XIAOZHONGMING

第3章低流速潮流能捕获桨叶水动力模型建立


      现有潮流能捕获水平轴桨叶设计大多借鉴于风力机设计理论，重点研究高雷诺数情况，叶尖逮比较大，可以忽略流体作用于桨叶的冲击力，而低雷诺数下忽略冲击力必然产生设计误差。为获得低雷诺数下精确设计理论模型，需要对流体冲击力和绕翼压差力分别建模，根据轴向力和转矩方程耦合得到叶素的总平衡方程，以此建立桨叶的水动力模型，并根据桨叶水动力模型结合潮流特性建立桨叶的设计理论。


      3．1现有桨叶设计理论应用于低流速潮流能现状分析


      海流作用在桨叶上产生水动力使叶轮转动，为了便于研究，假设桨叶静止处于匀速的水流中，桨叶表面的压力是不均匀的，按照伯努利原理，桨叶翼型上表面的流速比原来流速高，压力减小；翼型下表面的流速比原来流速低，压力升高。如图3．1(a)所示，这种由上下表面速度、压力不同产生的力称为绕翼压差力，常用设计方法都是基于绕翼压差力而建立起来的。另一方面，水流冲击桨叶时，速度方向会发生变化，会产生直接冲击力作用于桨叶表面，如图3．1(b)所示。绕翼压差力和冲击力作用在桨叶上共同提供了使叶轮转动的转矩。

图3．1绕翼压差力与冲击力

文28


      目前，水平轴潮流能捕获桨叶设计方法很多，常用的Glauert设计法和Wilson设计法已在上文中介绍，其主要思想是基于高流速和高叶尖速比，保证攻角使升力系数取到最大值，根据式(3．3)，在较大的尖速比下保证力矩系数最大可以使得捕能效率最大化。以上设计方法都是基于理想情况下，而对于低流速潮流条件下的实际桨叶设计中有两个因素不能忽略，一是叶轮本身转动以及后级损耗都会消耗功率，二是低流速水轮机通常达不到较高的尖速比。据此，后级获得的功率系数表达式可改写为：


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      式中G为损耗系数，县(矿)为损耗功率。


      损耗系数C。解释了常用设计方法用于低流速时性能不佳的原因，低流速时C。跟叶轮设计转速成正比，当设计的转速较大时，损耗功率增加，而捕获总能量不变，损耗系数变大，相对地后级获得的功率减小，所以低流速时不能完全采用适用于高流速的升力设计法，需要对其进行修正改进。升力设计法因要保持桨叶不失速，一般攻角都取到较小的值，在高雷诺数情况下，绕翼压差力远远大于冲击力，故在分析桨叶受力时常常忽略冲击力，而在低雷诺数情况下，冲击力在总受力中占比增加，应在分析计算中着重考虑冲击力。另外，冲击力相较于绕翼压差力对于攻角不敏感，以冲击力为主设计的桨叶在宽流速区间内都有较高的捕能功率系数，且冲击力的特性是重载、低速，十分适合于低流速潮流能桨叶设计，因此需要引入冲击力，对其建模，代入轴向力和转矩平衡方程，耦合得到总平衡方程，由此建立低流速桨叶的水动力理论模型，改进低流速桨叶的设计理论。


      薄板翼型是一类适用于低流速的升力冲击力相结合的翼型系列，如图3．2所示，由于其下翼面与上翼面相同且内凹，在大雷诺数情况下容易失速性能不佳，但在低雷诺数下，其下翼面承受了较大的冲击力，且具有一定的绕翼压差升力，适合用于中低流速的桨叶设计，使用薄板翼型设计的水轮机在低流速情况下一般具有低启动转矩、宽捕能流速区间和重载低速等特性。


3.2


图3．2薄板翼型


      薄板翼型比较简单，其主要参数是弯度分布，如图3．2中的x，表示弯度分布的弦向位置，厂为弧高，C为弦长，厂／c为相对弯度，其中最大相对弯度及最大弯度位置对桨叶性能影响最大，需要在设计中着重分析讨论。


      本文针对低流速潮流海域，重点研究低流速小半径桨叶，薄板翼型正是此类应用下的最佳选择，所以本文选取其作为重点研究翼型，分析其受力和水动力特性，引入冲击力建立受力平衡方程，并适当地考虑设计流速对桨叶设计的影响，以达到在潮流能捕获的整个捕能周期平均效率最大化。


