基于相似準則的同功率海流機及風力機葉輪設計與試驗

摘 要：為降低海流機的測試成本并縮短測試周期，研究海流機與風力機設計與測試的關聯(lián)性。依據相似準則，采用風力機葉片設計方法分別設計300 W海流機變弦長葉輪和等弦長葉輪。由雷諾數相等得出水流與空氣的額定流速比為1∶10，由葉尖速比相同得出葉輪額定轉速。分別采用車載試驗與水槽試驗對兩種機組的功率輸出進行測試。等弦長葉輪型機組達到額定功率時的風速8.31 m/s，水流速度0.90 m/s，流速比接近1∶10。在車載和水槽試驗中，兩種機組的雷諾數均在同一數量級，葉尖速比的比值均略大于1。結果表明兩種機組都達到了設計要求，所以用此方法設計海流機是可行的。

關鍵詞：風力機；海流；風力機葉片；相似準則

中圖分類號：TK79" " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

海流能是無污染的可再生能源，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動所產生的能量。海流能與風能相似，海流發(fā)電原理也與風力發(fā)電相似，但與堤壩式的水力發(fā)電機械不同。目前海流能的利用還處于探索階段，海流能渦輪機設備大多是進行示范研究，商業(yè)化程度較低［1］。

對于海流機葉輪水動性能的分析，以理論計算和數值分析方面居多。Noruzi等［2］依據葉素-動量理論進行葉片設計，并通過仿真比較兩組葉片；徐全坤等［3］采用葉素-動量理論對海流機組葉輪的輸出特性進行分析，通過仿真得到葉輪的輸出特性；Karthikeyan等［4］分析并討論最合適葉片的安裝角和葉輪葉片數量；張敬斌等［5］利用仿真軟件對葉片翼型進行分析；Thandayutham等［6］通過數值模擬，以功率系數為目標，對海流機葉片安裝角和葉輪葉片數進行優(yōu)化，海流機葉輪設計運用了風力機葉輪設計理論進行優(yōu)化計算分析。

在試驗分析方面，以水槽試驗和海試為主要方式。樓杉［7］進行不同變化規(guī)律流速下的水槽試驗，確定水槽試驗也存在堵塞效應，需實際流場測試修正；Kim等［8］采用水槽試驗測試了雙轉子水平軸海流機的磁轂聯(lián)接設計；周宏賓［9］對樣機進行海上試驗；Rahimian等［10］通過對縮放的兩葉片葉輪進行拖曳試驗以及循環(huán)水通道試驗，比較不同測試設施以及不同縮放比例下推力系數及流體能利用系數的變化；Lust等［11］采用拖曳試驗描述近尾流中的速度和平均流結構；Tanigaki等［12］對海流機進行0.7～1.8 m/s低流速下的拖曳試驗。

綜上，水平軸海流機的結構與水平軸風力機類似，因此目前研究多以風力機風輪的設計、試驗分析方法作為水平軸海流機葉輪的主要設計參考。因此采用相似理論，研究海流機與風力機在水動性能測試時的關聯(lián)性。

目前，雖然海流機的設計參考風力機，但僅有較少學者通過試驗驗證二者性能的相似性，并進行量化分析研究。黃宸武［13］分別采用相似理論的量綱分析法和方程分析法推導風力機氣動相似函數，分析葉片表面粗糙度、風輪雷諾數以及尖速比的關系；譚俊哲等［14］以流體力學相似理論為基礎，借鑒在風力發(fā)電機中的相關應用經驗，對潮流能發(fā)電水輪機力特性進行分析，探索潮流能發(fā)電水輪機尺寸縮放對其力特性的影響規(guī)律。

采用風力機葉輪理論與方法設計海流機葉片的過程，即是從空氣中葉輪?；剿腥~輪的相似?；难芯?。海流機水槽試驗和海試試驗成本高、周期長，而且目前的海流機研究中，對海流機與風力機在試驗方面的關聯(lián)性研究較少。因此以風力機氣動相似準則為基礎，探討海流機與風力機在測試中的關聯(lián)性，對于海流機的性能測試具有重要意義。

1 水平軸海流機葉輪設計理論分析

葉片式流體機械工作過程中，葉片受到來流作用產生升力和阻力，從而產生扭矩[M]和軸向推力[T]，扭矩推動葉輪旋轉輸出機械功率[P]。因流速較低（馬赫數[Malt;0.3]），所以不考慮流體的壓縮性影響，因此流體密度為常數。

