CN1587674A - 用于海流发电水轮机的翼型 - Google Patents

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Abstract

一种用于海流发电水轮机的翼型，根据海流发电水轮机的较宽的工况范围，选取较小弯度和较小的最大厚度，该翼型的最大厚度与翼型的弦长之比为d/c＝0.1570，最大弯度与翼型弦长之比为f/c＝0.0229，虽然该翼型牺牲了一部分常规攻角下的翼型性能，但是在得到优越的变工况性能的同时，将最大厚度的位置后移，从而提高了翼型反向的做功能力，使翼型反向升力系数有所提高；翼型在后缘XR/c=0.95处以圆弧过渡，圆弧半径与翼型弦长为R/c＝0.0208，用以增大翼型的后缘半径，从而削弱大攻角时薄翼失速对翼型性能的影响，同时也降低外物对翼型的损伤。

Description

用于海流发电水轮机的翼型
技术领域
本发明涉及一种水轮机的翼型，尤其涉及一种用于海流发电水轮机的翼型，针对海流发电对水轮机的特殊要求而专门设计。
背景技术
海流发电是一种新型的获得能源的方式。用于海流发电的水轮机是通过海水的流动，推动水轮机转动，将海水的动能转化为水轮机的机械能，是一种环保的、清洁的获取电力的方式。水轮机叶片是该类水轮机的最关键部件。而对于水轮机的叶片来说，叶片横截面的翼型选择和研究是影响水轮机机械效率的最直接因素。
由于海流的流速小、水头低、海水流动方向不确定等因素，所以在利用海流发电时，对水轮机有特殊的要求，如采用一般的可逆式水轮，不但水轮机本身的结构复杂，而且效率很低。虽然一些科学家也设计出了能够在较低的水流获得较高的转速的水轮机，但是由于这类水轮机旋转时强烈的振动以及其较低的效率，使得这种水轮机不能得到广泛实际的应用。
从工作原理分析，对于该类水轮机来说，除了结构要求以外，对于叶片翼型的要求，也与一般的水轮机不同。由于海水流动方向的不确定性，因此无法根据一个确定的方向安放水轮机。这样，水轮机放入海洋以后，水轮机叶片在很多的工作时间内，将无可避免的以较大的攻角迎流(0°～360°)。如果设计叶片时，选择常用的翼型(如NACA翼型、RAF-6翼型、CLARK翼型、LS翼型、Gottingen翼型、FAGE&COLLINS翼型、RHODE GENESE翼型、COANDA翼型、EPPLER翼型等)，由于工作条件恶劣，水流在大攻角下，将很快在叶片表面分离。此时，翼型的升力系数将大幅度下降，阻力系数急遽增大，水轮机效率将大大降低，很难达到设计要求。目前，用于水轮机设计的翼型，往往限制在一个较小的工况范围内，在工况范围内，翼型具有较大的升力系数和较小的阻力系数，但是，一旦离开该工况范围，翼型发生失速，性能迅速恶化。因此，必须设计一种专门用于该类水轮机的翼型。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种用于海流发电水轮机的新型翼型，能够完全适应海流流速小、海水流动方向不确定的特性，即使在很大的攻角下，也能保证叶片具有较大的升力系数和较小的阻力系数。
为实现这样的目的，本发明设计的海流发电水轮机翼型的最大厚度与翼型的弦长之比约为：d/c＝0.1570，最大厚度位置为： x d / c = 0.35 ; 最大弯度与翼型的弦长之比为：f/c＝0.0229， x f / c = 0.2167 . 考虑到翼型大攻角的水力性能，在后缘 x R / c = 0.95 处，以圆弧过渡，圆弧半径与翼型的弦长之比为R/c＝0.0208。其中，c为翼型的弦长，d为翼型的最大厚度，xd为翼型最大厚度处翼型的横坐标值，f为翼型的最大弯度，xf为翼型最大弯度处翼型的横坐标值。xR为圆弧过渡处翼型的横坐标值。
一般来说，要获得较大的升力系数，通过增加最大厚度和弯度是一种最为有效的手段。但是在增大弯度和厚度的同时，最令人担心的是翼型的非设计条件下的流动性能。大升力的翼型是利用精心控制的逆压梯度来使近壁流体减速而获得的，但攻角稍微增大，就会造成气流分离和由此带来的阻力增加及升力损失，它们的性能在一个很窄的包线外面迅速恶化了。因此，考虑到用于海流发电水轮机的工况范围，选取较小弯度和较小的最大厚度。这样，虽然牺牲一部分常规攻角下(340～360°，0～20°)的翼型性能，但是其优越的变工况性能足以弥补前者对于水轮机性能带来的损失。
与普通翼型设计相比，考虑到翼型的变工况性能，在设计该翼型时，有意将最大厚度的位置后移。从反向流动角度(攻角在180°附近)分析，最大厚度点向后缘方向移动，能提高翼型反向的做功能力，使翼型反向升力系数有所提高。从正向流动角度讲，最大厚度点也不宜太靠近前缘。这主要是因为，最大厚度点太靠近前缘后，流动必须绕过翼型的“尖”前缘而急剧加速，最小压力点前移，逆压梯度相应恶化，并导致过早的发生转捩和相应的升力损失，最大厚度点后移以后，会将压力最小值的位置尽可能推向翼型的后部，使得翼型前段边界层稳定，分离点推迟，有利于翼型前段背弧面做功，从而使翼型的性能从总体上可以得到改善。
对于常规翼型来说，如果攻角在180°附近，则翼型是以较薄的翼型后缘迎流，翼型前端的流动类似于薄翼流动，气流在上游很早就发生分离。在较小攻角下，流体很快重新附着在翼型表面。在接近后端时，较大的翼型前缘半径，使流体逆压梯度恶化，再次发生分离，形成较大的分离涡。随着攻角增大，前端附着涡与后端分离涡逐渐增大，互相靠拢，两者之间的相互作用增强，最终两个涡合而为一，形成薄翼失速。所以，考虑常规翼型的缺陷，在设计该翼型时，特意在后缘 x R / c = 0.95 处以圆弧过渡，其半径与翼型弦长的比值为R/c＝0.0208的，从而增大翼型的后缘半径，从而削弱薄翼失速的影响。
