双层垂直轴潮流能水轮机水动力性能研究

A new design concept of the double-decker vertical axis hydroturbine is presneted in my project based on the advantages and disadvantages of domestic and international tidal current generating devices. Stream-tube model and the viscous CFD algorithm for fluid dynamics performance and loads of double-decker vertical axis hydroturbine are established to study the spatial layout of the blades to the hydroturbine power characteristics, the interference and flow field characteristics between the multi-blade and blade support structure. In addition, hydrodynamic model tests of typical double decker hydroturbine are carried out based on the numerical analysis results with a sound test platform and test correction techniques to verify the validity and accuracy of the numerical algorithm. The final objective is to design a double-decker vertical axis hydroturbine with simple structure, high efficiency, economical and reliable maintainability and self-starting, to establish a numerical algorithm and model test platform for hydrodynamic performance design,parameteric optimization and load forecasting of double-decker vertical axis hydroturbine, which will provide a thoretical base for lagre scale and commercialized development of tidal hrdortuibine in furture.

本申请项目针对目前国内外各类潮流能发电装置的优缺点，提出双层垂直轴水轮机的设计概念。建立双层垂直轴叶轮的流体动力学性能与载荷的流管法模型和粘性CFD算法，研究叶片的空间布局对叶轮功率特性的影响规律、多叶片之间以及叶片与支撑结构之间的干扰和流场特征规律等难点问题。在数值分析的基础上，选取典型双层叶轮结构形式开展系列水动力模型试验研究，建立完善的测试平台和测试修正技术，结合测试结果验证数值算法的有效性和准确性。最终设计一种结构简单、运行效率高、经济可靠、可维护性强，并可实现自启动的双层垂直轴叶轮结构形式，形成一套可供双层垂直轴叶轮水动力学性能设计、参数优化与载荷预报的准确数值算法和模型测试平台，为潮流水轮机进一步朝大型化和商业化发展奠定研究基础。

本项目提出三种类型的多叶片双层水轮机的概念，包括上下双层（十字叉型），内外双层和主副翼型。分别应用流管法和CFD方法计算了三种类型双层水轮机的性能并与同等尺度的传统单层水轮机进行对比，分析各自的载荷和功率特性，找出性能变化规律与无量纲描述特性参数之间的关系，并进一步分析流场细节，从流体力学基本原理上分析水轮机特性差异的机理。. 在理论研究方面，提出了基于双盘面多流管模型的当量密实度法，用来计算内外双层水轮机特性，以解决流管内包含多层叶片导致诱导因子不收敛的问题；建立了三维十字叉型水轮机的CFD计算模型，在网格上采用多子域分块滑移的方法，以避免网格变形引起的大量计算时间和计算误差。将评价水轮机的特性的各项指标和影响参数进行无量纲化，寻求影响因子和载荷功率性能之间的内在规律。. 在实验研究方面，选取理论对比性能较好的十字叉型水轮机作为实验模型，建立了水轮机实验测试平台，采集应力应变信号分析水轮机主轴载荷，采集转速扭矩信号以及电机输出的电流电压信号来计算水轮机的功率特性。. 研究结果表明，相对于传统水轮机而言，三种类型的双层水轮机均在低速比时效率有所提高，合理布置叶片位置可有效改善水轮机的启动性能，但在高速比时效率均低于传统单层水轮机。内外双层水轮机的外层叶片对力矩做主要贡献，由于内层叶片的干扰，外层叶片的载荷系数有所降低；主副翼型水轮机要合理设置襟翼的摆动规律，固定襟翼对于改善水轮机的功率性能效果不佳，但可以有效改善载荷分布；十字叉型水轮机对于提高载荷和功率的稳定性效果最为明显，虽然三维效应使叶轮最大效率的值下降，但在低速比时效率提高，扩宽了有效功率区域的捕捉范围。实验研究表明，增加自由液面高度和调整密实度可以进一步提高十字叉水轮机的效率，因此十字叉型水轮机是潮流能发电原动机进行产业化应用时较好的选择。