1.1 流體機械主要參數分析

2 試驗對象

試驗對象為300 W海流發(fā)電機組，海流機的設計參考風力發(fā)電機。由于流體密度不同，流體功率相同時的流速和葉輪轉速都比風力機的低。若海流機選用的發(fā)電機與風電機組相同，則需在葉輪與發(fā)電機之間加裝增速齒輪箱。300 W海流發(fā)電機組由葉輪、齒輪箱、發(fā)電機、整流控制器和蓄電池組成，如圖1所示。

以流體功率相等、雷諾數相似和葉尖速比相似等分析得出海流機的額定流速和額定轉速。在設計過程中考慮了雷諾數相等，得出水流與空氣額定流速比為1∶10，根據葉尖速比相同得出葉輪額定轉速，選擇齒輪箱傳動比1∶8。設計系統(tǒng)啟動流速0.69 m/s，額定流速1 m/s，設計葉尖速比6.02，運行流速范圍0.5～2.5 m/s。在研究過程中為了提高葉輪啟動性能，先采用風力機葉片設計方法設計了變弦長葉輪，后又設計了等弦長葉輪。

2.1 300 W變弦長葉輪

300 W海流機變弦長葉輪，設計葉尖速比為6.02，翼型采用改進層流系列翼型，葉片長1.03 m、弦長范圍128.1～58.3 mm、扭角13.9°～0°、葉片風輪實度為0.064［15］。變弦長葉片如圖2所示。

2.2 300 W等弦長葉輪

為提高葉輪的啟動性能，等弦長葉片的設計采用Glauert方法。葉片采用NACA4XXX系列低速翼型，葉片長1.03 m、弦長為160 mm、扭角19.05°～0°、葉輪實度為0.104［16］。等弦長葉片三維圖如圖3所示。

3 300 W海流機空氣中性能測試

在空氣中采用車載試驗，葉輪與發(fā)電機直接連接，負載為24 V蓄電池，對300 W海流機變弦長葉輪型、等弦長葉輪型機組功率輸出性能進行測試。

3.1 300 W變弦長葉輪型機組空氣中性能測試

測試期間當地平均大氣溫度為3 ℃，平均大氣壓強為887.66 hPa，空氣密度為1.1343 kg/m3，自然風速范圍為1.5～3 m/s。車輛行駛方向與風向夾角不大于10°。變弦長葉輪在空氣中的測試如圖4所示。

3.2 300 W等弦長葉輪型機組空氣中性能測試

測試時當地的平均大氣溫度為3 ℃，平均大氣壓強為903.2 hPa，空氣密度為1.081 kg/m3，自然風速范圍為1.5～3.0 m/s，車輛行駛方向與風向方向夾角不大于10°。300 W等弦長葉輪在空氣中測試如圖5所示。

3.3 兩種風輪空氣中性能測試結果分析

根據GB/T 18451.2—2012《風力發(fā)電機組 功率特性測試》測試輸出功率，運用比恩法進行數據處理，按標準密度1.225 kg/m3對輸出功率進行標準化。繪制散點圖，并通過擬合多項式曲線得到風速與輸出功率對應關系。圖6a、圖6b分別是300 W變弦長、等弦長葉輪的輸出功率特性。

在車載試驗中，變弦長葉輪型機組在風速達到6.2 m/s時啟動。經過多項擬合的風速為7.87 m/s時，風電機組輸出功率為299.95 W，修正后輸出功率為324.30 W，根據發(fā)電機試驗臺結論計算出葉輪轉速為413.72 r/min。當機組達到額定功率時葉輪雷諾數是1.19×106，尖速比是6.59。

在車載試驗中，等弦長葉輪型機組在風速達到4.2 m/s時啟動。經過多項擬合后的風速為8.31 m/s時，機組輸出功率為300.88 W，修正后輸出功率為339.96 W，根據發(fā)電機試驗臺結論計算出葉輪轉速為430.88 r/min。當機組達到額定功率時，葉輪雷諾數是1.20×106，尖速比是6.24。

4 300 W海流機水中性能測試

4.1 兩種葉輪水中性能測試方案

采用水槽試驗，葉輪、齒輪箱和發(fā)電機正確連接，負載為24 V蓄電池。對300 W海流機組功率輸出性能進行測試，試驗地點為華中科技大學船模拖曳水池試驗室。試驗室內平均氣溫為31 ℃，水池內水溫為25 ℃。試驗室水池長175 m、寬6 m、水深4 m。

