[發(fā)明專利]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

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510627809.1
• 申請(qǐng)日: 2015-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN105201728B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張開升;高振;王亞;楊明明;譚俊哲;王樹杰;張保成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): F03B3/12
• 分類號(hào): F03B3/12;G06F17/50
• 代理公司: 青島海昊知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所有限公司37201
• 代理人: 王鐸

1.一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，包括以下步驟：

1）采用三維掃描儀獲取魚鰭標(biāo)本的三維數(shù)字模型，即魚鰭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

2）通過逆向工程軟件對(duì)上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到魚鰭的三維數(shù)字模型，沿魚鰭長(zhǎng)度方向任意選取魚鰭不同位置處的橫截面輪廓作為仿生魚鰭翼型；

3）通過翼型專業(yè)分析軟件將截取到的仿生魚鰭翼型與水輪機(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鰭翼型，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)翼型二位坐標(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)速以及葉輪直徑；

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(zhǎng)度，將其長(zhǎng)度分為k+1等份，此時(shí)就獲得k個(gè)橫截面，即葉素，通過數(shù)值分析軟件對(duì)上述k個(gè)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)要求以及葉片不同位置的作用，選取步驟3）中的仿生魚鰭翼型及常規(guī)翼型分別對(duì)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)換為三維坐標(biāo)；葉片中各部分翼型的選取依據(jù)以下方法 ：處于葉根位置的翼型需承受葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的大部分扭矩，由 NACA 系列常規(guī)翼型的分析比較， 選擇相對(duì)厚度較大的 NACA63-018 翼型；處于葉根與葉中過渡部分的翼型， 既要承受小部分扭矩又要發(fā)揮葉片獲能的作用，選擇相對(duì)厚度為 15% 的 NACA0015 翼型；葉片中部是獲能的關(guān)鍵部位，選擇步驟 3） 中得到的升阻比最大的仿生鯊魚尾鰭翼型， 經(jīng)分析其相對(duì)厚度為 13.4%， 相對(duì)厚度均小于根部和過渡部的相對(duì)厚度，可實(shí)現(xiàn)葉片的平滑設(shè)計(jì)；處于葉中向葉尖過渡部分的翼型， 需滿足獲能性能良好、葉尖損失較小的要求， 選擇相對(duì)厚度為 12% 的 NACA2412 翼型；處于葉尖部分的翼型，為盡可能降低葉尖渦流對(duì)葉片獲能的影響，選擇相對(duì)厚度為 10% 的 NACA2410 翼型；

7）將上述得到的翼型三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維設(shè)計(jì)軟件中，進(jìn)行放樣處理，最終生成組合翼型葉片。

2.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2）中獲取仿生魚鰭翼型的具體方法為：沿魚鰭長(zhǎng)度方向?qū)Ⅳ~鰭n等分，即得到n-1個(gè)仿生魚鰭翼型，其中，n的大小由魚鰭的長(zhǎng)度、擬選取的仿生翼型數(shù)量決定。

3.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，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(zhǎng)度方向分為k-1等份，即獲得k個(gè)葉素；對(duì)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_i，利用數(shù)值分析軟件對(duì)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(zhǎng)、扭角。

4.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)組合翼型葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，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)換為翼型三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。