水平轴潮流能叶轮水动力性能比对试验.pdf

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1、第35卷第6期2016年12月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35．No．6Dee．2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．06．013水平轴潮流能叶轮水动力性能比对试验张巍，王兵振，王锰．廖微(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：叶轮作为潮流能发电装置能量俘获机构，其水动力性能的优劣对整个装置具有决定性意义。本文设计了两种叶轮翼型方案．方案一叶轮选择了具有代表性的单一翼型．方案二叶轮选择了多种翼型组合方式。为检验两种叶轮动力学性能．分别对两种方案进行了仿真和模型

2、试验。通过设定试验控制参数，提取观测参数，对实验数据进行处理分析，从功率系数方面对两者进行了对比．为水平轴潮流能发电装置叶轮翼型选择提供参考。关键词：潮流能；叶轮；动力特性；功率系数中图分类号：P743．1文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)06—0059—04在能源消费持续攀升和传统能源日趋短缺的背景下，新能源的开发利用已经成为大势所趋。由于潮流能的规律性和可预测性，近年来已成为一个研究热点，国内外开展了大量的研究工作。我国潮流能资源丰富，潮流能发电技术在我国具有较好的应用前景[1】。叶轮作为潮流能发电装置的能量俘获机构

3、，对整个机组的发电效率具有决定性意义。翼型选择是叶轮设计的关键，目前潮流能叶轮翼型主要采用NACA6系列翼型，既有选用单一翼型的设计方案[21，也有选用多种翼型组合的设计方案[3]。在加工方面，单一翼型加工难度较低，多种翼型组合加工难度较高。为了综合考虑两种翼型方案，本文从性能方面对两种翼型进行对比，方案一选择了具有代表性的单一翼型，方案二选择了多种翼型组合。对两种方案分别进行了仿真和模型试验。从功率系数方面对单一翼型和多翼型叶轮进行了性能比对。然后对两种方案进行综合分析。种翼型组合，从NACA63415～NACA63432，共计18种翼型

4、[4]。两种方案的最佳尖速比设计值均为6，模型的直径D为800mm。叶片材料采用超硬铝，叶片与轮毂的连接形式为法兰。叶片加工实物如图1所示。模型叶片的弦长和扭角分布分别如图2～图3所示。图3中的纵轴为各截面的弦长，单位m；图3纵轴为各截面的安装角，单位度；带菱形标志的蓝色曲线为方案一的特性，带圆形标志的红色曲线为方案二的特性。图1叶片实物l叶轮模型设计2模型动力特性仿真设计了2种潮流能叶轮模型，方案一的叶片采用单一的NACA63424翼型，方案二的叶片采用多在模型试验前，对两种叶轮模型的动力特性进行了仿真，分析了叶轮在不同迎流速度和转速条件

5、收稿日期：2016—05—18基金项目：海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201205019—3)作者简介：张巍(1987一)，男，工程师，主要从事海洋可再生能源开发利用技术研究。E—mail：zhangweinotc@163．corn60海洋技术学报第35卷＼I—”5。,n。gle。。％l

6、吣、．k≮、＼＼．＼厂／n1图2模型叶片弦长分布∑l一：=专。‰J专＼、，’～。K～．、～，／t1I图3模型叶片扭角分布下的功率系数。叶轮尖速比为迎流速度与叶轮转速之比。其中，迎流速度选取了2．0m／s，叶轮尖速比取值范围在2～11之间，相应的叶轮转

7、速在20～550r／min之间变化；通过转速传感器得到扭矩转速数据，得出叶轮输出功率，通过比对叶轮输入功率，得出功率系数。两种方案叶轮的尖速比一功率系数的性能关系如图4所示。—争singlefailmulliplefoilL锣。产～；、：‘Ⅵ、＼．《＼≯?

8、图4两种方案功率系数图中，带菱形标志的蓝色曲线为方案一的特性，带圆形标志的红色曲线为方案二的特性。由仿真结果可知：(1)两种方案最佳功率系数非常接近，在叶尖速比6—7之间，功率系数最大值约为0．41。(2)在仿真结果中，方案二在叶尖速比2-6的范围内，功率系数优于方案一。在叶尖速比6～1

9、0范围内，两种叶片功率系数相近。所以在整体性能方面，方案二略优于方案一。3模型试验方案试验在拖曳水池进行，拖曳速度为2．0m／s。试验装置主要由叶轮、轮毂、传动装置、转速／扭矩传感器、发电机、控制电路等部分组成，如图5所示。传动系统包括水下传动轴、同步带和水上传动轴3部分。水下传动轴的支撑系统密封在一个铝合金圆柱形壳体内，其动力通过同步带传递给水上传动轴。水上传动轴通过联轴器与扭矩／转速传感器和发电机连接，带动两者做功。通过扭矩／转速传感器对转速和转矩进行测量，本系统中选用ZH07—50B转矩转速传感器作为测量传感器。负载系统为发电机和阻性

10、负载，以及电力变换电路。发电机选用低速永磁发电机，功率为800W，额定转速为400rpm，额定电压110V，额定电流4．2A。在试验进行前，对传动系统摩擦阻力矩进行了测试，结果表