CN117236228B - 一种潮流能水轮机叶片优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于海洋新能源领域，尤其涉及一种潮流能水轮机叶片优化方法，以水轮机功率系数、推力系数和空化诱导噪声的声压级作为优化目标，通过优化算法对叶片及障碍物外形尺寸和安装位置进行优化，得到最优解，不仅解决了水轮机叶片障碍物对空化抑制的效能低的问题，还解决了障碍物对水轮机功率系数的负面影响，通过推力系数和空化诱导噪声的声压级作为空化程度大小的间接评价指标解决了空化程度大小的判定难题。

Description

一种潮流能水轮机叶片优化方法

技术领域

本申请属于海洋新能源领域，尤其涉及一种潮流能水轮机叶片优化方法。

背景技术

随着对发电功率需求的增加，潮流能水轮机叶轮发展趋于大型化，以及漂浮式水平轴水轮机的高速发展应用，导致较高的叶尖线速度，带来的空化及噪声问题日益突出。针对潮流能水轮机空化问题已有国内外学者展开研究，通过国内外研究报道发现大型潮流能水平轴水轮机在正常工况下也发生了空化现象，尤其是发展到云空化阶段，水轮机叶片吸力面会产生周期性不稳定脱落空泡，当空泡游离到高压区后迅速破裂，产生剧烈的冲击并诱发强烈的噪声，对叶片表面造成汽蚀破坏降低水轮机的使用寿命。此外空化还会改变水轮机叶片载荷分布，使其偏离额定工况，造成效率下降，空化诱导噪声对海洋生物也会产生不利影响，破坏海洋生态平衡，因此如何有效的控制空化及其诱导噪声成为当前潮流能水轮机开发过程中亟待解决的关键问题。

对于水力旋转机械，空化抑制的方法包括主动抑制和被动抑制，相较主动抑制法，被动抑制方法可实施性较高。目前潮流能水轮机空化抑制研究处于起步阶段，被动空化抑制思路主要包括以下几个方面：开发专用抗空化翼型，基于叶片设计理论优化弦长及扭角分布还有其他被动空化控制方法。当前针对潮流能水轮机空化的解决办法是设计具有抗空化性能的翼型，但是仅仅依靠优化翼型对于水轮机来说抗空化效果十分有限，因此基于障碍物的空化抑制方法被提出来，但是针对具有三维旋转效应的潮流能水轮机叶片来说障碍物的外形参数和安装布局位置对空化抑制的效果影响很大，此外安装障碍物后对潮流能水轮机的效率也存在不确定的影响，如何确立最优的参数是目前亟需解决的难题。

发明内容

基于上述问题，本申请针对上述背景技术的不足，提出一种潮流能水轮机叶片优化设计方法，以解决现有技术中水轮机空化及诱导噪声的问题。其技术方案为，

一种潮流能水轮机叶片优化方法，包括以下步骤：

S1.获得潮流能水轮机叶片初始模型方案，对潮流能水轮机叶片及其吸力面处障碍物进行参数化建模；基于水轮机叶片叶尖尖端处翼型弦长C _tip 确立障碍物尺寸以及每个障碍物距离叶片前缘距离l _m ；

S2.设置优化变量和约束条件，建立潮流能水轮机叶片优化数学模型；

S3.制定潮流能水轮机叶片水动力性能计算方法，并确定优化策略方案；

S4.生成初始种群，得到潮流能水轮机叶片及障碍物参数值；

S5.计算得到潮流能水轮机的功率系数、推力系数以及噪声声压级信息；

S6.根据潮流能水轮机性能参数计算目标函数值并进行评估，判断是否收敛，是则结束优化输出最优解，否则生成新的种群，返回步骤S4。

优选的，设置叶片及障碍物初始参数如下：

叶片长度为R，其吸力面表面靠近叶尖处设置有数量为n的障碍物，所述障碍物包括头部和尾部，所述头部呈三棱柱、尾部呈四面体棱台；

所述头部三棱柱高度为H1，长度为L1，底部宽度为W1；

所述尾部的四面体棱台长度为L2，高度为H2，宽度为W2；

所述障碍物之间的间距Δx与数量n之间关系为；

H1=H2=(0.011-0.021)C _tip ，W1=W2=(0.016-0.024)C _tip ，

L2=1.5L1=(0.048-0.072)C _tip 。

优选的，所述每个障碍物距离叶片前缘距离为l _m (m=1,2,3…n)，其中l _m 的值与每个障碍物自身所处叶片截面处弦长C _m (m=1,2,3…n)的关系为，/>。

