水摆式发电装置实验模型，并在哈尔滨工程 大学循环试验水槽进行了流水摆式发动机及发电系统的模型试验，采集了大 量的试验数据1 2 3 j 。在此基础上，通过对机构设计方案的多次论证优化，课题 组于2 0 0 6 - - - 2 0 0 7 年完成了一个尺度为6 2 m 的流水摆式发动机及发电系统示 范样机的设计方案及样机制造。 1 3 水轮机性能研究综述 为计算矩形水轮机的水动力性能，沿用了计算传统垂直轴水轮机水动力 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 葺；i i 宣葺i i i 蔷i i i i 置宣； 罱 宣宣宣苗昌；昌i i i i i i i i i 昌；宣 性能的流管模型方法。垂直轴水轮机的应用来源于早期风能利用中的垂直轴 风力机，与水平轴风力机相比，这种机型具有诸多优点，但其流体动力特性 预报却是相当困难的。垂直轴水轮机的水动力性能理论计算方法最早根源于 一些垂直轴推进装置的水动力计算模型，例如2 0 世纪5 0 年代，德国的i s a y 2 4 1 提出的针对v o i t h s c h n e i d e r 摆线式推进器的二元势流理论、日本的谷口中【2 5 】 提出的针对垂直轴摆线推进器的准定常流动模型等；而其最直接的来源是2 0 世纪7 0 年代发展起来的垂直轴风力机- 侈l l 如d a r r i e u s 型风力机的性能计算 和预报方法。根据这些方法所依据的理论基础，可分为基于动量定理和基于 旋涡理论的两大方法。 基于动量定理的单盘面单流管模型【2 6 】( s i n g l es t r e a m t u b em o d e l ) 首先 由t e m p l i n 于1 9 7 4 年提出，该模型当时用来计算d a r r i e u s 型风机的气动力性 能。该模型假设有一个与水流方向一致的流管将整个风机转子包围，风机转 子简化为一个盘面( a c t u a t o rd i s k ) ，叶片诱导速度在此盘面上均匀分布，所 有叶片经过流管内上游区域和下游区域的作用力之和作为该流管上的外力， 应用动量定理建立这一外力与流管内流体动量变化的方程式，从而求解出诱 导速度，计算转子的气动力性能。1 9 8 0 年，s u l l i v a n 和l e o n a r d 将该模型翻 译成计算机程序，计算了d a r r i e u s 型风机的气动力性能，结果证明这种方法 在低速比和低密实度情况下，预报风力机的整体气动力性能是可行的【2 7 1 。这 种模型相对简单，但是不能反映转子作用盘面范围内上游区域和下游区域以 及垂直于流向不同位置处的流动参数的变化，因此是一种比较粗糙的方法。 但该模型成为后来各种改进的流管模型的基础。， 为了改善t e m p l i n 的单盘面单流管模型，2 0 世纪7 0 年代中后期发展出 许多改进的形式，其中有s t r i c k l a n d 于1 9 7 5 年提出的单盘面多流管模型【2 8 】 ( m u l t i p l es t r e a m t u b em o d e l ) 。该模型在单盘面单流管模型的基础上，将 转子作用盘面沿垂直于来流的方向细分多个独立微流管，每根流管都与来流 方向平行，诱导速度在每个流管截面上均匀分布，并且对每个流管单独运用 动量定理来求解诱导速度和流体动力。这一方法考虑了诱导速度在盘面各处 的变化，因而比单盘面单流管方法更合理一些。1 9 8 2 年，p a r a s c h i v o i u 提出 了双盘面多流管模型【2 9 】【3 1 1 ( d o u b l e m u l t i p l es t r e a m t u b em o d e l ) ，该模型 采用同单盘面多流管模型相同的流管细分方法，仍在转子盘面处沿垂直来流 哈尔滨工程大学硕十学位论文 方向细分多个独立微流管，不同之处在于，该模型将每根流管的上游区域和 下游区域分开处理，将上游流管的尾流速度作为下游流管的来流速度，分别 建立动量方程并独立求解上下游的诱导速度，这样就考虑了上游区域对下游 区域的影响，提高了模型的精度和计算的准确性，但该模型假设同一盘面的 各个微流管的诱导速度都相同，没有考虑到同一盘面中不同流管诱导速度的 差异。