潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究

目前用于获取海洋潮流能的潮流水轮机均采用刚性叶片,对工作流速要求高,噪音大,空蚀现象严重,且锋利的边缘容易对鱼类等海洋生物造成伤害,这些都是造成目前潮流能开发力度不够的重要因素。柔性叶片水轮机作为一种新型换能装置,其叶片由柔性材料制成,起转能力强,转速低,空蚀现象不明显,具有很多刚性叶片所不具有的特点。更具工程开发意义的特点是,柔性叶片水轮机转子转向只与叶片的安装方式有关,而不受水流流向控制,因此可广泛应用于流向多变的工况下。 在流体作用下,柔性叶片不断发生形位变换,自适应流体呈现翼形结构,承受阻力的同时可充分利用流体的升力效应做功,阻力效应和升力效应是彼消此长相互更替的关系,在相互转化过程中共同充当水轮机旋转的动力,高效提取流体能。 本文首先以四叶片帆翼式水轮机转子为例,介绍了柔性叶片水轮机的工作原理。分析了叶片的运动和受力,建立了评价柔性叶片水轮机水动力性能的数学模型,探讨了方程中对柔性叶片水轮机性能的众多影响因素,提出了目前国内外科研机构在流体和柔性体双向耦合理论研究中普遍遇到的问题,从而将解决问题的方法转向以风浪流水槽试验为基础的试验分析法。 在无量纲分析理论的指导下,作者找到与叶片形状和水轮机结构有关的一系列无量纲参数,这些参数的大小直接影响了柔性叶片水轮机的获能能力。对应这些参数的变化,设计了多个水轮机转子模型,提出了合理的试验方案,解决了试验过程中的诸多难题,并对试验获取的数据进行分析总结,找到了这些参数对柔性叶片水轮机水动力性能的影响规律。论证了柔性叶片水轮机的水动力特性,针对叶片结构参数和水轮机安装方式提出了优化方案。 随后,作者讨论了5kW柔性叶片水轮机海试样机的多种结构方案,并确定采用双浮体升降式结构形式。设计了国内第一台5kW柔性叶片水轮机海试样机。针对海洋特殊环境和载荷,选用了柔性叶片材料并对叶片和水轮机转子支撑结构进行了校核和优化。同时,对载体进行了设计,介绍了样机电控检测系统。 最后,基于海试数据,分析了导流罩的聚流效果。针对柔性叶片水轮机可控工作状态参数尖速比进行了分析,对比了模型试验和海试数据,不同流速环境具体数值上有一定差距,但趋势一致性好。提出了在不同流速下水轮机工作状态控制方案,为潮流能开发工程化应用阶段保持高效获能状态提供思路。