XIAOZHONGMING

来源：浙江大学  作者：吴俊德

      5．1实验系统设计及工作原理


      实验系统由潮流产生装置、传动机构、测控装置等部分组成，其总体方案如图5．1所示，工作原理为：潮流产生装置在测控装置的控制下产生一定速度的模拟潮流，潮流经过桨叶产生力矩带动其旋转，并通过传动装置把动能传给发电机转轴，发电机发电产生电压电流带动后级负载，同时测控系统对传动系统的各种运动参数进行测量，进行桨叶的水动力性能综合测试。

      整个实验系统是基于70米长，4米宽的L形水池而构建了，详细设计方案如图5．2所示，潮流模拟装置(图5．2中的4-8、18组成)的工作是由上位机经无线网来远程控制，通过传送启停和脉冲数据等给台达PLC，继而伺服电机通过链传动拖动小车平台运动，丙水池中的水是静止的，故实现了平台与水的相对流动，通过这种方法来模拟潮流运动，当然这样模拟出的潮流只有水平的流动而不是真正波浪；桨叶的具体设计已在第四章中给出，这里不再赘述；传动装置(图5．2中的9．15组成)采用链传动把水下桨叶旋转的动能传递给增速器及联轴器，继而传递给发电机轴；测控装置(图5．2中的12、16、17、19组成)包括发电机、负载箱、数据采集卡、无线AP、PC端等，其主要实现了三个功能，一是PC控制小车拖曳系统的运动，二是控制接入发电机后级电回路总电阻值的改变，三是采集叶轮转矩、转速等测量参数及叶轮实时的工作图像返回给PC端，进行数据的处理、分析和显示。

1．桨叶2．轮毂3．悬臂架4．工字钢轨道5．伺服电机6．伺服驱动器7．PLC 8．无线AP 9，拖曳链条10．轴承座11．链轮12．扭矩传感器13．支撑架14．增速器15．联轴器16．发电机17堋4控系统控制箱18．拖曳小车19．PC端20．传动链条21．主轴22．水池图5．2系统详细设计方案

      考虑到需要经常更换桨叶和调节桨距角，所以叶轮采用了可拆卸的螺栓连接通过悬臂结构固定在拖曳小车上。传动装置的主体及测控系统都放置在水上，免去密封问题，并降低了设计难度。传动装置采用链传动把水下叶轮的机械能传递到水上的传动部分，一般来讲，直接由桨叶出来的动能是低速大扭矩，而发电机一级是高速小扭矩，所以中间设置了增速器改变机械能的速度扭矩特性。扭矩传感器必须设置在靠近叶轮的传动前级，尽量地减少传动过程中的损耗而造成的误差，又因为叶轮是在水中，第一级必须是链传动，所以扭矩传感器设置在链传动的后一级。对于叶轮，在来流速度不交的情况下，后级的负载直接决定了叶轮旋转速度的大小，而叶轮的旋转速度对叶轮的水动力性能影响非常大，所以发电机后级电回路的总电阻值取值非常重要，故发电机后一级接入了电控电阻箱来测试桨叶的负载特性。


      测控装置是试验系统设计中的重难点，总原理图如图5．3所示，其主要由PC、无线AP、PLC、伺服电机驱动器、电控电阻箱、数据采集卡、扭矩传感器及摄像头等组成，起到控制小车、调节发电机后级回路总电阻值，以及采集图像、叶轮转速和转矩等实验结果数据的作用，测控装置其总的构架思想是PC与数据采集卡及PLC的信息交互，将采集到的数据传输给PC，将控制量传输给PLC和继电器，继而能够实现实时地采集叶轮运动参数，控制伺服电机工作及调节电阻箱阻值。

