水平轴潮流能叶轮尖速比特性分析研究

针对设计尖速比对水平轴潮流能叶轮动力特性的影响问题开展研究工作。基于叶素-动量理论建立叶轮动力特性仿真模型,以叶片数量分别为2、3、4的叶轮为对象,考察设计尖速比对叶轮的功率系数的影响。研究结果表明:设计尖速比越大的叶轮,其最大效率也越高;叶片数量多的叶轮,其功率系数略优于叶片数量少的叶片。结合分析结果,给出了水平轴潮流能叶轮的设计尖速比的选择建议。     

水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究

叶片数量是水平轴潮流能发电叶轮的重要技术参数,对水平轴潮流能发电装置叶轮叶片数量问题进行了研究;利用叶素—动量(BEM)理论的Wilson方法设计了2叶片和3叶片两种水平轴潮流能叶轮,两种叶轮的直径、额定工作流速、启动工作流速、最大工作流速等参数一致,控制策略均采用调桨距角方案;利用WT_Perf对模型的合理性进行了验证;利用建立的仿真模型,从功率系数、发电量、轴向推力、启动力矩等4个方面,分析对比了2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性;对比结果表明,对于流速较低的海域,使用2叶片叶轮的方案具有一定优势,符合装置实际使用情况。     

水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响

为研究水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响,运用格子玻尔兹曼(LBM)方法,建立水平轴潮流能发电装置的数值模拟分析模型,对水轮机在不同尖速比工况下的水动力性能进行模拟。将模拟结果与同工况水池拖曳实验得到的数据相对比,二者捕获能系数误差在2%左右,验证了LBM方法的可行性和准确性。在此基础上利用LBM方法研究机舱和立柱结构对水轮机特性的影响,得到其对水轮机捕获效率的影响规律。     

水平轴潮流能水轮机水动力数值模拟研究

针对水平轴潮流能水轮机,对其进行了力学分析并运用CFD方法对其水动力性能进行了仿真计算。比较了定常计算与非定常计算结果的区别,运用定常计算(MRF)方法得到了表现水轮机性能的功率、扭矩和推力特性曲线,分析了水轮机在不同尖速比时的表现。对水轮机模型进行了拖曳水池试验,并与仿真数据进行了比对分析,两者吻合度较好,并分析了试验过程中出现的在尖速比较大时功率系数衰减的现象,表明CFD方法对水轮机的工程实践有着指导意义。得到了尾流场的速度云图、流线分布图与衰减曲线,结果表明相对于水轮机的直径,受到其影响后的流场存在扩张现象。分析了水轮机后不同位置处的流场衰减情况,结果显示,随着水轮机后轴向距离的不同其速度恢复差别很大,对于今后潮流能水轮机的大规模布置方式研究提供了依据。     

基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题,基于Fluent 17.0,运用UDF(User Defined Function)控制滑移网格对网格进行动态调整,仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析,结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放角度的增加,尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小,叶片安放角为6°时,叶轮前后速度差最大,对潮流能利用充分,且各项性能均达到最佳;通过分析叶片受力,叶尖叶素在安放角为2°时阻力最大,3°时升力最大,升阻比在6°时最大,此时叶尖叶素升阻比C_L/C_D=6.27、攻角α=3.06°。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由5个阶段组成,即加速度增大的加速运动段—加速度减小的加速运动段—加速度反向增大的减速运动段—加速度反向减小的减速运动段—稳定运行段,这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。     

潮流能水轮机水动力分析方法

潮流水轮机是潮流能转换装置的核心装备,潮流水轮机水动力性能和载荷则是潮流能转换装置总体设计和结构设计的基本依据。到目前为止,流动分离、流固耦合、空化以及复杂环境条件等强非线性因素对潮流水轮机水动力的影响仍然是一个值得研究的问题。本文基于哈尔滨工程大学在潮流能利用技术领域多年的研究成果,对潮流水轮机在均匀流水动力分析和流固耦合分析的不同数值方法及相关计算结果进行了回顾和对比分析,并提出了一种水轮机波浪载荷的计算模型。     