      3．2潮流能捕获桨叶受力分析


      以桨叶经典设计理论为基础，综合考虑桨叶冲击力，引入冲击力系数，应用旋涡理论、BEM定理、射流理论、伯努利原理等建立桨叶受力的水动力模型，确定桨叶受水流冲击所产生的转矩和轴向力，耦合得到总平衡方程。


      3．2．1桨叶受冲击力模型建立


3.3


图3．3桨叶所受冲击力


      根据E．Finnemorel451的理论，水流经桨叶产生的冲击力可以看作两个单独作用力所产生的力矩之和。且这两个力分别集中作用在进口和出口处。如图3．3所示。对于不可压缩的定常流而言，水流对桨叶各个微段产生的冲击力为：


公7


文30


文31


      3．2．2桨叶受压差力模型建立


      根据伯努利方程，由于水流经桨叶上表面的路程长于流经下表面的路程，水流经桨叶上表面的流速较快，压强较低；流经下表面的流速较慢，压强较高。这由桨叶上下表面压差产生的力通常称为绕翼压差力。假设每个叶素之间没有干扰，叶素则看作一个二维翼型，可计算出绕翼压差力作用于桨叶时每个叶素上所受的轴向力和转矩，叶素受力分析如图3．4所示。


3.4


图3．4桨叶受绕翼压差力


文32
  
3．2．3桨叶平衡方程建立


      平衡方程是桨叶设计数值计算的基础，有了平衡方程就能得到桨叶轴向诱导因子与切向诱导因子的关系，即得到了数值计算时的非线性约束条件。综合考虑流体冲击力和绕翼压差力，分别根据其转矩和轴向力函数建立总平衡方程，并分析如何利用平衡方程用于实际桨叶设计。考虑冲击力的转矩平衡方程可写为：


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文34


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      代入桨叶形状参数、轴向力系数和切向力系数，推出了引入冲击力后的总平衡方程式(3．26)，得到了桨叶轴向诱导因子与切向诱导因子的关系函数，即建立了桨叶轴向速度转化为切向速度的限制条件函数。以平衡方程为非线性等式约束条件，捕能功率系数的轴向、切向诱导因子表达式为目标函数，通过数值迭代的方法就能得到最大捕能功率系数时轴向、切向诱导因子的取值，继而设计桨叶的扭角和弦长。


      3．3桨叶设计模型建立


      设计潮流能捕获桨叶的最终目的是为了捕能最大化，而捕能功率系数跟实际潮流流速和桨叶水动力性能都有关，因此需要结合潮流流速与时间函数和桨叶捕能系数与形状参数函数建立桨叶的设计理论模型。


      3．3．1最佳尖速比设计


      桨叶捕能功率系数可由下式计算


文36


      其中，Cs为损耗率，其反映了桨叶捕获的能量在各级传动中的损失，包括桨叶转动的动能，传动机构运动的动能以及各级的损耗等。一般来讲，损耗率跟具体的整个潮流能捕获装置都有关，难以通过理论来精确计算，但可根据实际实验测试结果通过归纳法得出损耗率的近似算法，实验结果表明损耗率跟叶尖速比的二次方成正比，可简化为


文37


      得到了式(3．30)实际获得功率系数表达式，就能使用matlab软件的遗传算法工具箱优化求解出最大获得功率系数时的最优尖速比及对应的轴向、切向诱导因子。计算条件设置如下：


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      3．3．2最佳设计流速推导


      当流速为定值时，此流速常数即为设计流速，根据流速可得到冲击力系数，即确定式(3．25)总平衡方程，采用迭代方法计算得到最优尖速比，进而计算各截面的轴向诱导因子口和切向诱导因子b，由此得到各截面的弦长和扭角，从而完成桨叶的设计。然而，实际中潮流流速是变化的，在一个大潮问从低值升到高值再回落到低值，所以必须耦合潮流流速时间函数，才能使设计的桨叶在整个捕能周期的平均捕能系数最大。


      为了达到整个捕能周期的平均捕能系数最大，还需解决两个问题，一是建立潮流流速时间函数，二是建立非设计流速时捕能功率系数与流速时间函数。不同海域的潮流特性不同，但一般来讲，其流速时间函数可近似表示为：