      转矩测量通过应变式转矩传感器实现，该传感器能同时测量传动轴的转速。扭矩传感器测得的功率表达式为：





      个不同阻值的电阻串联在一起，每一个电阻由一个继电器控制是否短路，继电器通过多功能数据采集卡与PC相连，可以实现多种阻值相互组合。桨叶运转的实时视频由高速摄像相机录制而成，再经视频计算机进行预处理，并与数据采集卡采集到的转矩、转速等参数一起通过无线AP传输给PC。测控装置主要部分实物如图5．4所示。

      本系统采用的无线网络是基于airMAX技术构建而成，其采用时隙分配法，确保每个用户都能在准确的时间获得同等通信的机会，该无线网络具有稳定可靠、成本低、功耗低等特点。与PC相连的无线AP选用全向天线RocketM5，其作为测控系统的主基站，用于发送PLC及电阻箱的控制量，同时接收实验结果数据；与控制潮流模拟系统的PLC网口相连的无线AP选择定向扇形天线NanoStationLOCOM5，其用于接收上位机PC发出的潮流模拟装置的控制参数；与测控装置相连的无线AP选用BulletM5，它作为桨叶水动力实验结果数据的发送端及控制电阻箱命令的接受端。

图5．5测控软件界面

      本实验系统的控制界面是基于LabVIEW软件编制而成，其前界面如图5．5所示，实验系统的控制变量和采集数据的管理通过NI OPC软件实现，前界面的小车速度对应PLC驱动程序界面里的脉冲频率，小车的前进或后退命令对应电机驱动器的方向位，小车的实时位置对应电机编码器的数值。小车的控制面板主要集中在界面中部，包括启动、停止、点动和自动运行等，通过软件界面上显示的小车动态位置，可以方便地可视化控制小车。水下摄像机采集的视频通过调用Windows Media Play ActiveX控件实现在软件界面的显示，设置在界面右侧。界面左侧显示了桨叶测试的实验结果数据，包括输出转速、转矩及功率等。详细设计方案完成后，就开始实际地加工和选购各零部件。最终完成整个系统的安装、搭建和调试，实物图如图5．6所示。

图5．6整个测试系统实物图

      5．2实验内容


      潮流能桨叶能量捕获实验综合测试系统，通过测试潮流能桨叶在各个流速时的捕能功率系数，并根据实测的潮流流速时间函数离散积分，就能得到整个发电周期获得的总功率，以此模拟时变的真实海况，综合评价分析不同桨叶在不同海域里的水动力性能。这里选择了两种不同的桨叶，通过对比实验，对桨叶的功率特性、流速特性、转矩特性以及负载特性等进行测试，以此分析桨叶的水动力性
能，并论证本文的低流速薄板桨叶设计理论。


      (1)对比实验桨叶设计


      为验证本文的低流速薄板桨叶设计理论，根据Glauert设计法在相同条件下设计了水平轴升力型潮流能捕获桨叶，利用其与本文第四章设计的新型薄板桨叶进行实验对比，新型薄板桨叶的设计方法和基本参数已在第四章给出，这里介绍升力型桨叶关键参数的设计。

      根据前文计算得到的桨叶弦长和扭角分布建了三维模型并考虑加工方法，升力型桨叶翼型较为复杂，需要使用铣床加工，材料选为高强度尼龙；升冲结合型桨叶翼型厚度为常数，使用一般的钢板即可满足强度要求和翼型要求，通过弯曲钢板再选择合适的切割面即可得到升冲结合型桨叶实物。再考虑安装角可调，最终组装得到的叶轮实物如图5．9所示。

图5．9桨叶实物图

      (2)综合测试实验设计


      潮流能水轮机最终目的是尽可能多的捕获能量，潮流特性已在上文给出，不同海域的潮流特性不同，同一海域一个大潮间潮流流速也是不断变化的，而水轮机在不同流速时的捕能效率不同，一套性能优良的桨叶应该是在整个发电周期的综合捕能效率最大，而不是追求某一流速下的捕能效率尽可能大。本文通过测试桨叶在不同流速、不同负载下叶轮的捕能功率、转速、扭矩等，对桨叶不同的水动力特性进行分析，并以渔山列岛海域的潮流流速时间函数离散积分计算出桨叶在整个捕能周期的总捕能量，综合对比分析两种桨叶的水动力性能。实验具体设计如下：