另外，由于后缘以圆弧过渡，因此较钝的外缘使外物对翼型的损伤降至最小，且易于加工。
综上所述，用于海流发电水轮机的新型翼型具有以下特点：
1.该翼型的最大厚度约为：d/c＝0.1570，最大弯度为：f/c＝0.0229。虽然牺牲一部分常规攻角下(340～360°，0～20°)的翼型性能，但是其优越的变工况性能足以弥补前者对于水轮机性能带来的损失。
2.该翼型的最大厚度位置为： x d / c = 0.35 , 与其他翼型相比，最大厚度位置后移，从而使翼型的性能从总体上可以得到改善。
3.该翼型设计时，在后缘 x R / c = 0.95 处以圆弧过渡，圆弧半径与翼型弦长的比值为R/c＝0.0208，用于增大翼型的后缘半径，从而削弱薄翼失速的影响。
4.由于后缘以圆弧过渡，因此较钝的外缘使外物对翼型的损伤降至最小，较钝的外缘，还使翼型的加工减至最小。
附图说明
图1为本发明用于海流发电水轮机的翼型形状示意图。
图1中，1为翼型的上表面，2为翼型的下表面，3为翼型的中弧线，C为翼型的弦长，d为翼型的最大厚度，Xd为翼型最大厚度处翼型的横坐标值，f为翼型的最大弯度，Xf为翼型最大弯度处翼型的横坐标值，R为后缘过渡圆弧的半径。
图2为攻角0～180°的翼型升力系数曲线图。
图3为攻角180～360°的翼型升力系数曲线图。
图4为攻角0～180°的翼型阻力系数曲线图。
图5为攻角180～360°的翼型阻力系数曲线图。
具体实施方式
以下以翼型弦长c为单位1，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。
取翼型弦长为单位1后，叶片坐标如表1所列。
                             表1叶片坐标
                上表面                  下表面
    X              Y     X                 Y
    0.0000000E+00    0.0000000E+001.6666668E-02    3.6133267E-023.3333335E-02    4.9626011E-025.0000001E-02    5.9244741E-026.6666670E-02    6.6778749E-028.3333336E-02    7.2925441E-020.1000000        7.8045815E-020.1166667        8.2356974E-020.1333333        8.6002566E-020.1500000        8.9084186E-020.1666667        9.1677360E-020.1833333        9.3840457E-020.2000000        9.5619962E-020.2166667        9.7053848E-02     0.0000000E+00      0.0000000E+001.6666666E-02      -1.7037073E-023.3333331E-02      -2.3597769E-024.9999997E-02      -2.8401444E-026.6666663E-02      -3.2277219E-028.3333336E-02      -3.5546843E-029.9999994E-02      -3.8375780E-020.1166667          -4.0862702E-020.1333333          -4.3072209E-020.1500000          -4.5049436E-020.1666667          -4.6827488E-020.1833333          -4.8431545E-020.2000000          -4.9881365E-020.2166667          -5.1192816E-02
    0.2333333       9.8173790E-020.2500000       9.9006645E-020.2666667       9.9575534E-020.2833333       9.9900618E-020.3000000       9.9999622E-020.3166667       9.9888295E-020.3333333       9.9580728E-020.3500000       9.9089615E-020.3666667       9.8426431E-020.3833333       9.7601622E-020.4000000       9.6624695E-020.4166667       9.5504351E-020.4333333       9.4248563E-020.4500000       9.2864662E-020.4666667       9.1359362E-020.4833333       8.9738838E-020.5000000       8.8008754E-020.5166667       8.6174332E-020.5333334       8.4240302E-020.5500000       8.2211040E-020.5666667       8.0090500E-020.5833333       7.7882275E-020.6000000       