水平轴潮流能水轮机阵列对区域潮流场影响研究

为考察水轮机阵列对区域潮流特性的影响,本文基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及附近水域的三维水力学模型并通过实测数据进行校验。经验证后的模型,采用TSE方法确定阵列在目标水域中的放置位置,并通过动量损失方式模拟水轮机对流场的影响,进而研究和评估在一定水域面积下不同水轮机数量组成的阵列对潮流场的影响。仿真结果显示:该水域放置水轮机阵列将对附近较大范围水域的水位产生影响,在靠近阵列处水位变化最大能达到3 cm;对区域流速影响较为显著,当阵列中水轮机密度较大时,其尾流影响区域局部时刻流速下降能达到45 cm/s且影响距离可延伸至其下游2 km外。     

液压型潮流能发电系统叶轮最大功率控制

文章为解决水平轴潮流能发电系统在低于设计流速下叶轮能量捕获效率低的问题,运用最大功率跟踪控制理论及叶轮与变量泵传动轴力矩平衡方程,建立了变量泵反力矩参考值模型,设计了间接速度控制的压力反馈加转矩控制系统,通过小范围内调节变量泵排量,实现叶轮最大功率捕获。整个系统的性能在自动化工作室(automation studio)中进行了仿真测试,实验样机也进行了海上试验。仿真测试和海试结果显示,该控制系统工作稳定性好,仿真和海试时叶轮的捕获功率系数分别在0.35和0.33附近波动,相比不加控制,分别增加了约0.03和0.05,提高了叶轮的捕获效率,验证了控制系统的有效性。     

水平轴潮流能发电装置控制流程设计

以正在研制的水平轴潮流能发电装置为对象,开展了工作流程控制方法的研究工作。建立了基于叶素-动量理论的动力特性仿真模型;利用仿真模型考察了发电装置的启动转矩和转速特性,以及流速大于额定流速条件下的功率限定问题,制定了基于发电机输出电压的启动控制策略和基于发电机输出功率的功率限定控制策略。根据控制策略,设计了装置的控制流程。结合潮流变化情况,对控制流程进行了仿真。仿真结果表明,基于发电机输出电力参数的控制流程能够较好地实现对发电装置的控制。     

Hydrodynamic Study on Energy Capturing Performance of Horizontal Axis Blades Under Sub-Low Speed Tidal Current

The research on the hydrodynamics of blades is mainly focused on sea areas with high-speed current. However, the average velocity in most territorial waters of China is smaller than 1 m/s, and the lift type of airfoil blades has limited application in most of these conditions. Therefore, it is of great significance to study the tidal current energy capture of blades in sub-low speed sea areas. The effect of flow impact resistance on the blade at sub-low current speed is considered and a new type of thin-walled blade based on the lift type of blade is proposed, and then the lift-impact combined hydrodynamic model of horizontal axis blade is established. Based on this model, and considering the characteristics of tidal current and velocity in the sea area of Yushan Islands, simulation and optimization of blade design are carried out. Additionally, the horizontal axis thin-walled blade and the NACA airfoil contrast blade under the same conditions are developed. By using a synthetical experimental test system, the power, torque, rotational speed and load characteristics of these two blades are tested. The performance of the thin-walled blade and the design theory are verified. It shows that this type of blade has much better energy capture efficiency in the sub-low speed sea area. This research will promote the study and development of turbines that can be used in low-speed current sea areas in the future.     

配有导流涵道的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能研究

垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、适应任意流向等优点,但其能量转换效率低于水平轴水轮机,在运行时有较大的转矩脉动,不利于水轮机的平稳运行,易引起结构疲劳。本文针对垂直轴潮流能水轮机的运行特点,提出了一种导流涵道装置,利用数值模拟方法对比分析水轮机在有无导流涵道装置情况下的水动力性能。结果表明,导流涵道可以起到整流的作用,使流体在水轮机盘面内的流动更加平顺。另外,导流涵道装置不仅可以提高水轮机的能量利用率,还能有效改善作用在水轮机叶片上的水力驱动力矩脉动和转速脉动,改善了水轮机运行状态,提高了结构可靠性。     

水平轴潮流能水轮机数值模拟方法对比分析

叶素动量理论和CFD方法是水平轴潮流能水轮机性能分析中运用较为广泛的数值模拟方法,文中结合小尺寸水轮机模型试验,对比分析了叶素动量理论和CFD方法在水轮机性能分析中的准确性和适用性.验证结果表明:叶素动量理论和CFD方法均能对水轮机的性能进行预报,且CFD精度高于动量叶素理论;大尖速比时,动量叶素理论偏离较高,不再适合性能预报;在小尖速比下,建议采用RNGk-ε模型的CFD方法进行分析计算;动量叶素理论适合设计初期设计方案的对比分析,而CFD方法适合对设计结果的验证校核和详细分析.     