      (1)改变潮流流速以0．1为间隔从0．6m／s到1．5m／s，测量捕能功率；


      (2)改变潮流流速以0．1为间隔从0．6m／s到1．5m／s，测量叶轮获得转矩；


      (3)改变潮流流速以0．1为间隔从0．6m／s到1．5m／s，测量叶轮转速；


      (4)改变负载以3为间隔从1欧到24欧，测量叶轮捕能功率、获得转矩、及转速的变化。


      5．3实验结果


      (1)功率特性

  

图5．10捕能功率特性图

      图5．10(a)为捕能功率系数随来流速度变化曲线图，根据图中的实测结果可叹看出两种桨叶的最大捕能功率系数都在流速为lm／s时，即来流速度为设计流速时捕能功率系数最大，而来流速度大小远离设计流速大小时捕能效率低下，符合设计理论。升力型桨叶的最大捕能功率系数约为O．31，而以本文设计理论设计的升力冲击力结合型桨叶最大捕能功率系数约为0．35，略大于以Glauert设计法设计的升力型桨叶。另外，升冲结合型桨叶的捕能功率系数对攻角不敏感，在宽的流速区间内都有较高的捕能功率系数，如在来流速度为0．6m／s时，捕能功率系数有4．15，在来流速度为1．4 m／s时，捕能功率系数仍有0．20，表明了升冲结合型桨叶在低流速区间的高性能。而升力型桨叶虽然最大捕能功率系数不差，但捕能功率系数随来流速度变化曲线比较陡，整个低流速区间的平均捕能功率系数不高，适合于高速定流速捕能，而不适合于时变的低流速潮流能捕获，这是因为其对攻角和流速特别敏感，通常要求攻角在6。以内变化，超过这个范围即会失速，而流速变化时会引起很大攻角变化，导致在非设计流速时升力系数大大降低，捕能效率低下。图5．10(b)为捕能功率随来流速度变化曲线图，从图中可以看出在达到设计流速前，实测捕能功率随来流速度以几何倍数增加，升冲结合型桨叶在设计流速(1m／s)时的捕能功率为243W。超过设计流速后，捕能功率曲线增速趋缓，在来流速度为1．3m／s时达到了最大捕能功率为476W。而升力型桨叶在低流速区间时的总体性能不佳，在设计流速(1m／s)时的捕能功率为163W，大大低于升冲结合型桨叶，在超过设计流速后，同样，捕能功率曲线增速趋缓，并且变缓的速度很快，在来流速度为1．3m／s时的最大捕能功率为255W，这是因为桨叶失逮导致的发电效率急剧下降，发电功率急剧减少。综述说明了升冲结合型桨叶在流速为0．6～1．5m／s这个区间的平均发电功率系数和发电功率均大于升力型桨叶。


      (2)转矩特性

图5．11转矩随流速变化曲线

      保持负载电阻为20欧，改变来流流速值，叶轮转矩随来流流速变化曲线如图5．11所示，从图中可以看出两种桨叶都在来流速度未达到设计流速时，叶轮转矩随来流速度线性增加；在达到设计流速后，叶轮转矩逐渐平稳下来。升冲结合型桨叶的叶轮转矩最大值在来流流速为lm／s时，为54N·m。升力型桨叶的最大转矩在1．5 m／s时，为41N·m，综合来看，升冲结合型桨叶的转矩远远大于升力型的，这是因为升冲结合型桨叶引入了冲击力系数，较大地考虑了冲击力的影响，设计出的桨叶能捕获较多的冲击力能力，弦长、密实度都较大，受到的切向力也较大，故转矩较大。而升力型桨叶为了保证良好的气动性能，通常弦长较小，叶片数较少。所受切向力较小，故转矩也较小。在来流流速达到设计流速后，随着流速的增加，桨叶受到的切向了也不断增加，但是桨叶的切向方向与转轴周向的夹角不断增加，大部分吸收的能量转化为了阻力，这样一增一减平衡后，桨叶的转矩随着流速变大反而趋于平稳。