7.5589590E-020.6166667       7.3215373E-020.6333333       7.0762195E-020.6500000       6.8232320E-020.6666667       6.5627709E-020.6833333       6.2950060E-020.7000000       6.0200755E-02     0.2333333        -5.2378912E-020.2500000        -5.3450510E-020.2666667        -5.4416787E-020.2833333        -5.5285651E-020.3000000        -5.6063920E-020.3166667        -5.6757595E-020.3333333        -5.7371974E-020.3500000        -5.7911769E-020.3666667        -5.8381215E-020.3833333        -5.8784135E-020.4000000        -5.9124004E-020.4166667        -5.9403986E-020.4333333        -5.9626985E-020.4500000        -5.9795674E-020.4666667        -5.9912533E-020.4833333        -5.9979856E-020.5000000        -5.9999771E-020.5166667        -5.9979856E-020.5333333        -5.9912533E-020.5500000        -5.9795674E-020.5666667        -5.9626985E-020.5833333        -5.9403986E-020.6000000        -5.9124004E-020.6166667        -5.8784135E-020.6333333        -5.8381215E-020.6500000        -5.7911769E-020.6666667        -5.7371974E-020.6833333        -5.6757595E-020.7000000        -5.6063920E-02
    0.7166666       5.7380911E-020.7333333       5.4491363E-020.7500000       5.1532712E-020.7666667       4.8505284E-020.7833334       4.5409124E-020.8000000       4.2244080E-020.8166667       3.9009728E-020.8333333       3.5705391E-020.8500000       3.2330163E-020.8666667       2.8882924E-020.8833333       2.5362298E-020.9000000       2.1766679E-020.9166667       1.8094227E-020.9333333       1.4342913E-020.9500000       1.0510445E-02     0.7166667        -5.5285651E-020.7333333        -5.4416787E-020.7500000        -5.3450510E-020.7666667        -5.2378912E-020.7833333        -5.1192816E-020.8000000        -4.9881365E-020.8166667        -4.8431545E-020.8333333        -4.6827488E-020.8500000        -4.5049436E-020.8666666        -4.3072209E-020.8833333        -4.0862702E-020.9000000        -3.8375780E-020.9166667        -3.5546843E-020.9333333        -3.2277219E-020.9500000        -2.8401444E-02
该翼型如图1所示，最大厚度约为：d＝0.1570，最大厚度位置为：xd＝0.35；弯度为：f＝0.0229，xf＝0.2167。后缘xR＝0.95处，以半径为R＝0.0208的圆弧过渡。
可以通过增加翼型的最大厚度和弯度来获得较大的升力系数，但是增大弯度和厚度会恶化翼型在非设计条件下的流动性能。考虑到用于海流发电水轮机的工况范围，选取较小弯度和较小的最大厚度。这样，虽然牺牲一部分常规攻角下(-20°～20°)的翼型性能，但是其优越的变工况性能足以弥补前者对于水轮机性能带来的损失。
与普通翼型设计相比，考虑到翼型的变工况性能，在设计该翼型时，有意将最大厚度的位置后移。从反向流动角度(攻角在180°附近)分析，最大厚度点向后缘方向移动，能提高翼型反向的做功能力，使翼型反向升力系数有所提高。从正向流动角度讲，最大厚度点也不易太靠近前缘。这主要是因为，最大厚度点太靠近前缘后，流动必须绕过翼型的“尖”前缘而急剧加速，最小压力点前移，逆压梯度相应恶化，并导致过早的发生转捩和相应的升力损失，最大厚度点后移以后，会将压力最小值的位置尽可能推向翼型的后部，使得翼型前段边界层稳定，分离点推迟，有利于翼型前段背弧面做功，从而使翼型的性能从总体上可以得到改善。
