[發明專利]一種水平軸潮流能水輪機組合翼型葉片的設計方法

有效

• 申請號: 201510627809.1
• 申請日: 2015-09-28
• 公開（公告）號: CN105201728B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 張開升;高振;王亞;楊明明;譚俊哲;王樹杰;張保成
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: F03B3/12
• 分類號: F03B3/12;G06F17/50
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司37201
• 代理人: 王鐸

技術領域

本發明涉及一種水輪機葉片的設計方法，尤其涉及一種水平軸潮流能水輪機組合翼型葉片的設計方法。

背景技術

近年來，海洋能的開發已經滲透到各個領域，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、可持續性，且分布廣泛等的優點，其將會在未來能源中扮演重要角色，為了利用潮流能，水輪機是潮流能的主要捕獲裝置，因此如何提高潮流能水輪機的獲能效率成為了影響潮流能發電推廣應用的關鍵因素，因而水輪機的研制越來越受重視。

葉片是水輪機的核心部件，而翼型是構成葉片的基礎，因此葉片翼型的選擇將直接影響水輪機的獲能效率。由于水平軸水輪機出現較晚，目前還沒有一套方法完全適用于水平軸潮流能水輪機葉片的設計，但因其形式與風力機相似，國內外大都采用較成熟的風力機葉片的設計方法。但二者工作介質在密度、粘度、流速等因素上存在較大差異，造成按照風力機葉片設計方法得到的水輪機獲能效率較低。因此，如何設計一種符合工作介質特性的葉片是提高水平軸潮流能水輪機獲能效率的關鍵問題。專利CN 104408260 A提供了一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，該方法基于遺傳優化算法，綜合考慮了水輪機水翼翼型設計的各個方面，能夠根據不同水域和海洋環境要求獲得最佳的水翼翼型曲線，具有可行解表示廣泛性、群體搜索性、隨機搜索性和全局性等優點，能夠獲得全局最優解。

將仿生學應用于葉片設計是一個新的發展方向，研究表明，將鳥類翅膀的自然特性應用到水平軸風力機葉片的設計中，能顯著提高其獲能效率。同時，海洋魚類經過數億年的自然衍化，其身體結構特點和運動方式能夠很好地適應水中生活，具有優異的水動力性能。研究表明，魚鰭的運動配合對于水動力性能有著至關重要的作用，因此魚類仿生研究引起了眾多研究人員的興趣，并且已在水下推進技術領域取得了較好應用，這就為水平軸潮流能水輪機仿生葉片的設計帶來了新的啟示。但是，魚鰭的作用主要是用于身體推進及平衡控制，與水輪機的旋轉運動存在較大差異，因而不適宜采用仿形法設計與魚鰭形狀完全相同的葉片。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種水平軸潮流能水輪機組合翼型葉片的設計方法，利用仿生翼型和常規翼型相互組合形成組合翼型葉片，使得葉片的水動力性能更為優越，提高水輪機的獲能效率，以彌補現有技術的不足。

本發明提供的水平軸潮流能水輪機葉片設計方法采用經典的WILSON理論及葉素動量理論，分別研究常規翼型及仿生翼型的水動力性能，根據各葉素在葉片中的作用，將常規的葉片翼型與仿生翼型相結合，設計出性能更為優越的組合翼型葉片。

為達到上述目的，本發明采取的具體技術方案為：

一種水平軸潮流能水輪機組合翼型葉片的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）采用三維掃描儀獲取魚鰭標本的三維數字模型，即魚鰭的點云數據；

2）通過逆向工程軟件對上述點云數據進行處理，得到魚鰭的三維數字模型，沿魚鰭長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）通過翼型專業分析軟件將截取到的仿生魚鰭翼型與水輪機的多個常規翼型在不同雷諾數下相比較，選取達到最佳雷諾數時升阻比最大的仿生魚鰭翼型，并導出該翼型和各常規翼型的二維坐標，即得仿生翼型二維坐標和各常規翼型二維坐標；

4）根據設計要求，確定水輪機的功率、葉片數量、額定流速、尖速比、葉輪額定轉速以及葉輪直徑等參數；

5）依據步驟4）中得到的參數，利用常規葉片設計方法設計葉片，確定設計葉片的長度，將其長度分為k-1等份，此時就獲得k個橫截面，即葉素，通過數值分析軟件對上述k個葉素分別進行優化，得到每個葉素的參數；

6）根據設計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不同的常規翼型分別對應步驟5）中的各個葉素，并將由步驟3）得到的各翼型二維坐標根據步驟5）中的葉素參數轉換為三維坐標；

7）將上述得到的翼型三維坐標數據導入到三維設計軟件中，進行放樣處理，最終生成組合翼型葉片。

所述步驟2）中獲取仿生魚鰭翼型的具體方法為：沿魚鰭長度方向將魚鰭n等分，即得到n-1個仿生魚鰭翼型，其中，n的大小由魚鰭的長度、擬選取的仿生翼型數量決定。

所述步驟3）中所述的常規翼型為NACA系列翼型。