CN110298089A - 一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，首先确定设计要求，然后选择能够避免空化现象发生的翼型，然后在区间内给干扰因子取值，直到计算出符合设计要求的实际获得能量，再然后通过计算弦长和安装角确定整个叶片的结合外形，最后在软件中进行建模。本发明提供的设计方法，考虑了水下旋转机械都要避免的空化问题，并且基于空化理论，避免了空泡的产生，使设整个计流程更加高效和准确。

Description

一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法

技术领域

本发明涉及发电涡轮设计领域，尤其涉及一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法。

背景技术

随着科技的发展，各国的科学家们为了人类的长远发展，都在研究可再生的清洁能源。海洋面积约占地球表面的71％，并且其蕴藏着丰富的能量，因此关于海洋能的开发和利用技术越来越受人们的重视。目前海洋能发电是对海洋能利用最普遍的方式，也是较为成熟的海洋能利用技术。

传统的风力机叶片设计方法有基于涡流理论的Schmitz模型、Glauert模型和Wilson模型等。这些设计模型经过多年的发展，不断地完善和成熟，但是其只是针对于在风场中的风力机叶片的/设计。直接利用数值计算方法对于叶片的设计和优化虽然提高了设计精度，但设计周期长，工作量较大。针对水下发电涡轮叶片的设计还没有专门的设计模型。因此，需要发明一种水下发电涡轮叶片的设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中没有用于水下大点涡轮叶片的设计方法的问题，本发明提供了一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，包括以下步骤：

S1、首先确定设计要求，所述设计要求包括工作介质、设计点来流速度、设计点转速和设计点输出轴功率，再根据所述设计要求确定涡轮叶片的基本数据，所述基本数据包括叶片个数i、涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖半径r₁，进入步骤S2；

S2、首先计算设计点下的空化数σ，再计算设计点的压力系数C_p，最后根据涡轮叶片的表面的最小压力系数的相反数-C_pmin不大于所述空化数σ的条件，进行翼型的筛选，进入步骤S3；

S3、首先计算通过桨盘流体的总能量E_all，再在0～1范围内为干扰因子e取值，然后根据所述干扰因子e计算理想能量利用系数ξ'，进入步骤S4；

S4、首先分别计算四种损失系数，四种所述损失系数包括叶尖损失系数翼型损失系数环流损失系数实度损失系数再根据四种所述损失系数和所述理想能量利用系数ξ，计算实际能量利用系数ξ，最后根据所述实际能量利用系数ξ和通过桨盘流体的总能量E_all计算实际获得能量E，进入步骤S5；

S5、将所述实际获得能量E和所述设计点输出轴功率比较，如果所述实际获得能量E小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S3，重新在0～1区间内对所述干扰因子e的进行取值，如果所述实际获得能量E不小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S6；

S6、首先将涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖的半径r₁之间的区域平均分成十个剖面，再分别计算十个所述剖面的剖面参数，所述剖面参数包括弦长b_i和安装角进入步骤S7；

S7、根据所述剖面参数对在建模软件上涡轮叶片进行建模。

作为优选，在步骤S2中，所述空化数σ、压力系数C_p和最小压力系数的相反数-C_pmin的数学模型由以下公式确定：

式中，

P_∞—无穷远来流的压力，P_a；

P_V—水的饱和蒸气压，P_a；

ρ—水的密度，kg/m³；

V—水的速度，m/s；

P—设计点的压力值，P_a。

作为优选，在步骤S3中，所述总能量E_all和理想能量利用系数ξ'的数学模型由以下公式确定：

式中，

V—桨盘面积，m²。

作为优选，在步骤S4中，所述叶尖损失系数翼型损失系数环流损失系数实度损失系数实际能量利用系数ξ和实际获得能量E的数学模型由以下公式确定：

E＝E_allξ；

式中，

ω—涡轮的角速度，rad/s；

Z—涡轮的速度比；

μ'—桨叶平均的阻升比；

η₁—全轮叶半径所取得的平均效率。

作为优选，在步骤S6中，所述弦长b_i和安装角由以下公式确定：

式中，

Z_i—各剖面的速度比；

Z_ui—考虑诱导之后的各割面的速度比；

μ_i—桨叶各剖面翼型的阻升比；

C_yi—桨叶各剖面翼型的升力系数；

α_i—桨叶各剖面翼型的迎角。

本发明的有益效果：1)本发明提供的设计方法极大的减少了设计时间、并且设计结果与数值计算结果相近；2)本发明提供的设计方法，考虑了水下旋转机械都要避免的空化问题，并且基于空化理论，避免了空泡的产生，使整个设计流程更加高效和准确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法的最优实施例的流程图。