对于常规翼型来说，如果攻角在180°附近，则翼型是以较薄的翼型后缘迎流，翼型前端的流动类似于薄翼流动，气流在上游很早就发生分离。在较小攻角下，流体很快重新附着在翼型表面。在接近后端时，较大的翼型前缘半径，使流体逆压梯度恶化，再次发生分离，形成较大的分离涡。随着攻角增大，前端附着涡与后端分离涡逐渐增大，互相靠拢，两者之间的相互作用增强，最终两个涡合而为一，形成薄翼失速。所以，考虑常规翼型的缺陷，在设计该翼型时，特意在后缘x/c＝0.95处，以半径为R/c＝0.0208的圆弧过渡，以增大翼型的后缘半径，从而削弱薄翼失速的影响。
另外，由于后缘以圆弧过渡，因此较钝的外缘使外物对翼型的损伤降至最小，且易于加工。
当Re为5×105时，该翼型的升、阻力系数如图2～5所示。
1.图2和图3分别为攻角0～180°、180～360°的翼型升力系数曲线图。由图2、图3看出，虽然在常规攻角中(340～360°，0～20°)，与其他翼型相比，升力系数有所减小，当攻角α＝16°，升力系数CL＝1.25；当攻角α＝350°，升力系数CL＝1.3。但是发现，其反向性能方面(攻角在180°附近)，该翼型性能有大幅度提高，当攻角α＝156°，升力系数|CL|＝1.08；当攻角α＝194°，升力系数CL＝0.935。
2.图4和图5分别为攻角0～180°、180～360°的翼型阻力系数曲线图。由图4、图5中发现，在常规攻角中(340～360°，0～20°)，与其他翼型相比，阻力系数CD变化不大。虽然翼型在反向工作时(攻角在180°附近)阻力系数CD稍有增大，但是此时由于升力系数CL有大幅度的提高，因此翼型的升阻比
Figure A20041006641900111
也有很大的提高。
3.由于后缘以圆弧过渡，因此较钝的外缘使外物对翼型的损伤降至最小，较钝的外缘，还使翼型的加工减至最小。

Claims (2)

1、一种用于海流发电水轮机的翼型，其特征在于翼型的最大厚度d与翼型的弦长c之比为：d/c＝0.1570，最大厚度位置为： x d / c = 0.35 ; 最大弯度f与翼型的弦长之比为：f/c＝0.0229， x f / c = 0.2167 , 在后缘 x R / c = 0.95 处以圆弧过渡，圆弧半径R与翼型的弦长之比为R/c＝0.0208；其中，xd为翼型最大厚度处翼型的横坐标值，xf为翼型最大弯度处翼型的横坐标值，xR为圆弧过渡处翼型的横坐标值。
2、权利要求1的用于海流发电水轮机的翼型，其特征在于所述翼型弦长为单位1，叶片坐标为：
    上表面     下表面     X            Y     X             Y     0.0000000E+00             0.0000000E+001.6666668E-02             3.6133267E-023.3333335E-02             4.9626011E-025.0000001E-02             5.9244741E-026.6666670E-02             6.6778749E-028.3333336E-02             7.2925441E-020.1000000                 7.8045815E-020.1166667                 8.2356974E-020.1333333                 8.6002566E-020.1500000                 8.9084186E-020.1666667                 9.1677360E-020.1833333                 9.3840457E-020.2000000                 9.5619962E-020.2166667                 9.7053848E-02     0.0000000E+00               0.0000000E+001.6666666E-02              -1.7037073E-023.3333331E-02              -2.3597769E-024.9999997E-02              -2.8401444E-026.6666663E-02              -3.2277219E-028.3333336E-02              -3.5546843E-029.9999994E-02              -3.8375780E-020.1166667                  -4.0862702E-020.1333333                  -4.3072209E-020.1500000                  -4.5049436E-020.1666667                  -4.6827488E-020.1833333                  -4.8431545E-020.2000000                  -4.9881365E-020.2166667                  -5.1192816E-02
