一種水平軸潮流能水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，尤其設(shè)及一種水平軸潮流能水輪機(jī)組合 翼型葉片的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，海洋能的開發(fā)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，潮流能作為一種清潔的可再生能源 尤其受到廣泛研究，潮流能具有可靠性、周期性、可持續(xù)性，且分布廣泛等的優(yōu)點(diǎn)，其將會(huì)在 未來能源中扮演重要角色，為了利用潮流能，水輪機(jī)是潮流能的主要捕獲裝置，因此如何提 高潮流能水輪機(jī)的獲能效率成為了影響潮流能發(fā)電推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因而水輪機(jī)的研 制越來越受重視。
[0003] 葉片是水輪機(jī)的核屯、部件，而翼型是構(gòu)成葉片的基礎(chǔ)，因此葉片翼型的選擇將直 接影響水輪機(jī)的獲能效率。由于水平軸水輪機(jī)出現(xiàn)較晚，目前還沒有一套方法完全適用于 水平軸潮流能水輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，但因其形式與風(fēng)力機(jī)相似，國內(nèi)外大都采用較成熟的風(fēng) 力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法。但二者工作介質(zhì)在密度、粘度、流速等因素上存在較大差異，造成按 照風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)方法得到的水輪機(jī)獲能效率較低。因此，如何設(shè)計(jì)一種符合工作介質(zhì)特 性的葉片是提高水平軸潮流能水輪機(jī)獲能效率的關(guān)鍵問題。專利CN104408260A提供了 一種潮流能水輪機(jī)葉片翼型設(shè)計(jì)方法，該方法基于遺傳優(yōu)化算法，綜合考慮了水輪機(jī)水翼 翼型設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，能夠根據(jù)不同水域和海洋環(huán)境要求獲得最佳的水翼翼型曲線，具有 可行解表示廣泛性、群體捜索性、隨機(jī)捜索性和全局性等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得全局最優(yōu)解。
[0004] 將仿生學(xué)應(yīng)用于葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)新的發(fā)展方向，研究表明，將鳥類翅膀的自然特 性應(yīng)用到水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)中，能顯著提高其獲能效率。同時(shí)，海洋魚類經(jīng)過數(shù)億年 的自然衍化，其身體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方式能夠很好地適應(yīng)水中生活，具有優(yōu)異的水動(dòng)力性 能。研究表明，魚罐的運(yùn)動(dòng)配合對于水動(dòng)力性能有著至關(guān)重要的作用，因此魚類仿生研究引 起了眾多研究人員的興趣，并且已在水下推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域取得了較好應(yīng)用，運(yùn)就為水平軸潮 流能水輪機(jī)仿生葉片的設(shè)計(jì)帶來了新的啟示。但是，魚罐的作用主要是用于身體推進(jìn)及平 衡控制，與水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在較大差異，因而不適宜采用仿形法設(shè)計(jì)與魚罐形狀完全 相同的葉片。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種水平軸潮流能水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè) 計(jì)方法，利用仿生翼型和常規(guī)翼型相互組合形成組合翼型葉片，使得葉片的水動(dòng)力性能更 為優(yōu)越，提高水輪機(jī)的獲能效率，W彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0006] 本發(fā)明提供的水平軸潮流能水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)方法采用經(jīng)典的WILSON理論及葉素 動(dòng)量理論，分別研究常規(guī)翼型及仿生翼型的水動(dòng)力性能，根據(jù)各葉素在葉片中的作用，將常 規(guī)的葉片翼型與仿生翼型相結(jié)合，設(shè)計(jì)出性能更為優(yōu)越的組合翼型葉片。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案為： 一種水平軸潮流能水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 采用=維掃描儀獲取魚罐標(biāo)本的=維數(shù)字模型，即魚罐的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 2) 通過逆向工程軟件對上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到魚罐的=維數(shù)字模型，沿魚罐長 度方向任意選取魚罐不同位置處的橫截面輪廓作為仿生魚罐翼型； 3) 通過翼型專業(yè)分析軟件將截取到的仿生魚罐翼型與水輪機(jī)的多個(gè)常規(guī)翼型在不同 雷諾數(shù)下相比較，選取達(dá)到最佳雷諾數(shù)時(shí)升阻比最大的仿生魚罐翼型，并導(dǎo)出該翼型和各 