双叶片半转叶轮水轮机水动力性能实验研究

双叶片半转叶轮水轮机是一种升阻复合新型垂直轴水轮机,水动力性能优劣直接影响着其工程应用价值。本文首先介绍了双叶片半转叶轮水轮机工作原理,分析了主要性能参数与实验参数的关系;在水轮机样机制造和水下实验平台设计的基础上,开展了水轮机低速启动性能测试、不同流速下获能效率测试以及获能效率稳定性测试等水下实验项目,并将水下实验与数值模拟进行结果对比分析。实验结果表明:双叶片半转叶轮水轮机在低流速(0.5 m/s)下依然保持良好的启动特性,来流速度对水轮机获能效率影响较小,最佳负载下水轮机平均获能效率可达46%,明显高于传统垂直轴水轮机获能效率;提高能量输出稳定性是该水轮机设计研究下一步需要努力的方向。

半转叶轮水轮机载体平台多目标优化设计

针对半转叶轮水轮机载体平台横摇与纵摇对水轮机水动力性能的影响较大,设计一种双体浮式平台作为半转叶轮水轮机载体平台,采用计算流体动力学的方法计算水轮机横摇与纵摇许用角范围;基于频率响应法建立平台横摇与纵摇的幅值响应算子(RAO)理论分析模型,计算平台横摇与纵摇的RAO,通过比较RAO理论模型与数值模拟计算结果,验证理论模型的有效性;以平台横摇与纵摇的RAO为目标函数,以尺寸约束及平台的稳定性为约束条件,对载体平台主尺度参数进行多目标优化设计。结果表明:半转叶轮水轮机横摇许用角为(0°,8°),纵摇许用角为(0°,12°);优化后双体浮式平台的最大横摇角与纵摇角分别为7.49°与8.78°,均在半转叶轮水轮机横摇与纵摇的许用角范围之内,横摇与纵摇的RAO降幅分别为49.36%和42.46%,能够保证半转叶轮水轮机高效运转。

双轮半转叶轮水轮机获能特性分析

双轮半转叶轮水轮机是一种新型双轮水轮机,为研究布局方式对其获能特性的影响,定义能效指数表征其获能特性。采用XFlow软件模拟分析旋向、布局参数对其能效指数的影响,对比分析单双轮半转叶轮水轮机的速度分布与叶片受力变化趋势,探讨双轮半转叶轮水轮机获能特性的增益机理。结果表明:双轮半转叶轮水轮机旋向为内对旋时,能效指数明显增大;相较于轴距,初始安装角对能效指数影响大;双轮半转叶轮水轮机的输出增益主要来源于顺流区叶片受到的阻力增大,当处于近优的布局参数时,其获能特性较单轮半转叶轮水轮机提高了22.4%。

半转叶轮水轮机偏航机构设计与优化

半转叶轮水轮机是一种启动性好、获能效率高的新型升阻复合式垂直轴水轮机,针对来流方向直接影响水轮机获能系数的问题,需要设计一种偏航机构使得水轮机以最佳迎流角面向来流,从而保证水轮机始终处于最佳获能姿态。首先探究了偏航工况对半转叶轮水轮机获能系数的影响规律,确定了尾翼式偏航机构的设计方案;通过偏航力矩比较,进一步确定了三角尾翼翼型。建立了偏航机构运动响应理论模型,通过数值模拟验证了该模型的正确性。采用遗传算法对尾翼式偏航机构的结构参数进行优化,使得其偏航响应时间缩短了27%,进一步提高了半转叶轮水轮机回正至最佳获能姿态的响应能力。研究结果可为半转叶轮水轮机整机系统设计提供理论指导和方法支撑。

半转叶轮水轮机模组化载体平台的水动力性能分析

针对半转叶轮水轮机载体平台的横摇与纵摇对水轮机的水动力性能影响较大,设计一种双体浮式平台作为其载体平台。为提高半转叶轮水轮机的总功率,将平台模组化布置——横向布置与环形布置,计算其横摇与纵摇的运动响应。研究表明:半转叶轮水轮机环形模组平台与单个双体浮式平台相比,最大横摇角、最大纵摇角均大大减小,在提高水轮机总功率前提下,也进一步提高了单个双体浮式平台的水动力性能。