基于葉素動量理論的潮流能發(fā)電機組葉片設(shè)計方法

張蕭　孫石　李瑞濤　付大偉　趙占聰

摘 要：近年來，海洋能因其分布范圍廣、儲量大及能量密度高而被認(rèn)為是最具開發(fā)潛力的可再生能源。與其他海洋能源相比，潮流能具有著很強的規(guī)律性和可預(yù)見性；從發(fā)電技術(shù)層面及能量轉(zhuǎn)化層面綜合考慮，海洋潮流能發(fā)電是最易實現(xiàn)的海洋能發(fā)電技術(shù)。潮流能機組的葉片的水動力外形的設(shè)計的優(yōu)劣直接影響能量轉(zhuǎn)換的效率，葉片水動力設(shè)計是提高能量轉(zhuǎn)換利用效率最現(xiàn)實有效的辦法，本文提出的一種基于葉素動量理論（BEM）的潮流能發(fā)電機組的葉片設(shè)計方法，并基于BEM設(shè)計方法對潮流能葉片水動力外形進(jìn)行設(shè)計，以供相關(guān)研發(fā)人員參考。

關(guān)鍵詞：潮流能發(fā)電；葉素-動量理論（BEM）；葉片設(shè)計

中圖分類號：TK73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

水平軸潮流能發(fā)電機與現(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的水平軸風(fēng)力發(fā)電機工作原理相似，都是流體流經(jīng)葉輪在葉片處產(chǎn)生切向力從而帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，其中潮流能發(fā)電機是通過葉輪將海水中動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能，再帶動發(fā)電機發(fā)電的裝置。從能量轉(zhuǎn)化角度看包括一次能量轉(zhuǎn)換單元、機械能傳遞單元及發(fā)電單元。葉輪是一次能量轉(zhuǎn)換單元時的核心部分，葉片水動外形設(shè)計直接影響潮流能轉(zhuǎn)化效率，其設(shè)計原則是使葉素具有最大的功率利用系數(shù)。

1.潮流能葉片設(shè)計葉素動量理論

風(fēng)力機氣動理論是在機翼氣動理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對于水平軸潮流能發(fā)電和水平軸風(fēng)力發(fā)電，二者之間的雷諾數(shù)基本相同，固可采用現(xiàn)有的水平軸風(fēng)力發(fā)電空氣動力學(xué)理論進(jìn)行水平軸潮流能發(fā)電的設(shè)計。

1.1 葉素-動量理論（BEM）

為了進(jìn)一步確定葉素幾何參數(shù)、氣流速度和葉素氣動載荷間的關(guān)系，需要采用素理論和動量理論的結(jié)合的葉素-動量理論（BEM），得出軸向誘導(dǎo)系數(shù)a和徑向誘導(dǎo)系數(shù)a′的方程組，通過迭代求解可計算出風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)系數(shù)a和徑向誘導(dǎo)系數(shù)a′

1.2 基于葉素-動量理論（BEM）潮流能葉片設(shè)計步驟

根據(jù)BEM理論在進(jìn)行葉輪葉片設(shè)計時，要使葉片的捕能系數(shù)CP盡可能大，在設(shè)計時，還需要確定葉輪葉片數(shù)目N、葉片半徑R、以及合適的翼型。在理論上，葉片數(shù)目越多，捕能系數(shù)CP越大，但是這樣會使得葉輪軸向推力迅速增大，對支撐結(jié)構(gòu)的要求也提高。通常捕能系數(shù)CP是通過經(jīng)驗預(yù)估的，然后根據(jù)CP與P可以確定葉輪半徑R。在選取葉片翼型時，一般參考翼型升阻曲線，所選翼型具有較高的升阻比，同時要注意到葉根處的翼型較厚，葉尖處的翼型較薄。

在確定好各個設(shè)計參數(shù)后，就可利用BEM理論求出翼型弦長和扭角沿葉輪徑向的分布。具體步驟如下：

（1）選取某一葉片截面，確定其徑向位置，并得到其局部葉尖速比；根據(jù)所選葉片截面翼型的升、阻系數(shù)及其升阻比曲線，找出最大升阻比CL/CD所對應(yīng)的攻角α和攻角下所對應(yīng)的升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD；初步設(shè)定CP最大，計算風(fēng)輪直徑及旋轉(zhuǎn)速度。

（2）等分葉片，設(shè)定a和a′初始值求出入流角θ，迭代計算軸向誘導(dǎo)因子a及切向誘導(dǎo)因子a，然后求出弦長l、安裝角β。

（3）計算每個m下的轉(zhuǎn)矩dM、功率dP并積分得到P，矯正功率系數(shù)CP并計算不同m下葉片傾角b及弦長l。

（4）重復(fù)步驟（1）-（3）直至所有葉素截面計算完成為止，最后便可得到每個葉片截面翼型的幾何參數(shù)。

2.基于BEM的潮流能葉片設(shè)計

在進(jìn)行葉片設(shè)計時，要求葉片在設(shè)計工況下具有最大的獲能效率，而且在非設(shè)計工況下仍然具有良好的性能。由于葉輪的工作環(huán)境是惡劣的海洋環(huán)境，故設(shè)計中選用定槳距葉片形式，以增強葉輪穩(wěn)定性。初步需要確定葉片數(shù)目，潮流流速等參數(shù)。還需要通過計算確定葉素弦長、扭角等。

潮流發(fā)電機葉片翼型一般采用航空翼型，而且隨著航空科學(xué)發(fā)展，各個航空發(fā)達(dá)的國家都建立了自己的翼型系列。例如美國的NACA翼型、德國的DVL翼型、英國的RAE翼型等。本文所采用的NACA6系列翼型族，作為一種層流翼型，其在一定條件下?lián)碛凶枇^低的特征。其優(yōu)點是最大升力系數(shù)高、在一定條件下阻力小、進(jìn)行過高速優(yōu)化。通過對潮流能葉片相關(guān)設(shè)計資料的查詢，初步選出翼型NACA64412、NACA64415、NACA64418、NACA64421作為備選翼型。對于翼型NACA64421，在攻角6°之前，翼型升阻比隨著攻角的增大而增大，攻角到達(dá)6°時，升阻比的值開始下降，因此翼型在攻角為6°擁有最大的升阻比值，即此時翼型的最佳升阻比對應(yīng)攻角為6°。所以葉片設(shè)計選用的翼型是NACA64421翼型。

通過基于葉素動量理論計算程序計算得出所選葉片各翼型截面的幾何參數(shù)，弦長、安裝角見表1。經(jīng)計算得出矯正功率系數(shù)CP=32%，對于水平軸潮流能透平效率較高。

結(jié)語

本文采用水平軸風(fēng)力發(fā)電所采用葉素動量理論對水平軸潮流能發(fā)電組葉片進(jìn)行水動力外形的設(shè)計?；谠摾碚撚嬎愕贸鋈~片各葉素上的幾何參數(shù)，并利用三維制圖軟件根據(jù)之前求出的數(shù)據(jù)將葉片建立實體模型?；谠摾碚撨€計算得到具有較高輪功率系數(shù)CP的葉片，從而提高了潮流能轉(zhuǎn)化效率。

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