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文41


文42


文43


文44


文45


3.5


图3．5冲击力系数随设计流速变化


      得到冲击力系数后就能确定平衡方程和最佳尖速比，继而可以优化计算桨叶各截面的扭角和弦长，从而完成桨叶设计。


      3．3．3扭角与弦长优化设计


      由于桨叶从轮毂到尖部的线速度逐渐增大，周速比逐渐增大，入流角逐渐减小，桨叶展向各截面的水动力性能不同，所以需要等分桨叶，使得每个截面的水动力性能达到最优，就能使整个桨叶的性能最优。根据上文得到的最佳尖速比k，假设等分为i个截面，各截面的周速比九．为


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文47


      根话优化设计万法叫得到各截回的最佳轴向、切同诱导因子。各截面倾角rJ根据下式计算


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      3．4本章小结


      本章以数值计算方法为基础，分析了现有潮流能捕获桨叶设计理论应用于低流速海域效果不佳的原因，提出引入冲击力优化低流速小半径桨叶受力模型的方法，分别建模冲击力和绕翼压差力，推出了引入冲击力后的轴向力和转矩平衡方程，并基于最大捕获总能量为目的，提出了桨叶性能的综合设计方法，最后分析推导出了桨叶的设计理论模型，完成桨叶关键参数的计算方法。


      第4章升冲结合型薄板桨叶设计


      4．1总体设计条件


      4．1．1渔山列岛海域潮流流速特性


      潮流能发电是海洋能利用的一种主要形式，潮流特性和潮流能发电装置的性能共同决定了捕获潮流能能量的多少。潮流能的流速特性较为复杂，不同海域的潮流特性不同，同一海域的不同时间也不同，潮流特性的复杂性加大了其捕能装置的设计难度，在设计潮流能捕获桨叶前对潮流特性进行研究十分必要。潮汐是海水在月球和太阳的引潮力作用产生周期性运动的一种自然现象，而潮流能是潮汐水平运动所含的动能【4引。潮流能与流速的平方成正比，可表示为：


文49


      式中：JD表示海水密度。


      潮流能捕获桨叶实验基地选择在渔山列岛海域，如图4．1所示，从浙江象山石浦出发，朝东南方向航行大约25海里，便到达了象山最东南的岛屿一渔山列岛，其陆地面积约2．3平方公里，分北渔山、南渔山、五虎礁三群岛。


4.1


      渔山列岛海域自然环境条件优越，特色鲜明，如图4．2所示。由于这里正处于浙江近海上升流的核心位置，因此这一海域营养十分丰富，饵料生物种类多，生物量较高，使该海域成为带鱼、鳗鱼、黑鲷、石斑鱼等重要鱼类的栖息、繁衍场所，素有“东海明珠”、“海洋牧场”的美誉。2008年该海域被列入国家级生态特别保护区，2012年获批国家级海洋公园，2015年又获评首批国家级海洋牧场示范区。如何在保护海洋自然环境的前提下，依靠科技创新来实现海洋生物容量平衡、持续产出是打造海洋经济的关键问题，潮流能捕获系统清洁无害，正是该海域海洋自动养殖装备最佳的供能方案，因此选取该海域作为研究地点。


4.2


      采用剖面流速仪测试了该海域潮流特性后发现潮流周期约为12．42小时，平均流速为0．6．0．8之间，最大流速为1．2m／s，属于标准的半日潮，即一天有两次涨落潮，且两次潮流的最大流速相等，每一小时测一次流速，一次大潮涨潮的潮流流速实测值如图4．3所示。


4.3


图4．3一个潮间潮流流速随时间变化曲线


文50


4.4


文51


      4．1．2桨叶基本设计条件


      设计潮流能捕获桨叶前需要先确定基本的设计条件，由于本文针对的是海洋网箱养殖、海洋观测等用电量较小，低潮流流速海域的场合，故选取了渔山列岛海域作为研究地点，主要研究对象为低流速小半径水平轴潮流能捕获薄板桨叶，确定基本设计参数如下：


