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水平轴潮流水轮机叶片设计和模型试验研究

王俭超  
【摘要】:潮流能是一种清洁可再生能源,开发利用正越来越受到人类的重视。水平轴潮流能水轮机(以下简称水轮机)是获取潮流能的常用装置,它将潮流能转换为水轮机的动能,进而带动发电机做功。叶片是水平轴潮流能水轮机的关键部件,其性能决定水轮机的转换效率,因而叶片的外形设计和性能研究在水轮机研究中占有重要地位。基于叶片-动量理论的叶片设计方法在螺旋桨、风力机等领域得到广泛应用。模型试验测试水轮机的水动力性能,结果直观、可信度高,是水轮机性能研究的一种重要方法。本文综合运用数值模拟和模型试验方法对叶片翼型性能、叶片设计和水轮机水动力性能进行研究。主要研究内容如下: 借鉴螺旋桨、风力机叶片设计原理,基于叶素-动量理论(BEM),综合考虑叶根叶尖损失,给出了叶片外形设计的数学模型。以MATLAB为工具计算叶片参数,设计用于模型试验的叶片结构参数;并对弦长和扭角进行线性化修正,使得叶片光滑过渡,降低叶片加工难度。 计算流体力学(CFD)技术在翼型绕流研究中得到成功应用。本文将CFD技术应用到叶片翼型的水动力性能预测,分析湍流模型对计算精度的影响;对多种不同弯度、厚度翼型进行数值模拟计算,获取翼型的水动力特性曲线和相应的流线图、压力分布图,为叶片设计提供升力系数和最佳攻角等重要数据。 基于坐标变换原理,研究将翼型二维坐标离散点转换为叶片三维空间坐标的方法,得到叶片三维离散点坐标;将转换的三维空间坐标,导入Pro/E软件,建立叶片三维CAD模型;基于快速成型(RP)原理,采用激光选择性烧结(SLS)工艺快速制作叶片模型,试验中叶片满足强度要求。该方法为叶片模型的设计、建模、制作提供了一种新的思路。 建立了水轮机水槽模型试验系统和水动力学性能测试平台,探索了一种叶片模型水动力学性能的测试方法。对不同种类叶片分别进行了变桨距角、变叶片数量、变流速等大量试验,获得了不同工况下水轮机的转速、功率、扭矩等参数。通过试验数据分析,对水平轴潮流水轮机的水动力学性能及其影响因素有了较全面的认知,为叶片结构优化和水轮机工程化应用提供重要的参考依据。


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