图5．12转速随流速变化曲线

      保持负载电阻为20欧，改变来流流速时，叶轮转速随来流流速变化曲线如图5．12所示，由图可知，升冲结合型桨叶的叶轮转速随来流速度增加两增加，在到达1．3m／s时增速渐缓，这是因为在达到设计流速前，桨叶捕获功率逐渐增加，而负载回路电压的平方跟捕获功率成正比，桨叶的转速跟负载回路电压又成正比，所以桨叶在来流流速接近设计流速时，叶轮转速随来流流速成几何倍数增加。而达到设计流速后，虽然流过桨叶的总能量变大，但是桨叶捕能能力逐渐变差，叶轮转矩会趋于平稳，最后再下降。升力型桨叶的转速曲线前端跟升冲结合型桨叶相似，但是升力型桨叶对流速更为敏感，在未达到设计流速时，转速随来流流速急速上升，且在超过设计流速后会急速下降。


      (4)负载特性

图5．13捕能功率系数随负载电阻变化曲线

      保持来流流速为设计流速，改变负载电阻，得到的捕能功率系数随负载电阻变化曲线如图5．13所示。从图中可以看出，升冲结合型桨叶和升力型桨叶取到最大捕能功率系数时对应的负载电阻都是19欧，升冲结合型桨叶在非最佳电阻时的捕能功率系数略低于最佳电阻时的，如4欧时的捕能功率系数为O．33，最佳捕能功率系数为0．35，相差不大。而升力型桨叶在非最佳电阻时的捕能功率系数远低于最佳负载电阻时的，如4欧时的捕能功率系数为O．21，最佳捕能功率系数为0．31，并且越靠近最佳电阻，相差越小，这是由于负载电阻直接与桨叶攻角相关，最佳攻角一般为6．10。，当攻角靠近这个值时，捕能功率系数就越高。所以一般定桨距水轮机都需要控制负载电阻来使桨叶运行在最佳性能。

图5．14叶轮转矩随负载电阻变化曲线

      保持来流流速为设计流速，改变负载电阻，得到的叶轮转矩曲线如图5．13所示，从图中可以看出，叶轮转矩随负载电阻的增加逐渐减小，升冲结合型桨叶在负载电阻为4欧时叶轮转矩最大，为57N·m，在24欧时，转矩最小，为48N·m：升力型桨叶在l欧时叶轮转矩最大，为29 N·m，在24欧时，转矩最小，为25 N．m。由结果数据可知，总的趋势是负载电阻变大，后级作用在叶轮上的载荷减小时，叶轮的转矩减小。

图5．15叶轮转速随负载电阻变化曲线

      保持来流流速为设计流速，改变负载电阻，得到的叶轮转速曲线如图5．13所示，从图中可以看出，升冲结合型桨叶在负载电阻为1欧时，转速最慢，为0．45r／s，在负载电阻为24欧时，转速最快，为O．82r／s；升力型桨叶在负载电阻为1欧时，转速最慢，为0．89r／s，在负载电阻为24欧时，转速最快，为I．60r／s。由结果数据可知，总的趋势是叶轮转速随负载电阻的增加逐渐升高。这是因为桨叶受水流的作用力不变，但是后级电阻增大导致负载减小，后级作用在叶轮上的阻力变小，故桨叶转的更快。


      综合以上，通过实验结果讨论并详细分析了桨叶的功率特性、转矩特性、转速特性、负载特性。总的来看，升冲结合型桨叶的转矩较大，转速较慢，在宽的低流速区间都有较大的捕能功率系数，适合于低流速潮流能捕获。而升力型桨叶转矩较小，转速较快，只有在设计流速的小范围流速区间内有较高的捕能功率系数，适用于定流速、高流速的潮流能捕获。后级负载对不同桨叶的性能都有较大的影响，只有在取到恰当的电阻值时才能实现桨叶的最佳性能，实际设计桨叶时都需要重点考虑，应当设计电控负载箱使得负载能不断随流速的改变而取到最佳值。