      (1)额定功率


      本文研究桨叶主要用于低流速海域，而捕能功率跟流速的三次方成正比，所以低流速桨叶额定功率达不到很大，这里设计为2KW。另外，假设捕能功率系数为0．3， 2KW水轮机的叶轮直径需要达到3m，再加上其支撑平台及后级传动机构，整个系统的尺寸已经比较庞大，实物制造费事费力。敌先试制200W小型桨叶进行水动力性能分析研究，再根据相似性原则，尺寸缩放3．3倍扩展到2KW大型桨叶设计。


      (2)确定设计流速


      根据前文所述，设计流速通常可取为最大流速的√；／2。由于选择渔山列岛海域作为研究地点，平均每日的最大潮流流速约为1．2m／s，所以选取了lm／s作为设计流速。


      (3)桨叶数


      一般来讲，叶轮的叶片数取决于叶轮的叶尖速比，根据国标GB／T13981—1992可得到水平轴水轮机叶片数与叶尖速比的对应关系，如表4．1所示【501。本文设计尖速比较小，约为2左右，所以选取叶片数为6。


表4．1水平轴水轮机叶片数与叶尖速比对应关系


表4.1


      (4)叶轮直径


      根据前文设计目标功率为2KW，试制桨叶的额定功率为200W，桨叶半径可由下式计算


公8


      捕能功率系数可取为0．4，设计流速为1m／s，海水密度取为1．039／cm3由此可计算得到叶轮半径，当额定功率为2KW时，叶轮直径为4m。当额定功率为200W时，叶轮直径约为为1．1m。


      (5)轮毂直径


      一般来讲，轮毂直径可设计为叶轮直径的0．1~o．2，考虑到桨叶安装问题，轮毂直径选取0．1m。综上得到桨叶的基本设计参数如表4．2所示。


表4．2桨叶的基本设计参数


表4.2


      4．2桨叶关键参数确定


      (1)选择翼型


      为了使翼型具有较大捕获冲击力性能，需要使翼型具有较大的前缘和半径后缘半径，但是较大的前、后缘半径会使桨叶容易失速，绕翼压差升力急剧减小，为了保证一定的升力系数，前、后缘半径需取到一个中间值，综合以上，设计的翼型如图所示4．5。


4.5


      (2)选取冲击力系数确定平衡方程


文52


      利用matlab遗传算法工具箱求解非线性约束情况下的最优解问题，解得各截面的最优轴向诱导因子a和切向诱导因子b，如表4．3所示。


表4．3各截面最优轴向诱导取值


表4.3


文53


4.6


文54


4.7


      (5)绘制三维模型


      根据上文得到的弦长分布和倾角分布可绘制三维模型图如图4．8所示。


4.8
图4．8桨叶三维模型图


      4．3仿真分析


      4．3．1 CFD方法介绍


      计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)简称为CFD，是一种用计算机和离散化数值方法来分析流场、模拟流场、进行流场计算的前沿技术。近年来，随着CFD理论的不断完善、计算精度不断提高，使其逐渐成为了人们研究流体运动的最重要方法之一。通过CFD软件，可以模拟流场，计算出各位置的压力、速度、转矩等，可以使人们更加深刻地理解问题产生的机理，并通过调整各种参数逐步实现最佳设计效果。CFD技术虽然代替不了实际实验，但模拟分析是基于一定精度理论的预测，可以为实验提供指导和帮助，简化实验，节省实验所需的时间、人力和财力，并使实验结果的数据分析更具有针对性。CFD有以下三方面的特点：


      1．通常系统是很难简化的，而CFD强大的计算能力可以获得整个流场的各项结果，如压力、速度、流线、扭矩等等，并且CFD软件有很强可视画界面，便于通过现象挖掘系统的内在性质。


      2．随着CFD软件的发展，采用CFD进行计算变得越来越简单，通过CFD软件内置的计算模型，只需要给定问题的初始条件和流场模型就能在短时间内得到想要分析参数的模拟结果，就可以调整设计参数，优化设计效果。


