竖轴潮流水轮机水动力性能理论与实验研究

竖轴潮流发电水轮机是目前广泛实验和研究的潮流能转换装置。它对水深和流速的要求不高，不受来流方向变化的影响，不需要额外的偏航对流机构，因而结构简单，工作可靠。而且通过设计和采用合适的叶片运动控制机构，竖轴水轮机通常能够实现自启动，并获得较高的能量利用率。因此，针对这种水轮机叶片控制机构和水动力性能计算与预报方法的研究近年来受到人们越来越大地关注。 在叶片运动控制机构的设计与研究方面，本文首先通过建立和完善竖轴水轮机水动力性能理论模型，以及分析速比、叶片偏角等参数对水动力性能的影响，总结了叶片运动控制机构的工作原理；然后通过比较现有的各种变攻角叶片控制机构的设计思路和工作特点，进行了弹簧控制式变攻角水轮机的设计和模型实验，结果表明水轮机能够自启动，而且能量利用率性能有一定的提高；最后根据实验结果初步分析了其水动力性能和影响因素，例如弹簧刚度和密实度等。目的是检验叶片控制机构的可靠性和效果，为性能更好、工作更可靠的叶片控制机构的设计以及数值计算方法的比较和验证提供参考和依据。 在性能计算和预报方法方面，本文首先根据动量定理原理，建立了双盘面多流管模型，并结合叶片动力学分析将其运用到被动式变攻角水轮机—弹簧控制式水轮机的水动力性能计算上；通过对流管扩张、动态失速、叶片自转效应的修正，使计算方法更趋完善。然后利用非定常面元法，以单个叶片非定常运动数值计算方法为基础，建立多叶片非定常运动的涡面元法模型，分析了多个叶片共同运动时的叶片与尾涡以及叶片与叶片之间的干扰效应和叶片载荷特性；同时，考虑到水轮机工作速比较小时，叶片攻角变化范围大的特点，参考离散涡方法，建立了分离流动模型，模拟流动分离对水轮机性能的影响，使计算更具合理性。最后通过大量算例与实验值的比较，检验了这两种方法的适用性和准确程度。 在水轮机性能研究方面，以各系列算例的计算结果为依据，详细分析了速比、叶片数、弦长直径比、偏角变化规律以及叶片自转轴位置等参数影响水轮机性能的原理、方式和结果，总结了叶片和转子的瞬时载荷、转子的平