水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究.pdf

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1、第33卷第1期2014年2月海洋技术学报JOURNAL0FOCEANTECHNOLOGY水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究王兵振，武贺，张巍(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：叶片数量是水平轴潮流能发电叶轮的重要技术参数．对水平轴潮流能发电装置叶轮叶片数量问题进行了研究；利用叶素一动量(BEM)理论的Wilson方法设计了2叶片和3叶片两种水平轴潮流能叶轮，两种叶轮的直径、额定工作流速、启动工作流速、最大工作流速等参数一致，控制策略均采用调桨距角方案；利用wT--perf对模型的合理性进行了验证；利用建立的仿真模型，

2、从功率系数、发电量、轴向推力、启动力矩等4个方面，分析对比了2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性：对比结果表明，对于流速较低的海域，使用2叶片叶轮的方案具有一定优势，符合装置实际使用情况。关键词：潮流能；叶轮；叶片数量：叶素一动量理论中图分类号：P743文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)01—0062—05由于潮流的规律性、可预测性，近年来潮流能发电技术发展迅猛，国内外开展了大量的研究工作。其中，以Seagen为代表的水平轴潮流能装置展示了良好的发展潜力[1】。我国潮流能资源丰富，潮流能发电技术在我国有着较好的

3、应用前景。叶片数量是水平轴潮流能叶轮的一个重要参数。在当今水平轴潮流能研究领域，既有3叶片叶轮的设计方案，也存在较多的2叶片设计方案。国内对水平轴潮流能叶轮的研究近年来主要集中在利用叶素一动量理论对3叶片潮流能叶轮性能进行仿真的方面【2】，而在叶片数量的影响方面还未见报道。对于这两种技术方案的优劣性，相关研究工作开展的较少。本文利用叶素一动量理论建立了水平轴潮流能叶轮动力性能仿真模型，利用仿真模型对比分析了2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性。1仿真模型叶素一动量理论将动量理论和叶素理论相结／瓢～1Ld《7_＼y今么一‘’／毛恢／

4、图1叶素流体速度分布和受力示意图合，广泛应用于风机叶轮设计领域。单个叶素的流体速度分布和受力情况如图1所示。图中：中为人流角；or为叶素的攻角；口为叶素的安装角；U为远方流速速度；a为轴向诱导系数；门为叶片旋转角速度；6为切向诱导系数；W为叶素处流体实际的速度；dD为流体对叶素产生的阻力；dL为流体对叶素产生的升力；T为作用在叶素上的轴向推力；Q为作用在叶素上的切向力，Q对叶片产生力矩，带动叶片做功。根据叶素一动量理论，建立了水平轴潮流能叶片动力性能仿真模型，相关计算公式为：收稿日期：2013—05—24基金项目：海洋公益

5、性行业科研专项经费资助项目(201205019—3)作者简介：王兵振(1972一)，男，工学博士，主要从事海洋可再生能源开发利用技术研究。Email：wang_bingzhen@163．tom第1期王兵振．等：水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究63舻≯21㈦一志·铡㈩‰=≯1H一南·挚]]㈨F=吃’最曲(3)答1a=南4sin卜篇4sin㈩一==一lI．一一lI4，一2矽I12妒I而bF=面t而rrC面y(5)——————一⋯1+64sin驴cos矽⋯盯r=—娶(6)式中：a为轴向诱导系数；6为切向诱导系数；中为人流角；F为

6、损失系数；％为叶尖损失系数；‰为轮毂损失系数；B为叶片数量；戈为叶素相对半径；r为叶素距离叶轮回转轴的距离；R为叶轮半径；毋为局部实度；c为叶素的弦长；e为轴向力系数；G为切向力系数。整个叶轮的功率系数的计算公式为：o=；L【6(1一口)嘲】以(7)式中：Cp为叶轮的功率系数，即叶轮输出功率与其扫略面积上流体来流平均功率的比值；／I为叶轮尖谏比：A，为叶素当地尖速比。2仿真模型验证为检验水平轴潮流能叶轮性能仿真模型的合理性，利用wLPeff对模型进行了验证。对比分析的对象为Wr_Pelf自带的一个水平轴潮流能叶轮，该叶轮直

7、径为20m，叶片数为2，叶片翼型主要为NACA63-424，仅在叶片根部利用其它翼型进行过I-adiuS／m图2叶片弦长分布■一毫善radius／m图3叶片扭角分布图4与WT_Perf对比渡[31。由于叶片根部对叶片输出贡献很小，因此本文仿真模型未考虑该部分翼型。叶片弦长和扭角的分布情况如图2～图3所示，图中横轴为叶素的半径r，纵轴分别为叶素的弦长和安装扭角。利用建立的仿真模型和Wr_Perr分别计算了不同尖速比条件下叶轮的功率系数，结果如图4所示。图中，横轴为尖速比，纵轴为叶轮功率系数。由图可知：(1)本文算法的计算结果

8、与WT_Perf基本一致，说明建立的模型正确合理；(2)本文算法的计算结果与wr-Perf在某些点存在微小的差异，主要原因是本文仅利用叶片0．7R处的雷诺数来进行仿真计算，从而造成一定的误差，但本文模型主要用于方案初步设计阶段，因此微小的差异可以接受。3叶轮设计为比较2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性，利用叶