共水平轴双叶轮海流机水动力学性能的实验研究

针对水平轴单叶轮海流机在低流速时启动性能差、获能少的缺点,采用共水平轴同向旋转双叶轮水轮机进行了水动力学性能的水槽试验.由实验结果研究了共水平轴单叶轮和双叶轮水轮机的功率特性和启动特性,分析了不同上、下游叶轮安装角和叶轮轴向间距对叶轮启动水流速度以及发电机获得功率的影响,并对单叶轮和双叶轮水轮机的运行情况进行了比较.结果表明,共水平轴双叶轮水轮机的启动水流速度较单叶轮低很多,而且能从水流中获得更多的能量.因此,共水平轴双叶轮水轮机能改进一般水平轴单叶轮水轮机难以启动和获能少的不足,更适合于我国低海流流速的实际海况.     

Design and Test of 1/5th Scale Horizontal Axis Tidal Current Turbine

Tidal current energy is prominent and renewable. Great progress has been made in the exploitation technology of tidal current energy all over the world in recent years, and the large scale device has become the trend of tidal current turbine (TCT) for its economies. Instead of the similarity to the wind turbine, the tidal turbine has the characteristics of high hydrodynamic efficiency, big thrust, reliable sealing system, tight power transmission structure, etc. In this paper, a 1/5th scale horizontal axis tidal current turbine has been designed, manufactured and tested before the full scale device design. Firstly, the three-blade horizontal axis rotor was designed based on traditional blade element momentum theory and its hydrodynamic performance was predicted in numerical model. Then the power train system and stand-alone electrical control unit of tidal current turbine, whose performances were accessed through the bench test carried out in workshop, were designed and presented. Finally, offshore tests were carried out and the power performance of the rotor was obtained and compared with the published literatures, and the results showed that the power coefficient was satisfactory, which agrees with the theoretical predictions.     

潮流能水平轴水轮机叶片优化研究

叶片对潮流能水轮机的性能有很大的影响,因此对叶片进行优化研究对于提高潮流能水轮机的效率的重大意义。本文对50kW潮流能水平轴水轮机进行了叶片设计,针对水轮机具体的运行环境,以提高水轮机获能为目标,应用遗传算法对叶片弦长和扭角进行了优化设计。通过对比实际工况下水轮机的获能特性得知,优化的叶片获能系数和获能功率较原叶片有所提高,从而证明应用遗传算法进行叶片优化的可行性,为水轮机叶片优化提供了新的方法。     

潮流能水平轴水轮机湍流模型研究初探

借助计算流体力学(CFD)方法研究潮流能水平轴水轮机水动力学性能,选择合适的湍流模型至关重要。为此,本文采用计算流体力学软件Fluent,将Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型分别应用到水平轴水轮机数值模拟当中。对数值模拟结果进行分析比较,并与模型试验数据进行对比,得出应用SSTk-ω湍流模型可以更好的模拟潮流能水平轴水轮机的水动力学性能。     

Research on Pitch Control Strategies of Horizontal Axis Tidal Current Turbine

Based on blade element momentum theory and generator characteristic test, a dynamic simulation model of 150 kW horizontal-axis tidal current turbine was established. The matching of the dynamic characteristics between the turbine and generator under various current velocities is studied, and the influence of the pitch angle on the matching is analyzed. For the problem of maximum power output in case of low current speed and limiting power in high current speed, the relation between optimal pitch angle and output power is analyzed. On the basis of dynamic characteristic analysis, the variable pitch control strategy is developed. The performance of the turbine under various tidal conditions is simulated. The research results show that the designed controller enables the turbine to operate efficiently under the condition of low current speed, and achieve the goal of limited power at high current speed.