图2是本发明的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法的最优实施例的压力分布与空化数对比图。

图3是本发明的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法的最优实施例的水下发电涡轮外形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

如图1～3所示，本发明提供了一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，包括以下步骤：

S1、首先确定设计要求，设计要求包括工作介质、设计点来流速度、设计点转速和设计点输出轴功率。在设计要求中，工作介质为海水，海水的密度ρ为999.728kg/m³，海水的温度T为10℃，设计点的来流速度V为3m/s，设计点的转速n为300rpm，设计点输出轴功率的要求为不小于4.9KW。

然后根据设计要求确定涡轮叶片的基本数据，基本数据包括叶片个数i、涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖半径r₁。在本实施例中，叶片个数i为4个，涡轮叶根半径r₀为0.2m，涡轮叶尖半径r₁为0.4m。涡轮叶片的基本数据确认完成后，进入步骤S2；

S2、当涡轮叶片在水下工作时，其表面压强低于水中的饱和蒸气压时，就会出现气泡，影响叶片的气动特性。因此，为了在设计阶段免这种情况的发生，设计人员需要计算出空化数σ，并且利用空化数σ来判断叶片表面是否产生气泡。空化数σ的数学模型为：其中，P_∞表示无穷远来流的压力；P_V表示水的饱和蒸气压；ρ表示水的密度，即步骤S1中的海水的密度ρ；V表示水的速度，即步骤S1中的设计点的来流速度V。

接着，设计人员需要计算出叶片表面的压力系数C_p，并进一步计算得到叶片表面最小的压力系数的相反数-C_pmin。在空气动力学中，压力系数C_p的数学模型为：其中，P表示设计点的压力值。

在得到压力系数C_p的数学模型后，设计人员可以先通过压力系数C_p的数学模型得到叶片表面最小的压力系数C_pmin，再将得到的叶片表面最小的压力系数C_pmin取反得到叶片表面最小的压力系数的相反数-C_pmin。其中，叶片表面最小的压力系数C_pmin为设计点的压力值P最小时，压力系数C_p的值。

为了避免叶片表面发生空化现象，需要满足叶片表面最小的压力系数的相反数-C_pmin小于空化数σ这一条件，设计人员根据条件挑选符合的翼型。在本实施例中，设计人员选择的是高升力翼型RAF-6E，这种翼型的设计迎角α_i为0°，升力系数C_yi为0.45，阻升比μ_i为0.033，其翼型表面压力分布和空化数的比较如图2所示。

翼型挑选完毕后进入步骤S3。

S3、首先设计人员计可以通过动能定义算出通过桨盘流体的总能量E_all，通过桨盘流体的总能量E_all的数学模型为：其中，A表示桨盘面积，桨盘面积A的数学模型为：A＝πr₀ ²。

然后，设计人员可以根据萨比宁的理想风轮理论，计算出理想能量利用系数ξ'，理想能量利用系数ξ'的数学模型为：其中e表示干扰因子，干扰因子e的取值范围为：0<e<1。

理想能量利用系数ξ'计算完毕后进入步骤S3。

S4、设计人员在设计中考虑实际情况中涡轮存在的损失，主要包括以下四种损失：叶尖损失、翼型损失、环流损失和实度损失。

叶尖损失对应叶尖损失系数叶尖损失系数的数学模型为：

其中Z表示涡轮的速度比，涡轮的速度比Z的数学模型为：其中，ω表示涡轮的角速度，涡轮的角速度ω的数学模型为：ω＝2πn，其中，n表示涡轮的转速，即步骤S1中的设计点的转速n。

翼型损失对应翼型损失系数翼型损失系数的数学模型为：其中，μ'表示桨叶平均的阻升比，即步骤S2中的高升力翼型RAF-6E的阻升比0.033。

环流损失对应环流损失系数环流损失系数的数学模型为：

其中，η₁表示全轮叶半径所取得的平均效率。

实度损失对应实度损失系数实度损失系数的数学模型为：

四种损失计算完成后，设计人员先计算出实际能量利用系数ξ，实际能量利用系数ξ的数学模型为：然后设计人员再计算实际获得能量E，实际获得能量E的数学模型为：E＝E_allξ。

实际获得能量E计算完毕后进入步骤S5。

S5、设计人员判断实际获得能量E是否满足步骤S1中设计点输出轴功率的条件。如果实际获得能量E小于设计点输出轴功率，则进入步骤S3，设计人员重新在0～1区间内对干扰因子e的进行取值，重复计算，知道计算出的实际获得能量E满足步骤S1中设计点输出轴功率的条件。