优选的，选取水轮机z个叶尖速比λ工况下的轴向推力系数T、功率系数C _P和噪声声压级dB构建潮流能水轮机叶片优化数学模型：

；

其中，X作为优化变量，表示不同设计变量参数下的水轮机叶片及障碍物参数，和/>分别代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的功率系数，/>和/>分别代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的声压级，/>和/>代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的推力系数，/>、/>和/>表示功率系数、声压级和推力系数的权重系数，有/>。

优选的，所述水轮机叶片的弦长C和扭角ω作为优化变量，同时选取头部三角形棱柱高度H1、四面体棱台高度H2和障碍物距离叶片前缘距离l _m 作为优化变量即

。

优选的，约束条件如下：

。

优选的，基于遗传算法随机选取初始种群，然后通过选择、交叉、变异产生下一代种群，将新种群作为开始重复上述过程，直至满足终止条件。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

本发明提出的一种潮流能水轮机叶片通过在水轮机叶片吸力面设置数量为n的具有特定外形的障碍物来抑制水轮机叶片空化，该障碍物既能阻碍回射流有效抑制云空泡脱落，又能诱发流向涡，这些流向涡导致边界层转捩为湍流边界层，从而抑制了附着空泡。其空化抑制效能通过在三维旋转叶轮上进行实施验证相比较目前在二维翼型上进行空化抑制技术相比较考虑了三维旋转效应等其他因素影响，更接近水轮机现实工况。本发明提出的一种潮流能水轮机叶片优化设计方法以水轮机功率系数、推力系数和空化诱导噪声的声压级作为优化目标，通过优化算法对叶片及障碍物外形尺寸和安装位置进行优化，得到最优解，不仅解决了水轮机叶片障碍物对空化抑制的效能低的问题，还解决了障碍物对水轮机功率系数的负面影响，通过推力系数和空化诱导噪声的声压级作为空化程度大小的间接评价指标解决了空化程度大小的判定难题。

附图说明

图1为本发明中潮流能水轮机示意图；

图2为本发明中安装有障碍物的水轮机叶片示意图；

图3为本发明中障碍物示意图；

图4为本遗传算法优化参数过程图；

图5为本发明中原始叶片的参数曲线图；

图6为本发明中优化设计叶片的参数曲线图；

图7为本发明中优化叶片与原始叶片功率系数曲线图；

图8为本发明中优化叶片与原始叶片推力系数曲线图；

图9为本发明中优化叶片与原始叶片在叶尖速比为3时声压级曲线图；

图10为本发明中优化叶片与原始叶片在叶尖速比为4时声压级曲线图；

图11为本发明中优化叶片与原始叶片在叶尖速比为5时声压级曲线图；

图中标号：1叶片，2机舱，3基座，4障碍物，41头部，42尾部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明中潮流能水轮机主要由叶片1、机舱2和基座3构成，其中叶片1通过转轴与机舱2内的发电机连接，通过叶片1转动带动机舱2内的发电机发电，机舱2固定在基座3上。

在叶片1吸力面上距离叶片1前缘距离为l _m (m=1,2,3…n)处安装有数量为n的障碍物4，其中障碍物4主要由头部41三角形棱柱和尾部42收缩状四面体棱台构成。所述头部三角形棱柱高度为H1，长度为L1，底部宽度为W1。所述尾部收缩状的四面体棱台长度为L2，高度为H2，宽度为W2。所述叶片叶尖尖端处翼型弦长为C _tip 。所述头部三角形棱柱高度和四面体棱台高度关系为H1=H2=(0.011-0.021)C _tip ，所述三角形棱柱宽度和四面体棱台宽度关系为W1=W2=(0.016-0.024)C _tip ，所述三角形棱柱长度和四面体棱台长度关系为L2=2L1=（0.048-0.072）C _tip 。

所述障碍物4之间的间距Δx与数量n之间关系为。

所述每个障碍物4距离叶片1前缘距离为lm(m=1,2,3…n)，其中l _m 的值大小与每个障碍物自身所处叶片截面处弦长C _m (m=1,2,3…n)的关系为，/>。