1 9 9 0 年，s h a r p e 也提出了一种双盘面多流管模型【3 2 】，和p a r a s c h i v o i u 的方法不同的是，s h a r p e 不仅假设每根微流管上下游的诱导速度不相同，而 且假设同一盘面不同微流管的诱导速度也不相同。同时，s h a r p e 在流管的扩 张效应、叶片的非定常运动效应等方面做了大量修正，使得该模型更趋完善。 计算传统垂直轴水轮机水动力性能的流管模型在一定速比、密实度和载 荷范围内均能够有效地预报和计算转子的总体流动性能，例如能量利用率一 速比特性、流速一转速一功率特性等，而且多流管模型能够计算流场的某些 细节，例如上游盘面对下游盘面的影响。这些方法简单快捷，比较方便工程 应用，因此近年来在垂直轴风力机以及垂直轴水轮机的性能预报上得到了广 泛的应用和发展。例如，意大利的c o i r o 于1 9 9 6 年采用双盘面多流管模型计 算了k o b l o d 垂直轴水轮机的水动力性能【3 3 1 。意大利的c a m p o r e a l e 和m a g i 于1 9 9 9 年采用单盘面单流管模型计算了一个偏心率大于1 0 的摆线式垂直轴 水轮机的水动力性能m 】，包括能量利用率和叶片载荷等，这一模型水轮机运 转的速比范围很小，因而其计算结果和实验符合得很好，说明流管模型在小 速比范围内是很有效的。2 0 0 1 年，哈尔滨工程大学的张亮教授和英国的s a l t e r 教授用流管模型计算了一种设计中的大型力矩控制式变攻角垂直轴水轮机的 水动力性能【35 。 基于动量定理的流管模型在垂直轴水轮机水动力性能计算中的应用已经 表明，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，首先不太适用 于计算较高速比、较大密实度和载荷情况下的水轮机性能。在许多情况下， 当速比增大到一定值时，动量方程就会发散，而得不出解。 矩形水轮机与传统垂直轴水轮机相比，在结构形式上属一大创新，而且 其与传统垂直轴水轮机相比有如下优点： 6 哈尔滨工程大学石而士学位论文 ( 1 ) 如图1 2 所示，在相同的迎流面积下， 矩形水轮机的叶片轨迹周长比垂直轴水轮机的更 小，吸收同样的能量矩形水轮机所需材料更少， 造价更低，所以矩形水轮机更适合做成大尺寸机 构。 ( 2 ) 潮流几乎是双向性的，若矩形水轮机的 叶片轨迹的直线段垂直于来流方向，那么矩形水 轮机将大大提高潮流能和海流能的利用率。 图1 2 矩形水轮机与垂直 轴水轮机叶片轨迹比较 ( 3 ) 在矩形水轮机叶片轨迹的直线段，在常值流速情况下叶片的入射角 和受力都保持常值不变，这保证了矩形水轮机叶片的受力在此阶段更加稳定， 而传统垂直轴水轮机的叶片攻角和叶片相对来流速度随着叶片所在位置时刻 变化。 ( 4 ) 应用动量定理建立水轮机水动力性能模型时我们假设转子盘面由无 限多叶片组成，而矩形水轮机比垂直轴水轮机( 通常为3 4 个叶片) 具有更 多的叶片，而且叶片沿轨道均匀分布，所以流管模型更适合应用于矩形水轮 机的水动力性能计算。 1 4 本文的工作内容 利用基于动量定理的单盘面多流管模型方法和双盘面多流管模型方法对 矩形水轮机的水动力性能进行了计算和分析，密实度等水轮机参数以及攻角 变化规律对矩形水轮机水动力性能的影响也进行了探讨。在此分析基础上， 对矩形水轮机的结构形式做进一步的改进，发现叶片轨迹呈“菱形”或“ 时，水轮机的水动力性能更佳。接着对这种“菱形 水轮机的水动力性能进 行了计算和分析。 论文主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 分析和推导矩形水轮机以及菱形水轮机的水动力性能计算公式，建 立单盘面多流管方法和双盘面多流管方法数值模型； ( 2 ) 给出单盘面多流管模型方法和双盘面多流管模型方法计算诱导速度 的具体思路和步骤； 7 哈尔溟工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 应用f o r t r a n 语言将矩形水轮机以及菱形水轮机的水动力性能计算 模型翻译成计算机语言，并计算不同密实度以及固定攻角和变攻角情况下矩 形水轮机以及菱形水轮机的水动力性能，分析密实度与攻角变化规律对水轮 机水动力性能的影响； ( 4 ) 分析和总结了优化水轮机能量利用率提高的原因，为今后水轮机的 改进和设计提供了理论参考。