常規(guī)翼型的二維坐標(biāo)，即得仿生翼型二維坐標(biāo)和各常規(guī)翼型二維坐標(biāo)； 4) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定水輪機(jī)的功率、葉片數(shù)量、額定流速、尖速比、葉輪額定轉(zhuǎn)速W及 葉輪直徑等參數(shù)； 5) 依據(jù)步驟4)中得到的參數(shù)，利用常規(guī)葉片設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片，確定設(shè)計(jì)葉片的長度， 將其長度分為等份，此時(shí)就獲得截面，即葉素，通過數(shù)值分析軟件對上述葉 素分別進(jìn)行優(yōu)化，得到每個(gè)葉素的參數(shù)； 6) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求W及葉片不同位置的作用，選取步驟3)中的仿生魚罐翼型及不同的常 規(guī)翼型分別對應(yīng)步驟5)中的各個(gè)葉素，并將由步驟3)得到的各翼型二維坐標(biāo)根據(jù)步驟5) 中的葉素參數(shù)轉(zhuǎn)換為立維坐標(biāo)； 7) 將上述得到的翼型=維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到=維設(shè)計(jì)軟件中，進(jìn)行放樣處理，最終生成 組合翼型葉片。
[0008] 所述步驟2)中獲取仿生魚罐翼型的具體方法為：沿魚罐長度方向?qū)Ⅳ~罐n等分， 即得到n-1個(gè)仿生魚罐翼型，其中，n的大小由魚罐的長度、擬選取的仿生翼型數(shù)量決定。
[0009] 所述步驟3)中所述的常規(guī)翼型為NACA系列翼型。
[0010] 所述步驟5)中所述的葉素優(yōu)化的具體步驟為：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用常規(guī)葉片設(shè)計(jì) 方法設(shè)計(jì)葉片，將設(shè)計(jì)的葉片沿長度方向分為等份，即獲得葉素；對每個(gè)葉素單獨(dú) 研究，并假設(shè)第i個(gè)葉素的半徑為r,，利用數(shù)值分析軟件對目標(biāo)函數(shù)、約束方程和求解方程 分別編寫程序代碼；通過數(shù)值分析軟件所帶的優(yōu)化工具箱調(diào)用上述程序代碼，計(jì)算每個(gè)葉 素的半徑、尖速比、軸向因子、周向因子、葉尖損失因子、入流角、弦長、扭角等參數(shù)。
[0011] 所述步驟6)中的翼型二維坐標(biāo)通過平移變換、縮放變換、旋轉(zhuǎn)變換和沿Z軸的偏 移變換轉(zhuǎn)換為翼型=維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明中葉片設(shè)計(jì)采用了仿生魚罐翼型與常規(guī)翼型相組合，能夠 更好地適應(yīng)工作介質(zhì)的特性，從而具有較高的獲能效率；本發(fā)明根據(jù)水輪機(jī)葉片從葉根到 葉尖的不同部分在葉片獲能過程中所起的作用不同，選用不同的翼型而設(shè)計(jì)出的組合翼型 葉片，實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明能夠明顯提高葉片的獲能效率和可靠性；在不同流速、流向的海況 中，均可采用本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)方法，選用不同的仿生翼型和常規(guī)翼型來設(shè)計(jì)組合翼型葉 片，從而得到較高的獲能效率。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中整魚尾罐截面翼型示例圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中整魚尾罐的不同位置翼型圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中幾種仿生整魚尾罐翼型水動(dòng)力性能分析示例圖。
[0016] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的組合翼型葉片的翼型選擇示例圖。
[0017]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的組合翼型葉片示例圖。
[0018]其中，1-NACA63-018 翼型；2-NACA0015 翼型；3-仿生整魚尾罐翼型；4-NACA2412 翼型；5-NACA2410翼型。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖通過特定的實(shí)施例 進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0020] 本實(shí)施例采用整魚尾罐作為仿生翼型的獲取模型，該實(shí)施例中的具體操作方法同 樣適用于其他魚罐用于仿生翼型的獲得，W及組合翼型葉片的設(shè)計(jì)。
[0021] 基于整魚尾罐為仿生對象，水平軸潮流能水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法，包括W下步驟： 1) 采用=維掃描儀獲取整魚尾罐的=維數(shù)字模型，即整魚尾罐的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 2) 通過逆向工程軟件將上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到整魚尾罐的=維數(shù)字模型，如圖 1所示； 3) 根據(jù)整魚尾罐的長度，將其進(jìn)行8等分，得到7個(gè)位置處的截面輪廓作為仿生整魚 尾罐翼型，如圖2所示； 4) 通過翼型專業(yè)分析軟件將截取到的7個(gè)尾罐翼型的水動(dòng)力性