竖轴潮流能水轮机水动力性能水池试验分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
期望试验结果 可为相关研 究人 员提供 技术 支持。
Байду номын сангаас
关 键 词 ：竖轴；可再生能源；换能机械；拖曳水池；波流耦合 中图分 类 号 ：Ｖ ２ １ １ ． ７ 文 献标 识码 ：Ａ
Ｏ 引 言
能源 是人类 社会 存 在和 繁荣 的物 质基 础 之一 。 特 别 是 自十八世 纪 西方 工业 革命 以来 ， 化石 能源 （ 煤 炭 、石 油 ）作 为基 础能 源大 大推 动 了世 界各 国经 济 的发展 ，有 力地 促进 了人类文 明的进 步 。然而 自上 世 纪７ Ｏ 年代 初 期暴 发首 次石 油危 机起 ，能源 危机 就一 直伴 随着 各 国经济 的发展 ，“ 常规 燃料 供应 的不稳 定 性和 有 限性” 这 一论 断逐 步 为各 国所接 受 Ｊ 。温 室效 应 、环境 恶 化及 能源 紧缺 等世 界共 性 问题一 直是 当今 世 界所 关注 的焦 点 ，“ 低碳” 、“ 减 排” 和“ 节 能” 等词 汇越 来越 频繁 地 见诸 于 网络与报 刊 。各 国政府对
验研 究 。较之 于 水槽 ，拖 曳水池 试 验 时水是 静止 的 ，而模 型在 运动 ，这可 以保 证速 度 的稳 定性 。另 一 方面 水池 尺 寸 比较大 ，可 显著 降低 池壁 效应 。
１ 试 验 装 置
试 验 在 浙江 海 洋 学 院船 模 拖 曳水 池 中进行 。水 池 长 １ ３ ０ ｍ，宽 ６ ｍ，深 ４ ｍ，拖 车最 高 速 度可 达 ６ ． ５ ｒ ｎ ／ ｓ ｌ ｌ 们 。造波 机 为 电液 伺服 驱 动控制 的纯摇板 式 造波 机 ，其 中 ，造 波板 是 中空 的箱 形平板 ，高 ２ ｍ，
击 水轮 机 ，使 水 轮机 转动 产 生机 械 能 ，通过 机械 传 动带 动 发 电机 发 电。根 据 结构形 式 的不 同 ，分 为水
平轴 、竖轴和横轴式水轮机。较之于水平轴水轮机和横轴水轮机 ，竖轴水轮机型式的潮流能发 电装置
具 有 流 向适应 性 强 、适 合 大规 模 阵列 布 置等特 点 ，具有 很 强 的应用 优 势Ｌ ２ Ｊ 。对 竖 轴 式水 （ 风 ）轮机 已 进 行 了较 多 的研 究 ，其 中大 多数 是 分析 给 定转 速和 来 流情 况 下 叶片上 的转矩 特性 。文献 ［ ３ ］ 中Ａｋ ｉ ｙ ｏ ｓ ｈ ｉ Ｉ ｉ ｄ ａ 使 用 大涡 模方 法模 拟研 究 竖轴 风 力机在 非 稳态流 下 的气 动性 能 ， 文献［ ４ ］ 中作 者利 用面 元法 ， 建立 多 个 叶 片非 定常 运动 涡元 模 型 ， 分析 多 叶片 共 同运 动 时 叶片 与尾 涡及 叶片 与叶 片 间的干 扰效 应 。 刘培 检 【 ５ Ｊ 使用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件 模 拟竖 轴潮 流 能水 轮机 的 自启动 性 能 ， 分析 负载 阻尼 系数 对水 轮机 能量 利用 率系 数 的影
５ ５ 卷
第 １ 期（ 总第 ２ ０ ８ 期）
中
国
造
船
、 ， ０ １ ． ５ ５ Ｎｏ． １（ Ｓ ｅ ｉ ｆ ａ １ Ｎｏ ． ２ ０ ８）
Ｍａ ｒ ．２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ３月
Ｓ ＨＩ Ｐ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ ． ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ４ ）０ １ ． ０ １ ４ ３ ． ０ ６
响 。哈 尔滨 工程 大 学张 亮等 ［ ６ － ９ １ 通 过 数值模 拟 和水槽 实验等 方 式研 究 了水轮机 叶 片安 装角 度 、安装位 置
对 其载 荷和 叶轮 整体 性 能 的影 响 。水轮 机 处于 海流 场 中 ，在 海 流 的驱 动下 转动 ，另一 方面 水轮 机 的转
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — １ ０ — １ １ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ３ ． ０ ３