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章矩形水轮机的水动力分析 矩形水轮机的叶片垂直伸向于水中，并沿“矩形轨道 均匀分布。叶片 的作用就是吸收潮流动能或海流动能，水流冲击叶片产生升力与阻力，叶片 在升力与阻力的作用下沿着矩形轨道运动，然后通过某种传动装置将叶片运 动转化为转子转动，从而带动发电机转动，将潮流动能或海流动能转换为电 能。因此，叶片是实现潮流能或海流能转换的最重要的水动力构件。传统垂 直轴水轮机有固定偏角式( f i x e d p i t c h ) ，也有变偏角式( v a r i a b l e p i t c h ) ，变偏 角垂直轴水轮机的叶片在绕主轴公转的同时也绕自身的转轴自转，目的是通 过某种偏角变化规律使叶片攻角始终工作在最合理的范围之内，提高水轮机 的能量利用率以及优化水轮机的水动力性能。 传统垂直轴水轮机按其工作原理分为阻力型和升力型两种，前者以叶片 受到的流体阻力为主要驱动力；而后者主要靠叶片受到的升力推动水轮机转 子转动。由于阻力型水轮机的工作效率很低，更适用于低流速的水道，因此 在潮流或海流发电方面研究和采用的更多是升力型水轮机。矩形水轮机属升 力型水轮机，下面以矩形水轮机为例简要介绍一下升力型水轮机的工作原理。 如图2 1 所示，某一矩形水轮机，假设偏角可变，水轮机叶片在来流冲击下 沿“矩形轨道 匀速运动，在不同位置处叶片受到不同的升力和阻力。显然， 升力沿叶片弦线的分 量是转子转动最主要 的驱动力，而且合适的 偏角变化规律可保持 叶片攻角变化始终在 合理的范围之内，使叶 片升阻比保持在最大 值左右。由于叶片受到 的升力和阻力随着方 位角的变化而变化，所 以叶片受力属于交变 肿 仉n “n “ ) )r 砥 瘩 u 乇，7 、 n 、 技 疑 “瞌 刁r) 1 ，圹、一o o 图2 1 矩形水轮机工作原理示意图 9 哈尔滨下程大学硕士学位论文 载荷，这是叶片受力最重要的特点。 2 1 叶片的运动与受力 图2 2 是一个矩形水轮机叶片在某一位置角时的受力图，并展示了各速度 参数与角度参数之间的关系。建立如图所示的全局坐标系o x y z 和局部坐标 系o x y z 。全局坐标系原点为水轮机叶片公转中心0 ，x 轴沿水流方向，z 轴 沿叶片展长方向并垂直纸面向外，】，轴方向遵守右手螺旋定则。局部坐标系 原点为叶片自转轴中心0 ，x 轴同叶片弦线的方向一致并由叶片前缘指向尾 缘，z 轴沿展长方向并垂直纸面向外，y 轴方向遵守右手螺旋定则。另外， 定义轨道切线方向f ( 沿叶片运动方向为正) 和轨道法线方向刀( 指向轨道外 为正) 。为了分析水轮机的运动和受力，先做如下假设： 1 ) z 轴方向( 即垂直纸面向外) 和y 轴方向的叶片诱导速度分量为零，只 在x 轴方向建立动量定理方程式； 2 ) 每个叶片剖面上的受力等于该剖面单独放置在流体中具有相同攻角 和相等相对速度时的受力； 3 ) 叶片弦长沿展向均匀分布，整 个叶片的受力等于叶片剖面上的受 力( 即单位长度叶片的受力) 乘以叶 片展长。 2 1 1 叶片的运动 假设水流稳定，当水轮机启动并 工作足够长时间以后，叶片以恒定速 度移动。在来流速度为u 的冲击下， 叶片沿“矩形轨道”以恒定速度v 移 动，在轨道两侧叶片绕d 点转动，若 偏角可变，叶片又可以绕自身轴线0 转动。以x 轴正方向为起点，代表叶 片转动到不同位置的角度秒称为位置 角或方位角，从o x 轴出发逆时针为 l o 图2 2 水轮机叶片受力图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一0 一 正，并规定其范围为【一詈，等】。叶片的弦线和叶片所在位置处的轨迹切线之 z z 间的夹角c , o 称为偏角，从叶片弦线出发顺时针为正，逆时针为负，其范围为 一7 ，7 】。叶片偏角缈反映了叶片沿轨道移动过程中叶片自身的摆动规律，随 叶片位置角目的改变而改变，其变化规律由叶片运动控制机构决定。偏角矽的 变化会改变此时刻叶片攻角口的值，叶片攻角口不同，水轮机叶片受到的升 力和阻力也会不同。 如图2 2 可表示为矩形水轮机垂直于z 轴的一个截面，图中只考虑了一 个叶片的运动和受力，但同样适用于其它叶片。