尹锐 王文全 潘浏锴

摘要：设计海流能水轮机叶片和分析水动力学特性，有利于开发海洋能。首先基于CFD对二维水翼进行数值模拟，通过对比不同的升阻比，得到该水翼的最佳攻角。然后利用Wilson设计法，设计出海流能水轮机叶片（功率为200W）。最后对该海流能水轮机进行了设计工况和变桨距角工况下的水动力学特性分析。结果表明：当流速较小时，可以通过增大桨距角，降低启动扭矩；当流速过大时，可以通过增大桨距角来减小其轴向荷载，进而保证整个装置的稳定运行。本文分析成果可为设计海流能水轮机叶片提供依据。

Abstract： Researching on blade design and hydrodynamic characteristics of ocean current turbine， it helps to utilize marine energy. Firstly， based on the computational results of two-dimensional hydrofoil using CFD， the best attack angle of the hydrofoil is acquired by analyzing different ratio of lift to drag. Then a horizontal axis current turbine （200W power） has been designed using the Wilson method. Finally， hydrodynamic characteristics of the horizontal axis current turbine under design case and different pitch angle are analyzed. The results show that： when the flow rate is small， it can be start by increasing pitch angle； when the flow rate is too large， it can be reduced the axial load by increasing the pitch angle， thereby ensuring the stability of the entire operation of the device. The analysis results can improve the design.

关键词：水平轴海流能水轮机；计算流体动力学；叶片设计；水动力特性；数值模拟

Key words： horizontal axis current turbine；computational fluid dynamics；blade design；hydrodynamic characteristics；numerical simulation

中图分类号：TK730.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0153-03

0 引言

目前，寻求清洁可再生能源来解决能源危机已成为世界各国共同面临的重大挑战，我国能源稀缺也日益严重。海流能是一种绿色能源，且含量非常丰富，越来越受到世界各国的重视。海流能是在海上风力、海水温度和盐度所引起的梯度差的作用下所产生的能量，相对比较稳定[1-2]。海流能转换装置——海流能水轮机主要分为透平类装置和非透平类装置两类[3]。前者具有体积小和便于控制等特点[4]。其中，按照叶轮转轴与来流方向的位置又可分为水平轴式和垂直轴式，由于水平轴式海流能水轮机以其良好的水动力学特性得到了广泛的关注，为此，本文选取水平轴海流能水轮机作为研究对象。

大批学者针对海流能水轮机水动力学特性开展了广泛的研究，如Bahaj等基于叶素动量理论對水平轴海流能水轮机进行了水动力学特性和流场分析[5-6]，随后又通过试验来验证理论分析的可靠性[7-8]。Jo等针对小型水平轴海流能水轮机进行了数值模拟，分析了各不同叶尖速比下的流场分布情况[9-10]。

Goundar等对水平轴海流能水轮机进行了三维外形设计[11]。Kang等利用浸入边界法对实际运行中的海流能装置进行了三维数值模拟[12]。目前大部分研究都集中在对现有叶片实体模型的基础上进行水动力学特性分析，而本文主要提出基于CFD计算成果的海流能水轮机三维设计思路，并主要开展水平轴海流能水轮机变桨距角工况下的水动力学特性计算和分析，为海流能动力转换装置的优化设计和运行控制提供参考。

1 基于CFD的叶片设计

1.1 控制方程

1.2 最佳攻角分析

水翼的升阻特性会随着攻角α的变化而改变，一般用升阻比CL/CD来衡量水翼性能的优劣，当升阻比最大时对应的便是最佳攻角。现取攻角从0°-20°之间变化，分别计算各个攻角下的升阻比。计算结果如图1所示。当攻角从0°增加到7°的过程中，升阻比不断增加；当攻角从7°增加到20°的过程中，升阻比不断减小。最大升阻比所对应的攻角为7°，故最佳攻角为7°。

1.3 三维叶片设计

叶片设计即在给定的设计功率200W和其他基本参数下，通过对Wilson设计法进行编程和优化计算，得到各截面的最佳弦长和扭角。具体计算步骤如下：

①根據叶素理论，将叶片沿展向均匀分成n个断面，设第i断面半径为ri；

②分别求半径为ri的各截面的最大功率利用系数，进而求出弦长C和入流角φ；

③根据θ=φ-α求解出安装角θ，其中α为叶素最佳攻角，根据1.3节CFD计算结果，取α=7°。

根据三维坐标转换公式计算出各叶素截面的三维坐标，最终形成的海流能水轮机叶片三维实体模型如图2所示。

2 海流能水轮机水动力学特性分析

现对不同的桨距角进行分析。图3-图5所示分别为不同桨距角下海流能水轮机功率系数、扭矩系数、轴向力系数随叶尖速比λ变化的情况以及最大功率系数、最大扭矩系数、最大轴向力系数随桨距角θm变化的情况。桨距角不变时，随着λ的增加，功率系数和扭矩系数先增加后减小，轴向力系数先增加，达到最值后有逐渐减小的趋势。桨距角越大，扭矩系数在越小的λ下达到最值，增加桨距角有助于在来流速度较小时启动；叶片的迎流面积越小，轴向力系数越小。

而对于不同的桨距角，最大功率系数随着桨距角的增加先增大后减小，最大扭矩系数随着桨距角的增加而增加，最大轴向力系数随着桨距角的增加而减小。这说明当流速较小时，可以通过增大桨距角启动叶轮旋转；当流速过大时，可以通过增大桨距角来减小其轴向荷载，进而保证整个装置的稳定运行。

3 结论

本文首先基于CFD对二维水翼进行了流场数值模拟，找到最佳攻角。然后对Wilson设计法进行编程计算，设计出功率为200W的海流能水轮机叶片。最后分析了该海流能水轮机变桨距角下的水动力学特性。通过计算结果发现，海流能水轮机功率系数、扭矩系数、轴向力系数都随叶尖速比的增加先增加后减小。最大功率系数、最大扭矩系数随着桨距角的增加而增大，最大轴向力系数随着桨距角的增加而减小。研究表明，在转速不变的情况下，随着流速的不断增加，其轴向力也逐渐增大，过大的流速将会对装置产生破坏；另一方面，当流速较小时，小桨距角的扭矩较小，叶轮难以启动，而通过改变叶片的桨距角，可以有效解决以上问题，进而保证整个装置的稳定运行。

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