所述障碍物4可以阻挡回射流向叶片1前缘处扩展，制止其到达空泡所在位置，并且阻碍空泡破裂时产生的压力波，改变了叶片1表面的压力分布，此外，障碍物4还能诱发流向涡，这些流向涡会导致边界层转捩为湍流边界层，抑制了流动分离，进而抑制了附着空泡，从而对空化的形成及发展产生了一定的抑制作用。

本发明还提供一种潮流能水轮机叶片优化方法，具体包括以下步骤：

S1：建立潮流能水轮机叶片及障碍物外形尺寸及位置布局参数初始模型，其中水轮机叶片是基于叶素动量理论设计，依据水轮机的几何参数，计算叶片的受力，得到潮流能水轮机推力系数T和功率系数C _P；基于水轮机叶片叶尖尖端处翼型弦长C _tip 确立障碍物外形尺寸大小。利用三维建模软件如catia对叶片、障碍物进行参数化建模，定义变量参数。

潮流能水轮机初始设计参数为叶片数目为3个，叶片长度R=1.53m，叶片翼型选用的为NACA-2415，来流速度V ₀=2.5m/s。

通过三维建模软件如catia将叶片弦长、扭角和障碍物模型尺寸及位置用参数代替，这样只需要更改参数值便可实现模型的更新，而无需重复建模。

S2：确立优化目标、优化变量、约束条件，建立潮流能水轮机叶片及障碍物优化数学模型，由于潮流能水轮机的轴向载荷即叶片上尤其叶尖处单位面积载荷过大的话叶尖处容易降低到临界压力以下发生空化，因此这里将潮流能水轮机推力系数T作为优化目标之一。由于潮流能水轮机空化会诱导噪声，同时为避免增加障碍物后可能会对潮流能水轮机的效率产生不利影响，因此将水轮机功率系数C _P和空化诱导噪声的声压级也作为多目标优化的优化目标，空化诱导噪声主要采用水轮机流场驻点的声压级dB来衡量，为了提高潮流能水轮机的多工况适应能力，选取水轮机z=3个叶尖速比λ工况下的推力系数T、功率系数C _P和噪声的声压级dB构建优化目标函数模型：

；

其中，X作为优化变量，表示不同设计变量参数下的水轮机叶片及障碍物参数，和/>代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的功率系数，/>和/>代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的声压级，/>和/>代表水轮机叶尖速比λ为i时的优化叶片和原始叶片的推力系数，/>、/>和/>表示功率系数、声压级和推力系数的权重系数，有，此处定义优化目标的优先级，选取/>=0.35，/>=0.35，/>=0.3。

所述水轮机多个叶尖速比λ工况值为3、4、5。

所述水轮机叶片的弦长C和扭角ω作为设计变量，此外由于所述障碍物的高度和到叶片前缘的距离对水轮机叶片的功率系数和空化抑制效能影响最大，所以所述优化变量选取头部三角形棱柱高度H1和四面体棱台高度H2和障碍物距离叶片前缘距离l _m 也作为优化变量即

。

所述约束条件如下：

。

S3.制定潮流能水轮机叶片水动力性能计算方法，并确定优化策略方案；

针对潮流能水轮机水动力性能参数，采用CFD软件如fluent计算包括功率系数C_P、推力系数T和声压级dB，相比较理论计算和实验验证，fluent数值计算有成本低廉，参数设置自由和计算速度快的优点，这里在数值计算过程中需要通过调节计算域即模型进出口压力来产生空化发生的条件，验证叶片空化抑制效能。

建立优化策略方案，首先是优化目标的确立，这里将水轮机功率系数C _P和空化诱导的噪声声压级dB和推力系数T同时作为优化目标，通过设置权重系数、/>和/>将多目标融合为单一目标优化，由于寻求的高功率系数C _P和低空化诱导的噪声声压级dB之间存在互斥性矛盾，因此权重系数的取舍决定优化目标的优先级，此处定义优化目标的优先级，/>=0.35、/>=0.35、/>=0.3。

S4.生成初始种群，得到潮流能水轮机叶片及障碍物参数值。

S5.利用CFD软件计算得到潮流能水轮机的功率系数、推力系数以及噪声声压级信息。

S6.根据潮流能水轮机性能参数计算目标函数值并进行评估，判断是否收敛，是则结束优化输出最优解，否则生成新的种群，返回步骤S4。

原始叶片弦长和扭角如图5所示，其障碍物尺寸头部三角形棱柱高度和四面体棱台高度初始值为H1=H2=1.25mm，三角形棱柱宽度和四面体棱台宽度值W1=W2=1.74mm，三角形棱柱长度和四面体棱台长度值L2=2L1=4.91mm，障碍物4之间间距=1.656mm，障碍物数量n=231，/>=0.31。