考虑尾流场的影响，来流速 度u 到达叶片附近时已经发生改变，设诱导速度因子为u ，则叶片附近衰减 后的来流速度为u n ，即 u d = ( 1 一“) u( 2 - 1 ) 进而叶片自转轴处水流相对于叶片的合速度v r 、衰减后的来流速度u d 以及叶片沿轨道的移动速度v 三者之间满足关系式： v r = u d + v( 2 2 ) 当矩形水轮机的偏角可变时，叶片沿轨道移动过程中，还绕自身的转轴 自转，因此叶片表面各点的相对速度是不一样的。定义叶片的几何攻角口为 叶片转轴处相对合速度与叶片弦线的夹角，如图2 2 所示，合速度v r 在全 局坐标系o x y z 下沿x 轴和】，轴分解可得 吆s i n ( o + a + 缈) = v s i n o + ( 1 - u ) u ( 2 3 ) c o s ( o + a ! + c p ) = v c o s 8 ( 2 4 ) 合速度v r 在局部坐标系o x y z - f # x 轴和y 轴分解可得 矿r c o s t z = ( 1 一甜妙s i n ( o + 伊) + v e o s 伊 v rs i n a = ( 1 一甜) u c o s p + 矽) 一v s i n q ) 在轨道切线方向r 和轨道法线方向刀上分解可得 坏s i n ( 口+ 伊) = ( 1 一甜) 【厂c o s 口 v r c o s ( 口+ q o ) = ( 1 一“) u s i l l 秒+ 矿 这样叶片的相对速度大小和几何攻角口可以表示为： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 吆：瓶习丽i 石丽而( 2 - 9 ) 1 1 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 弘a r c t a n 将躲u s i n 糕0v c o s q ) p m ( 1 一甜)(+ 妒) + 、7 以上关系式虽然是对圆弧轨道部分进行推导的，但对于直线轨道部分上 述关系式依然适用，只是在轨道的迎流面，秒= 万，背流面，0 = 0 。 2 1 2 叶片及水轮机的受力 叶片运动过程中受到水流作用产生升力上、阻力d ，以及叶片自身旋转和 加速运动( 非定常运动) 产生的附加力或称为流体惯性力，但在水轮机叶片 受力分析中忽略此惯性力的影响。不考虑叶片展长对叶剖面升阻力的影响， 正如图2 2 所示，单个叶片受到的升力与阻力可表示为 三= q 音p 嘭西，4 = c l ，、, j 寺p 嘭曲 ( 2 - 1 1 )- o 口 ， 口 、， 其中b 为叶片展长，p 为流体密度，q 和c d 为叶片剖面的升力和阻力 系数。 为了更方便的分析叶片载荷，定义单个叶片对水轮机的推力为f 侧向 力为0 ，它们的正方向分别沿全局坐标系的x 轴方向和y 轴方向；单个叶片 的弦向受力为六、法向受力为 ，它们是作用在叶片自转轴中心上平行于叶 片弦线的受力分量和垂直于弦线的受力分量，方向分别与局部坐标系的一x 轴和y 轴一致；将叶片受到的升力和阻力沿水轮机轨道的切向和法向分解， 可得单个叶片所受到的切向力z 和径向力六。 单个叶片的弦向受力六和法向受力六的表示式如下： 六= l s i n a ! - d r c o s 0 r ( 2 - 1 2 ) = l c o s o ! + d ，s i n e( 2 - 1 3 ) 单个叶片对水轮机的推力t x 和侧向力0 的表示式如下： t x = c o s ( 口+ 乡+ 伊) + d ，s i l l ( 口+ 9 + 伊) 0 = l s i n ( a + 0 + 擘o ) 一d r c o s ( 口+ 口+ 缈) 或 o = zs i n ( 0 + 吁o ) + f yc o s ( 0 + q , ) 0 = s i i l ( 矽+ 缈) 一以c o s ( o + 吁o ) 单个叶片所受到的切向力z 和法向力z 的表达示如下： 1 2 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 i i f ；i ；暑i ；i i i ；i i i ；宣i i i ；i i i i ；i ；盲宣i 宣；i ；宣i 暑；宣；昌宣暑；i ；i 暑宣i i ；i 宣i 昌 z = l s i n ( a + 妒) 一d r c o s ( 口+ 伊) ( 2 - 1 8 ) 五= l c o s ( o ：+ 伊) + d rs i n ( a + 9 ) ( 2 - 1 9 ) 以上推导的是水轮机单个叶片的受力，水轮机所有叶片受力之和即为整 个水轮机的受力。