      3．CFD是一种经济的技术，使用它可以针对性地进行分析，节省人力物力，缩短研发周期，使产品能更快地进入市场。


      由于CFD技术在节省研制费用、实现研制数字化自动化、缩短研制周期、提高研制质量等方面的优势，越来越多的人认识到CFD技术的重要性15¨。CFD软件可以方便地改变初始条件、流场模型以及边界条件，由此计算得到整个流场中任意位置处的物理参数，使得人们能够透过现象深入到流体的运动机理，优化设计参数，具有现实意义。并随着计算机计算频率的提高以及更优的流场模型的建立，CFD技术的计算结果会更加精确。未来带翼型机构设计参数的确定将依赖于在CFD模拟数据基础上产生的“虚拟实验”，这将是风机、水轮机的主要发展方向。Fluent是一种常用的CFD软件，可用于可压缩流体和不可压缩流体的计算，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，使得Fluent在湍流、航天航空、汽车设计、化学反应、燃烧、辐射及混合传热过程等方面都有广泛应用。Fluent包含丰富的流场模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-to模型组、k吒模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等152l。此外Fluent还可以对模型的网格进行优化，检测模型模拟过程，Fluent本身还具有较强大的后处理功能，能够对模拟结果进行分析和数据处理，应用起来十分方便。


      4．3．2流场模型建立与分析


      采用了目前较为常用的一种求解器Fluent，它在流场模拟方面具有优良的性能，其已被整合进ANSYS软件的workbench里面。使用Fluent进行流场仿真主要分为以下几分步骤：


      (1)模型建立


      根据桨叶尺寸建立三维模型，并设置计算域。


      (2)网格划分


      应用Gambit软件进行网格划分，定义边界条件，输出网格文件等等。


      (3)计算求解


      将网格文件导入Fluent进行计算求解，选择求解器和湍流模型，设置流域材料，设置初始条件和迭代步数等等，最后进行迭代求髂。


      (4)后处理


      通过后处理，可以得到任意一点的转矩、作用力，并能输出流场流线，流场压力图，流速图等等，方便讨论分析。首先，需要建立桨叶的三维模型，具体模型参数和模型图已在图4．6，4．7，4．8中给出，将模型导入Gambit，因为主要是观察桨叶外部流场，可不对桨叶网格进行划分，在流场加入Mapped face控制，结构化划分网格，对靠近网格位置的流域进行加密，得到网格模型如图4．9所示。根据水轮机环境设置桨叶为空心wall，淡蓝色区域网格为来流速度入口，设置为velocity inlet，红色区域网格为流出口，设置为out flow，其余边界为wall，旋转域网格外表面为interface。


4.9


      将划分好的网格导入Fluent，选择湍流模型为适合于水轮机流场的SST k吒模型，采用基于压力形式的稳态和瞬态求解器，流域介质为水，入口流速为1m／s，旋转域角速度为1．88rad／s，得到的仿真结果压力分布如图4．10所示。


4.10a


4.10b


      从图中可以看出，水轮机在旋转过程中，叶片迎流面受到很大的正压力，且前缘大于后缘压力，由根部到尖部，压力值增大，高压范围逐渐增大。背流面产生巨大的负压，且后缘负压值大于前缘，负压主要集中在中部和根部位置。


      4．4本章小结


      本章分析了渔山列岛海域的潮流特性，根据具体的设计条件选择了设计流速，计算了桨叶最大捕能功率系数时的叶尖速比，并根据平衡方程采用遗传算法计算了各截面的最优轴向诱导因子和切向诱导因子，由此确定了桨叶的扭角和弦长，最后得到了桨叶的三维模型，并通过Fluent软件模拟流场，分析桨叶水动力特性。


      第5章潮流能捕获桨叶综合实验及结果


      设计了桨叶的三维模型后就需要制造实物进行实验，本章在广泛研究潮流能桨叶和其相应实验测试系统的基础上，设计了2KW潮流能捕获桨叶综合实验测试系统。其主要由潮流模拟装置、传动装置、测控装置组成，利用该实验系统可模拟2m／s以下的潮流运动，可实验测试不同流场下桨叶的捕能功率系数特性、转矩特性、转速特性及负载特性等。除上文设计的升冲结合型桨叶外，另外基于Wilson设计法设计并制作了升力型桨叶，对这两种桨叶进行测试，同时对测试结果数据进行分析，比较讨论这两种桨叶的水动力性能，验证本文的设计理论。


      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。


5.1


      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。


5.2


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。


5.3


      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：


文55


      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。


5.4


      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。


5.5


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。


5.6


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。


文56


5.7


5.8


      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。


5.9


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


      5.10


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


5.11
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。


5.12


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


5.13


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。


5.14


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。


5.15


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。