根据优化方案优化设计的叶片叶尖尖端处翼型弦长C _tip =98.7mm，弦长和扭角数据参数如图6所示，优化后的障碍物的头部三角形棱柱高度和四面体棱台高度初始值为H1=H2=1.16mm，三角形棱柱宽度和四面体棱台宽度初始值W1=W2=1.74mm，三角形棱柱长度和四面体棱台长度值L2=2L1=4.91mm，障碍物4之间间距=1.656mm，障碍物4数量n=231，/>=0.26。

图7给出了优化叶片与原始叶片在三种叶尖速比下的功率系数C _P参数对比，从中可以看出，优化后的叶片在叶尖速比为4的情况下功率系数C _P有明显提高，其他两种叶尖速比工况下与原始叶片持平或稍微提高。总体来说优化叶片在多工况情况下功率系数C _P得到明显的优化提升。

图8给出了优化叶片与原始叶片在三种叶尖速比下的推力系数T参数对比，从中可以看出，在三种叶尖速比工况下，优化叶片的推力系数T都有所下降，这有利于降低叶尖处的局部载荷，降低空化发生的概率和程度。

图9-11所示为优化叶片与原始叶片在三种叶尖速比下的噪声声压级的频谱分布，噪声包含了自流噪和空化诱导的噪声，从中可以看出在1000Hz以内优化叶片的噪声声压级峰值要小于原始叶片，在2000-3000Hz范围内优化叶片在小范围内的峰值比原始叶片稍大，整体来说，优化叶片的噪声声压级要小于原始叶片，说明空化诱导的噪声得到一定程度上的抑制，进而说明空化也得到一定程度的抑制。说明通过该优化方法有效的减小了叶片发生空化的概率和程度。

Claims (3)

1.一种潮流能水轮机叶片优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获得潮流能水轮机叶片初始模型方案，对潮流能水轮机叶片及其吸力面处障碍物进行参数化建模；基于水轮机叶片叶尖尖端处翼型弦长确立障碍物尺寸以及每个障碍物距离叶片前缘距离/>；

S2.设置优化变量和约束条件，构建高效抗空化的目标函数，建立潮流能水轮机叶片优化数学模型；

选取水轮机z个叶尖速比工况下的推力系数T、功率系数/>和声压级dB构建潮流能水轮机叶片优化数学模型：

；

其中，X作为设计变量，表示不同设计变量参数下的水轮机叶片及障碍物参数，和分别代表水轮机叶尖速比/>为/>时的优化叶片和原始叶片的功率系数，/>和/>分别代表水轮机叶尖速比/>为/>时的优化叶片和原始叶片的声压级，/>和/>代表水轮机叶尖速比/>为/>时的优化叶片和原始叶片的推力系数，/>、/>和/>表示功率系数、声压级和推力系数的权重系数，有/> ；

所述水轮机叶片的弦长C和扭角ω作为优化变量，同时选取头部三角形棱柱高度H1、四面体棱台高度H2和障碍物距离叶片前缘距离作为设计变量即/>；/>为每个障碍物自身所处叶片截面处弦长；

约束条件如下：

；

S3.制定潮流能水轮机叶片水动力性能计算方法，并确定优化策略方案；

S4.生成初始种群，得到潮流能水轮机叶片及障碍物参数值；

S5.计算得到潮流能水轮机的功率系数、推力系数以及噪声声压级信息；

S6.根据潮流能水轮机性能参数计算目标函数值并进行评估，判断是否收敛，是则结束优化输出最优解，否则生成新的种群，返回步骤S4。

2.根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片优化方法，其特征在于，设置叶片及障碍物初始参数如下：

叶片长度为R，其吸力面表面靠近叶尖处设置有数量为n的障碍物，所述障碍物包括头部和尾部，所述头部呈三棱柱、尾部呈四面体棱台；

所述头部三棱柱高度为H1，长度为L1，底部宽度为W1；

所述尾部的四面体棱台长度为L2，高度为H2，宽度为W2；

所述障碍物之间的间距Δx与数量n之间关系为；

；/>；

。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种潮流能水轮机叶片优化方法，其特征在于，所述每个障碍物距离叶片前缘距离为，其中/>的值与每个障碍物自身所处叶片截面处弦长/>的关系为/>，/>。