在拖曳水池中，將海流機機組與拖車固定，通過改變拖車車速模擬不同來流流速。與空氣中車載法相似，流體靜止，拖動機組直線行駛，產生相對流速。機組輸出功率測試路線如圖7所示。

測試過程中拖車每次以一定速度拖動海流機前進，功率測試系統(tǒng)每秒記錄1次數據。測試不同流速下的發(fā)電機轉速、機組輸出直流電流和直流電壓，得到機組輸出功率特性。圖8a、圖8b分別是300 W變弦長、等弦長葉輪型機組水槽測試現(xiàn)場過程。

4.2 兩種葉輪水中性能測試結果分析

將測試系統(tǒng)記錄的數據導入Excel，在每種流速下去除拖車啟動過程和減速停車過程的數據后，將100個數據進行平均，計算輸出功率。圖9a、圖9b分別是300 W變弦長、等弦長葉輪型機組在不同流速下的輸出功率。

變弦長葉輪型機組達到額定功率300 W時，按多項式擬合公式計算出水流速度是0.86 m/s。根據發(fā)電機試驗結論計算出葉輪轉速是413.72 r/min。葉輪尖速比是7.24，雷諾數是2.22×106。變弦長葉輪型機組在低速時無數據，流速達到0.8 m/s時功率瞬間上升且達到較高值。當負載為蓄電池時，變弦長葉輪型機組在不同介質中額定功率時的參數比較分析如表1所示。

等弦長葉輪型機組達到額定功率300 W時，按多項式擬合公式計算出水流速度是0.90 [m/s]，根據發(fā)電機試驗結論計算出葉輪轉速是413.72 r/min，葉輪尖速比是6.92，雷諾數是2.32×106。當負載為蓄電池時，等弦長葉輪型機組在不同介質中達到額定功率時的參數比較分析如表2所示。

5 結 論

采用風力機葉輪設計方法設計了300 W海流機的葉輪，分別為等弦長和變弦長葉輪，在空氣中和水中對兩種葉輪型機組的功率輸出特性進行了測試，得出如下主要結論：

1）根據空氣中與水中的測試結果分析，兩種葉輪型機組均達到了設計要求。說明依據雷諾數相似、尖速比相似準則，采用風力機設計方法來設計海流機葉輪是可行的。

2）由雷諾數相等得出水流與空氣額定流速比為1∶10。依據尖速比相同得出葉輪額定轉速，齒輪箱傳動比為1∶8。測試過程中水流與空氣的額定流速比約在1∶10，尖速比的比值略高于1，試驗與設計相互驗證。

3）海流機水槽試驗和海試試驗的成本高、周期長，而風力機的試驗成本低、周期短。因此需以相似準則為依據，探尋海流機與風力機在設計和測試中的關聯(lián)性，這對于海流機的設計和性能測試具有重要意義。

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ROTOR DESIGN AND TEST OF MARINE CURRENT TURBINE AND WIND TURBINE WITH SAME POWER BASED ON SIMILARITY CRITERION

Sun Yunfeng1，Tian Yingyuan2，Han Qiaoli1，Guo Shanshan3，Wang Yibo3

（1. College of Energy and Transportation Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China；

2. China Shipbuilding Industry Corporation 710th Research Institute， Yichang 443003， China；

3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China）

Abstract： In order to reduce the test cost and shorten the test cycle of the marine current turbine， the correlation between the design and test of the marine current turbine and the wind turbine was studied. According to the similarity criterion， variable chord length rotor and equal-chord length rotor of 300 W marine current machine were designed by the design method of wind turbine blade. The rated velocity ratio of water flow to air is 1∶10 based on equal Reynolds number， and the rated speed of rotor is obtained from the same tip speed ratio. The output power of the two units was tested by vehicle-mounted test and flume test respectively. The wind speed is 8.31 m/s and the flow speed is 0.90 m/s when the equal chord length rotor type unit reaches the rated power， and the velocity ratio is close to 1∶10. In the vehicle-mounted and flume tests， the Reynolds numbers of the two units are in the same order of magnitude， and the ratio of the tip speed ratio is slightly more than 1. The results show that both units meet the design requirements， so it is feasible to use this method to design marine current turbines.

Keywords：wind turbines； marine currents； wind turbine blades； similarity criterion

收稿日期：2022-05-16

基金項目：內蒙古自治區(qū)自然科學基金（2022MS05050）；國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目（2019-JCJQ-JJ-557）

通信作者：韓巧麗（1976—），女，博士、副教授，主要從事風力發(fā)電技術方面的研究。nmgtynxh@hotmail.com