豎軸潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能的研究與實(shí)驗(yàn).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(guó)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(cè)、對(duì)環(huán)境和視覺(jué)的影響較小等優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛的重視。潮流能水輪機(jī)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(jī)可分為豎軸水輪機(jī)和水平軸水輪機(jī)。相比水平軸水輪機(jī)，豎軸水輪機(jī)有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如工作不受流向影響、維護(hù)簡(jiǎn)單、發(fā)電機(jī)艙不影響水輪機(jī)流場(chǎng)、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(wèn)題阻礙了豎軸水輪

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

3、抑制葉片端部渦流、進(jìn)而提升水輪機(jī)獲能的改進(jìn)方法。通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬（Ansys Fluent軟件）研究了三葉片水輪機(jī)的水動(dòng)力特性，基于葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中端部渦流的影響范圍設(shè)計(jì)了端板形狀，通過(guò)數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了加裝端板提升水輪機(jī)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(guò)減阻和調(diào)節(jié)葉片兩側(cè)壓力分布來(lái)進(jìn)一步提升水輪機(jī)性能。以數(shù)值模擬研究了水輪機(jī)加裝內(nèi)半邊與外半邊端板時(shí)的水動(dòng)力性能，分析了加裝內(nèi)半邊與外半邊端板時(shí)水輪機(jī)葉

4、片的輸出特性與作用機(jī)理。⑵以物理模型試驗(yàn)方法研究了不同葉片數(shù)的單層葉片水輪機(jī)獲能效率隨尖速比變化規(guī)律，通過(guò)計(jì)算水輪機(jī)在不同停止位置時(shí)的水動(dòng)力轉(zhuǎn)矩來(lái)判斷水輪機(jī)的自啟動(dòng)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(jī)的水動(dòng)力性能，分析了其內(nèi)層葉片半徑及相位差角變化時(shí)對(duì)水輪機(jī)獲能、負(fù)載特性和自啟動(dòng)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(jī)的自啟動(dòng)性能、獲能效率及輸出特性，并與同展長(zhǎng)的三葉片水輪機(jī)進(jìn)行了比較?；诓煌问?/p>

5、水輪機(jī)的性能特點(diǎn)，對(duì)其適用范圍進(jìn)行了分析。⑶基于導(dǎo)流罩和擴(kuò)散器原理設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于建造且適應(yīng)往復(fù)流向的聚流增速裝置，通過(guò)數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)研究了其在水槽中的增速效果，并進(jìn)行了二維、三維開(kāi)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(kāi)敞環(huán)境的數(shù)值模擬結(jié)果，分析了不同流向時(shí)擴(kuò)張板長(zhǎng)度與角度變化對(duì)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(jī)加裝增速裝置前后水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)尖速比區(qū)間、水

6、輪機(jī)獲能效率、負(fù)載特性及葉片輸出沿方位角分布的變化，并分析了擴(kuò)張板角度與長(zhǎng)度變化對(duì)水輪機(jī)性能的影響。⑷在實(shí)際海域?qū)σ慌_(tái)采用60°扭轉(zhuǎn)角同軸雙轉(zhuǎn)子水輪機(jī)、裝機(jī)容量為15 kW的豎軸潮流能發(fā)電裝置性能進(jìn)行測(cè)試。基于海試數(shù)據(jù)，分析了水輪機(jī)的運(yùn)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(duì)應(yīng)潮流周期的容量因數(shù)，自啟動(dòng)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(jī)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(jī)