（ １ ２ ０ ３）
中
国
造
船
学 术论 文
动又 影 响海流 流场 ，这 是一 个 复杂 的过程 ，它给 数值 模拟 带来 一 定困难 。模 型试 验 是潮 流 能水轮 机水
动力性能研究的一种重要方式，现有文献中的试验大多是在水槽中开展，但水槽规模有限，池壁效应、 尺度效应均有较大影响，而且存在水流速度不均匀，速度值不稳定的问题 。本文在拖曳水池 中开展试
竖轴潮流 能水轮机水 动 力性 能水池试验 分析
李广年 ， 一 ，吴卫 国 ，谢永和 ，劳展 杰 ，张 波
（ １ ．武汉理工大学交通学院 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ；２ ． 浙江海洋 学院船海 学院，舟 山 ３ １ ６ ０ ０ ０ ）
摘
要
针对 竖轴 潮流 能水 轮机 的水 动力性能，在拖曳水池 中开展模型试验研 究。在若干给定 的转速和流速情况 下考察水轮机 能效指数 。改变水 轮机模 型的结构形 式及 其工作环境 ，分析尖速 比、叶片偏角 以及密实度对能 效指数 的影响 。 研究竖轴潮流 能水轮机在 波流耦合作用 下的水 动力响应， 分析 波浪对水 轮机 能效指 数的影响。
基 金项 目： 国家 自然科 学基 金 （ ５ １ ２ ７ ９ １ ８ ２ ）：浙 江省 自然 科学 基金 （ Ｌ Ｑ１ ２ Ｅ ０ ９ ０ ０ １ ）；浙 江省 教育 厅科 研 项 目 （ Ｙ ２ ０ １ １ ２ １ ７ ４ ７ ）：浙 江省科
技 计划 项 目 （ ２ ０ １ ３ Ｄ ４ ０ ０ ３ ７ ） ；科技 部星 火 计划项 目 （ ２ ０ １ ３ Ｇ Ａ７ ０ ０ ２ ５ ３ ）；海 洋工 程 国家 重点 实验 室 （ 上海 交通 大学 ）开 放基 金
包 括海 洋 能在 内 的可再 生 能源利 用 的技 术给 予空 前 的重视 和支 持 ，海洋 能 己成 为 能源 开 发技 术领域 中
非常活跃的分支。具有可再生、无污染等特征的潮流能是一种很重要的海洋能源 ，潮流能的利用引起
了包 括 中国在 内 的世界 各 国政府 前所 未有 的重视 。
水轮机作为一种重要 的潮流能换能元件，它在整个潮流能利用过程 中起着重要作用 。海洋潮流冲
Байду номын сангаас
关 键 词 ：竖轴；可再生能源；换能机械；拖曳水池；波流耦合 中图分 类 号 ：Ｖ ２ １ １ ． ７ 文 献标 识码 ：Ａ
Ｏ 引 言
能源 是人类 社会 存 在和 繁荣 的物 质基 础 之一 。 特 别 是 自十八世 纪 西方 工业 革命 以来 ， 化石 能源 （ 煤 炭 、石 油 ）作 为基 础能 源大 大推 动 了世 界各 国经 济 的发展 ，有 力地 促进 了人类文 明的进 步 。然而 自上 世 纪７ Ｏ 年代 初 期暴 发首 次石 油危 机起 ，能源 危机 就一 直伴 随着 各 国经济 的发展 ，“ 常规 燃料 供应 的不稳 定 性和 有 限性” 这 一论 断逐 步 为各 国所接 受 Ｊ 。温 室效 应 、环境 恶 化及 能源 紧缺 等世 界共 性 问题一 直是 当今 世 界所 关注 的焦 点 ，“ 低碳” 、“ 减 排” 和“ 节 能” 等词 汇越 来越 频繁 地 见诸 于 网络与报 刊 。各 国政府对
验研 究 。较之 于 水槽 ，拖 曳水池 试 验 时水是 静止 的 ，而模 型在 运动 ，这可 以保 证速 度 的稳 定性 。另 一 方面 水池 尺 寸 比较大 ，可 显著 降低 池壁 效应 。
１ 试 验 装 置
试 验 在 浙江 海 洋 学 院船 模 拖 曳水 池 中进行 。水 池 长 １ ３ ０ ｍ，宽 ６ ｍ，深 ４ ｍ，拖 车最 高 速 度可 达 ６ ． ５ ｒ ｎ ／ ｓ ｌ ｌ 们 。造波 机 为 电液 伺服 驱 动控制 的纯摇板 式 造波 机 ，其 中 ，造 波板 是 中空 的箱 形平板 ，高 ２ ｍ，
击 水轮 机 ，使 水 轮机 转动 产 生机 械 能 ，通过 机械 传 动带 动 发 电机 发 电。根 据 结构形 式 的不 同 ，分 为水
平轴 、竖轴和横轴式水轮机。较之于水平轴水轮机和横轴水轮机 ，竖轴水轮机型式的潮流能发 电装置