      5．4本章小结


      根据实地潮流能特点、潮流能捕获桨叶测试系统研究现状，针对低流速潮流能捕获薄板桨叶水动力性能测试。对包括潮流模拟装置、传动装置、测控装置等在内的整个潮流能捕获桨叶实验测试系统进行了设计，在完成整个实验系统的实物搭建后，进行了桨叶的综合水动力学性能实验测试，得到桨叶的功率特性、转矩特性、转速特性、负载特性等实验数据，并对结果数据进行了讨论分析，综合评价本文设计的升冲结合型桨叶与用于对比的升力型桨叶的水动力性能，验证了本文设计理论的有效性。


      第6章总结与展望

      6．1本文工作内容


      本文主要研究对象是低流速小半径薄板桨叶的设计理论，分析了常用设计理论用于低流速情况下不佳的原因，提出了结合绕翼压差力和冲击力设计桨叶的新理论方法，并建立起了低流速小半径水平轴桨叶的水动力理论模型和设计理论模型，以此理论模型为基础，优化设计了用于渔山列岛海域的水平轴潮流能捕获薄板桨叶，通过理论结合实际，采用CFD仿真和实物实验测试的双重评价方法讨论分析桨叶实际的水动力性能，验证了本文设计理论的有效性。


      本文主要工作可以总结为以下几点：


      (1)概述了当前国内外潮流能捕获桨叶的研究现状，分析了常用设计方法用于低流速海域性能不佳的原因。


      (2)根据叶素动量理论和射流流量等，建立了桨叶受冲击力模型和绕翼压差力模型，耦合得到了轴向力和转矩平衡方程，化简得到总平衡方程，以此建立了桨叶的水动力理论模型和设计理论模型。


      (3)讨论了渔山列岛海域的潮流特性，设计了适用于此海域的低流速潮流能捕获水平轴薄板桨叶，并简单地通过CFD仿真的方法讨论其水动力性能。


      (4)设计了潮流能捕获桨叶综合实验测试系统，使用此系统测试了桨叶，并根据测试结果分析了桨叶的水动力性能。


      6．2本文主要结论


      本文基于以上工作内容得到了以下研究结论：


      (1)常用设计方法用于低流速海域性能不佳的主要原因是忽略了桨叶转动惯量和后级损耗。


      (2)桨叶的转矩来源于两个力：绕翼压差力和冲击力，高流速时着重考虑绕翼压差力设计桨叶，低流速时应以冲击力为主设计桨叶，引入冲击力系数来表征冲击力在设计时的应考虑量，由此得到了低流速桨叶的设计理论模型。


      (3)低流速时本文设计的升)中结合型桨叶的最大捕能功率系数与升力型桨叶相差不大，但在宽流速区间的平均捕能功率系数远高于升力型桨叶。


      (4)升冲结合型桨叶的特性是低速重载，升力型桨叶的特点是高速轻载。


      6．3工作展望


      本研究可在以下几个方面进行优化：


      (1)常用桨叶都是基于绕翼压差力设计，在低流速情况下，绕翼压差力与冲击力相结合设计的桨叶性能较优，但纯冲击力型桨叶的详细研究本文没有涉及。


      (2)翼型的弧线对桨叶性能有影响，本研究仅在常用翼型的基础上，选择了一种性能较优的弧线作为薄板翼型的弧线，没有研究弧线对桨叶水动力性能的具体影响。


      (3)由于时间有限及能力的不足，本研究仅粗略地讨论了不同潮流特性情况条件下的设计流速选择问题，没有建立精确的设计流速选择模型，后期还可对此进行深入研究。