如果实际获得能量E不小于设计点输出轴功率，则进入步骤S6。

S6、在本实施例中，设计人员将涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖的半径r₁之间的区域平均分成十个剖面，再分别计算十个剖面的剖面参数，剖面参数包括弦长b_i和安装角

首先设计人员需要计算各剖面的速度比Z_i，各剖面的速度比Z_i的数学模型为：

然后设计人员需要计算考虑诱导之后的各剖面的速度比Z_ui，考虑诱导之后的各剖面的速度比Z_ui的数学模型为：

式中的α_i为步骤S2中高升力翼型RAF-6E的设计迎角α_i。

接着设计人员根据考虑诱导之后的各剖面的速度比Z_ui计算弦长b_i和安装角弦长b_i的数学模型为：式中的C_yi和μ_i为步骤S2中高升力翼型RAF-6E的升力系数C_yi和阻升比μ_i。

最后设计人员需要计算安装角安装角的数学模型为：

弦长b_i和安装角的计算结果如下表1所示，弦长b_i和安装角计算完毕后进入步骤S7。

表1涡轮叶片参数表

S7、设计人员根据步骤S6中的表1，在CATIA上对涡轮叶片进行建模，建模完成的水下发电涡轮外形示意图如图3所示。建模完成后，设计人员使用流体力学软件进行计算，流体力学软件包括但不限于FIDAP、Fluent和CFX。计算结果和理论计算的比较如下表2所示。

表2涡轮气动性能结果

从表2中可以发现，本发明提供的水下发电涡轮叶片的外形设计方法，不仅不需要很高的计算成本，节省了很多计算时间，而且还具有很高的精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先确定设计要求，所述设计要求包括工作介质、设计点来流速度、设计点转速和设计点输出轴功率，再根据所述设计要求确定涡轮叶片的基本数据，所述基本数据包括叶片个数i、涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖半径r₁，进入步骤S2；

S2、首先计算设计点下的空化数σ，再计算设计点的压力系数C_p，最后根据涡轮叶片的表面的最小压力系数的相反数-C_pmin不大于所述空化数σ的条件，进行翼型的筛选，进入步骤s3；

S3、首先计算通过桨盘流体的总能量E_all，再在0～1范围内为干扰因子e取值，然后根据所述干扰因子e计算理想能量利用系数ξ′，进入步骤S4；

S4、首先分别计算四种损失系数，四种所述损失系数包括叶尖损失系数翼型损失系数环流损失系数实度损失系数再根据四种所述损失系数和所述理想能量利用系数ξ′计算实际能量利用系数ξ，最后根据所述实际能量利用系数ξ和通过桨盘流体的总能量E_all计算实际获得能量E，进入步骤S5；

S5、将所述实际获得能量E和所述设计点输出轴功率比较，如果所述实际获得能量E小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S3，重新在0～1区间内对所述干扰因子e的进行取值，如果所述实际获得能量E不小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S6；

S6、首先将涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖的半径r₁之间的区域平均分成十个剖面，再分别计算十个所述剖面的剖面参数，所述剖面参数包括弦长b_i和安装角进入步骤S7；

S7、根据所述剖面参数对在建模软件上涡轮叶片进行建模。

2.如权利要求1所述的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，其特征在于：

在步骤S2中，所述空化数σ、压力系数C_p和最小压力系数的相反数-C_pmin的数学模型由以下公式确定：

式中，

P_∞-无穷远来流的压力，P_a；

P_V-水的饱和蒸气压，P_a；

ρ-水的密度，kg/m³；

V-水的速度，m/s；

P-设计点的压力值，P_a。

3.如权利要求1所述的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，其特征在于：

在步骤S3中，所述总能量E_all和理想能量利用系数ξ′的数学模型由以下公式确定：

式中，

V-桨盘面积，m²。

4.如权利要求3所述的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，其特征在于：

在步骤S4中，所述叶尖损失系数翼型损失系数环流损失系数实度损失系数实际能量利用系数ξ和实际获得能量E的数学模型由以下公式确定：

E＝E_allξ；

式中，

ω-涡轮的角速度，rad/s；

Z-涡轮的速度比；

μ’-桨叶平均的阻升比；

η₁-全轮叶半径所取得的平均效率。

5.如权利要求4所述的一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，其特征在于：

在步骤S6中，所述弦长b_i和安装角由以下公式确定：

式中，

Z_i-各剖面的速度比；

Z_ui—考虑诱导之后的各割面的速度比；

μ_i-桨叶各剖面翼型的阻升比；

C_yi-桨叶各剖面翼型的升力系数；

α_i-桨叶各剖面翼型的迎角。