具 有 流 向适应 性 强 、适 合 大规 模 阵列 布 置等特 点 ，具有 很 强 的应用 优 势Ｌ ２ Ｊ 。对 竖 轴 式水 （ 风 ）轮机 已 进 行 了较 多 的研 究 ，其 中大 多数 是 分析 给 定转 速和 来 流情 况 下 叶片上 的转矩 特性 。文献 ［ ３ ］ 中Ａｋ ｉ ｙ ｏ ｓ ｈ ｉ Ｉ ｉ ｄ ａ 使 用 大涡 模方 法模 拟研 究 竖轴 风 力机在 非 稳态流 下 的气 动性 能 ， 文献［ ４ ］ 中作 者利 用面 元法 ， 建立 多 个 叶 片非 定常 运动 涡元 模 型 ， 分析 多 叶片 共 同运 动 时 叶片 与尾 涡及 叶片 与叶 片 间的干 扰效 应 。 刘培 检 【 ５ Ｊ 使用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件 模 拟竖 轴潮 流 能水 轮机 的 自启动 性 能 ， 分析 负载 阻尼 系数 对水 轮机 能量 利用 率系 数 的影
５ ５ 卷
第 １ 期（ 总第 ２ ０ ８ 期）
中
国
造
船
、 ， ０ １ ． ５ ５ Ｎｏ． １（ Ｓ ｅ ｉ ｆ ａ １ Ｎｏ ． ２ ０ ８）
Ｍａ ｒ ．２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ３月
Ｓ ＨＩ Ｐ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ ． ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ４ ）０ １ ． ０ １ ４ ３ ． ０ ６
响 。哈 尔滨 工程 大 学张 亮等 ［ ６ － ９ １ 通 过 数值模 拟 和水槽 实验等 方 式研 究 了水轮机 叶 片安 装角 度 、安装位 置
对 其载 荷和 叶轮 整体 性 能 的影 响 。水轮 机 处于 海流 场 中 ，在 海 流 的驱 动下 转动 ，另一 方面 水轮 机 的转
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — １ ０ — １ １ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ３ ． ０ ３
（ １ ２ ０ ３）
中
国
造
船
学 术论 文
动又 影 响海流 流场 ，这 是一 个 复杂 的过程 ，它给 数值 模拟 带来 一 定困难 。模 型试 验 是潮 流 能水轮 机水
动力性能研究的一种重要方式，现有文献中的试验大多是在水槽中开展，但水槽规模有限，池壁效应、 尺度效应均有较大影响，而且存在水流速度不均匀，速度值不稳定的问题 。本文在拖曳水池 中开展试
竖轴潮流 能水轮机水 动 力性 能水池试验 分析
李广年 ， 一 ，吴卫 国 ，谢永和 ，劳展 杰 ，张 波
（ １ ．武汉理工大学交通学院 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ；２ ． 浙江海洋 学院船海 学院，舟 山 ３ １ ６ ０ ０ ０ ）
摘
要
针对 竖轴 潮流 能水 轮机 的水 动力性能，在拖曳水池 中开展模型试验研 究。在若干给定 的转速和流速情况 下考察水轮机 能效指数 。改变水 轮机模 型的结构形 式及 其工作环境 ，分析尖速 比、叶片偏角 以及密实度对能 效指数 的影响 。 研究竖轴潮流 能水轮机在 波流耦合作用 下的水 动力响应， 分析 波浪对水 轮机 能效指 数的影响。
基 金项 目： 国家 自然科 学基 金 （ ５ １ ２ ７ ９ １ ８ ２ ）：浙 江省 自然 科学 基金 （ Ｌ Ｑ１ ２ Ｅ ０ ９ ０ ０ １ ）；浙 江省 教育 厅科 研 项 目 （ Ｙ ２ ０ １ １ ２ １ ７ ４ ７ ）：浙 江省科
技 计划 项 目 （ ２ ０ １ ３ Ｄ ４ ０ ０ ３ ７ ） ；科技 部星 火 计划项 目 （ ２ ０ １ ３ Ｇ Ａ７ ０ ０ ２ ５ ３ ）；海 洋工 程 国家 重点 实验 室 （ 上海 交通 大学 ）开 放基 金
包 括海 洋 能在 内 的可再 生 能源利 用 的技 术给 予空 前 的重视 和支 持 ，海洋 能 己成 为 能源 开 发技 术领域 中
非常活跃的分支。具有可再生、无污染等特征的潮流能是一种很重要的海洋能源 ，潮流能的利用引起
了包 括 中国在 内 的世界 各 国政府 前所 未有 的重视 。
水轮机作为一种重要 的潮流能换能元件，它在整个潮流能利用过程 中起着重要作用 。海洋潮流冲