水轮机叶片在沿轨道移动过程中，叶片的受力是周期性的、 非定常的，而且从以上推导的各运动及受力表达式可看出，它们都是时间的 函数，叶片方位角随时间做周期变化，因此它们也是方位角的函数，选择它 们作为哪一个变量的函数，视研究方便而定。取叶片沿轨道运动一周为个 周期，在这个周期内求水轮机的平均受力。假设水轮机受到的平均推力为r r ， 平均侧向力为乃、平均切向力为e 和平均功率为p ，它们是一个周期内水轮 机受力的平均值，取决于水轮机的形式( 结构、尺寸、叶片等) 、来流和速比 等因素，与方位角无关，可表示如下： 苎靠 日 o ( o ) + o ( 刀) + r 压o ( p ) d 9 咒= z - 一 ( 2 2 0 ) 4 x d + 2 日 、 3 x h t r ( o ) + t r ( 万) + r 压o ( p ) d 口 乃= z 土一 ( 2 - 21 ) 1 万d + 2 h 、 日 z ( o ) + z ( 万) + r 压z ( p ) 硼 e = z 再面上一( 2 - 2 2 x d 2 ) i +h 为了更方便地分析水轮机的水动力性能以及将来处理、比较实验和计算 数据，将以上水轮机的运动和受力参数及表达式表示成无量纲形式，先定义 各无量纲参数如下： 叶片密实度 长径比 z c 囝+ 2 h c h = 其中z 为叶片数，c 为弦长，b 为叶片弦长，d 为圆弧轨道直径( r 为 圆弧轨道半径) ，h 为直线轨道长度。 速比 名= 号 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 相对合速度 瓦= u 单个叶片升力系数 单个叶片阻力系数 单个叶片弦向受力系数 单个叶片法向受力系数 单个叶片轨道切向受力系数 单个叶片轨道法向受力系数 单个叶片对水轮机的推力系数 单个叶片对水轮机的侧向力系数 单个叶片的能量利用率系数 水轮机受到的平均推力系数 水轮机受到的平均侧向力系数 水轮机受到的平均法向力系数 水轮机平均能量利用率系数 贝3 j ( 2 3 ) ( 2 1 0 ) 式可改写成 瓦s i l l p + 口+ 伊) = 五s i n 9 + ( 1 一“) 巧c o s ( 臼+ 口+ 矿) = 2 c o s t 1 4 g 2 研l = 赤 2 而g x ， = 面 巳= 面 2 面 2 磁丽t x c f r2 硒矛丽t y 2 面丽f v g 2 赢 c r2 赢 2 南 。5 面丽f , v ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 吆c o s = 0 一u ) s i n ( o + 缈) + 2 c o s q ，( 2 2 5 ) s i n a = ( 1 一u ) c o s ( o + q o - 2 s i n q ， ( 2 2 6 ) s i n k + 缈) = ( 1 - u ) c o s 0( 2 - 2 7 ) c o s k + 伊) = ( 1 - u ) s i n a + 兄 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 口=跚an(1一-甜u)scions(乡e+缈(a)+-名acs。ins石p1 ( 2 3 。) 【一甜) s i n ( 乡+ 缈) + 名c o s 缈 、。7 由( 2 一1 2 ) 式、( 2 1 3 ) 式可得单个叶片的弦向受力系数c 詹和法向受力系数 ： = qs i n g c d c o s o !( 2 - 3 1 ) = qc o s + c d s i n a ! ( 2 - 3 2 ) 由( 2 1 4 ) , - - - , ( 2 - 1 7 ) 式及( 2 2 3 ) 式、( 2 2 4 ) 式可得单个叶片对水轮机的推力系 数和侧向力系数q y ： 2 石啬瓦 名q c 。s 秒+ 名c ds i i l 乡+ c d ( 1 一甜) ( 2 - 3 3 ) 2 斋瓦 兄q s i l l 秒+ q ( 1 一甜) 一五c dc 。s 乡 ( 2 - 3 4 ) 或 2 古焉瓦 c o s ( 乡+ 伊) 一s i n ( e + 伊) ( 2 - 3 5 ) c r y2 高_ 啄c 。s ( 秒+ 伊) + s i n ( o + 伊) ( 2