豎軸潮流水輪機(jī)水動(dòng)力性能理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、豎軸潮流發(fā)電水輪機(jī)是目前廣泛實(shí)驗(yàn)和研究的潮流能轉(zhuǎn)換裝置。它對(duì)水深和流速的要求不高，不受來(lái)流方向變化的影響，不需要額外的偏航對(duì)流機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。而且通過(guò)設(shè)計(jì)和采用合適的葉片運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，豎軸水輪機(jī)通常能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)，并獲得較高的能量利用率。因此，針對(duì)這種水輪機(jī)葉片控制機(jī)構(gòu)和水動(dòng)力性能計(jì)算與預(yù)報(bào)方法的研究近年來(lái)受到人們?cè)絹?lái)越大地關(guān)注。 在葉片運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究方面，本文首先通過(guò)建立和完善豎軸水輪機(jī)水動(dòng)力性能理論模

2、型，以及分析速比、葉片偏角等參數(shù)對(duì)水動(dòng)力性能的影響，總結(jié)了葉片運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的工作原理；然后通過(guò)比較現(xiàn)有的各種變攻角葉片控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和工作特點(diǎn)，進(jìn)行了彈簧控制式變攻角水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和模型實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水輪機(jī)能夠自啟動(dòng)，而且能量利用率性能有一定的提高；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步分析了其水動(dòng)力性能和影響因素，例如彈簧剛度和密實(shí)度等。目的是檢驗(yàn)葉片控制機(jī)構(gòu)的可靠性和效果，為性能更好、工作更可靠的葉片控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及數(shù)值計(jì)算方法的比較和驗(yàn)證提供參

3、考和依據(jù)。 在性能計(jì)算和預(yù)報(bào)方法方面，本文首先根據(jù)動(dòng)量定理原理，建立了雙盤(pán)面多流管模型，并結(jié)合葉片動(dòng)力學(xué)分析將其運(yùn)用到被動(dòng)式變攻角水輪機(jī)—彈簧控制式水輪機(jī)的水動(dòng)力性能計(jì)算上；通過(guò)對(duì)流管擴(kuò)張、動(dòng)態(tài)失速、葉片自轉(zhuǎn)效應(yīng)的修正，使計(jì)算方法更趨完善。然后利用非定常面元法，以單個(gè)葉片非定常運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)，建立多葉片非定常運(yùn)動(dòng)的渦面元法模型，分析了多個(gè)葉片共同運(yùn)動(dòng)時(shí)的葉片與尾渦以及葉片與葉片之間的干擾效應(yīng)和葉片載荷特性；同時(shí)，考慮到水

4、輪機(jī)工作速比較小時(shí)，葉片攻角變化范圍大的特點(diǎn)，參考離散渦方法，建立了分離流動(dòng)模型，模擬流動(dòng)分離對(duì)水輪機(jī)性能的影響，使計(jì)算更具合理性。最后通過(guò)大量算例與實(shí)驗(yàn)值的比較，檢驗(yàn)了這兩種方法的適用性和準(zhǔn)確程度。 在水輪機(jī)性能研究方面，以各系列算例的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，詳細(xì)分析了速比、葉片數(shù)、弦長(zhǎng)直徑比、偏角變化規(guī)律以及葉片自轉(zhuǎn)軸位置等參數(shù)影響水輪機(jī)性能的原理、方式和結(jié)果，總結(jié)了葉片和轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)載荷、轉(zhuǎn)子的平均載荷、水輪機(jī)的能量利用率以及自由渦