    0.2333333    9.8173790E-020.2500000    9.9006645E-020.2666667    9.9575534E-020.2833333    9.9900618E-020.3000000    9.9999622E-020.3166667    9.9888295E-020.3333333    9.9580728E-020.3500000    9.9089615E-020.3666667    9.8426431E-020.3833333    9.7601622E-020.4000000    9.6624695E-020.4166667    9.5504351E-020.4333333    9.4248563E-020.4500000    9.2864662E-020.4666667    9.1359362E-020.4833333    8.9738838E-020.5000000    8.8008754E-020.5166667    8.6174332E-020.5333334    8.4240302E-020.5500000    8.2211040E-020.5666667    8.0090500E-020.5833333    7.7882275E-020.6000000    7.5589590E-020.6166667    7.3215373E-020.6333333    7.0762195E-020.6500000    6.8232320E-020.6666667    6.5627709E-020.6833333    6.2950060E-020.7000000    6.0200755E-02     0.2333333    -5.2378912E-020.2500000    -5.3450510E-020.2666667    -5.4416787E-020.2833333    -5.5285651E-020.3000000    -5.6063920E-020.3166667    -5.6757595E-020.3333333    -5.7371974E-020.3500000    -5.7911769E-020.3666667    -5.8381215E-020.3833333    -5.8784135E-020.4000000    -5.9124004E-020.4166667    -5.9403986E-020.4333333    -5.9626985E-020.4500000    -5.9795674E-020.4666667    -5.9912533E-020.4833333    -5.9979856E-020.5000000    -5.9999771E-020.5166667    -5.9979856E-020.5333333    -5.9912533E-020.5500000    -5.9795674E-020.5666667    -5.9626985E-020.5833333    -5.9403986E-020.6000000    -5.9124004E-020.6166667    -5.8784135E-020.6333333    -5.8381215E-020.6500000    -5.7911769E-020.6666667    -5.7371974E-020.6833333    -5.6757595E-020.7000000    -5.6063920E-02
    0.7166666    5.7380911E-020.7333333    5.4491363E-020.7500000    5.1532712E-020.7666667    4.8505284E-020.7833334    4.5409124E-020.8000000    4.2244080E-020.8166667    3.9009728E-020.8333333    3.5705391E-020.8500000    3.2330163E-020.8666667    2.8882924E-020.8833333    2.5362298E-020.9000000    2.1766679E-020.9166667    1.8094227E-020.9333333    1.4342913E-020.9500000    1.0510445E-02     0.7166667    -5.5285651E-020.7333333    -5.4416787E-020.7500000    -5.3450510E-020.7666667    -5.2378912E-020.7833333    -5.1192816E-020.8000000    -4.9881365E-020.8166667    -4.8431545E-020.8333333    -4.6827488E-020.8500000    -4.5049436E-020.8666666    -4.3072209E-020.8833333    -4.0862702E-020.9000000    -3.8375780E-020.9166667    -3.5546843E-020.9333333    -3.2277219E-020.9500000    -2.8401444E-02
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