基于葉素動量理論的潮流能發電機組葉片設計方法

張蕭　孫石　李瑞濤　付大偉　趙占聰

摘 要：近年來，海洋能因其分布范圍廣、儲量大及能量密度高而被認為是最具開發潛力的可再生能源。與其他海洋能源相比，潮流能具有著很強的規律性和可預見性；從發電技術層面及能量轉化層面綜合考慮，海洋潮流能發電是最易實現的海洋能發電技術。潮流能機組的葉片的水動力外形的設計的優劣直接影響能量轉換的效率，葉片水動力設計是提高能量轉換利用效率最現實有效的辦法，本文提出的一種基于葉素動量理論（BEM）的潮流能發電機組的葉片設計方法，并基于BEM設計方法對潮流能葉片水動力外形進行設計，以供相關研發人員參考。

關鍵詞：潮流能發電；葉素-動量理論（BEM）；葉片設計

中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A

水平軸潮流能發電機與現在應用較為普遍的水平軸風力發電機工作原理相似，都是流體流經葉輪在葉片處產生切向力從而帶動葉輪旋轉，其中潮流能發電機是通過葉輪將海水中動能轉化為旋轉機械能，再帶動發電機發電的裝置。從能量轉化角度看包括一次能量轉換單元、機械能傳遞單元及發電單元。葉輪是一次能量轉換單元時的核心部分，葉片水動外形設計直接影響潮流能轉化效率，其設計原則是使葉素具有最大的功率利用系數。

1.潮流能葉片設計葉素動量理論

風力機氣動理論是在機翼氣動理論基礎上發展而來的，對于水平軸潮流能發電和水平軸風力發電，二者之間的雷諾數基本相同，固可采用現有的水平軸風力發電空氣動力學理論進行水平軸潮流能發電的設計。

1.1 葉素-動量理論（BEM）

為了進一步確定葉素幾何參數、氣流速度和葉素氣動載荷間的關系，需要采用素理論和動量理論的結合的葉素-動量理論（BEM），得出軸向誘導系數a和徑向誘導系數a′的方程組，通過迭代求解可計算出風輪旋轉面中的軸向誘導系數a和徑向誘導系數a′

1.2 基于葉素-動量理論（BEM）潮流能葉片設計步驟

根據BEM理論在進行葉輪葉片設計時，要使葉片的捕能系數CP盡可能大，在設計時，還需要確定葉輪葉片數目N、葉片半徑R、以及合適的翼型。在理論上，葉片數目越多，捕能系數CP越大，但是這樣會使得葉輪軸向推力迅速增大，對支撐結構的要求也提高。通常捕能系數CP是通過經驗預估的，然后根據CP與P可以確定葉輪半徑R。在選取葉片翼型時，一般參考翼型升阻曲線，所選翼型具有較高的升阻比，同時要注意到葉根處的翼型較厚，葉尖處的翼型較薄。

在確定好各個設計參數后，就可利用BEM理論求出翼型弦長和扭角沿葉輪徑向的分布。具體步驟如下：

（1）選取某一葉片截面，確定其徑向位置，并得到其局部葉尖速比；根據所選葉片截面翼型的升、阻系數及其升阻比曲線，找出最大升阻比CL/CD所對應的攻角α和攻角下所對應的升力系數CL和阻力系數CD；初步設定CP最大，計算風輪直徑及旋轉速度。

（2）等分葉片，設定a和a′初始值求出入流角θ，迭代計算軸向誘導因子a及切向誘導因子a，然后求出弦長l、安裝角β。

（3）計算每個m下的轉矩dM、功率dP并積分得到P，矯正功率系數CP并計算不同m下葉片傾角b及弦長l。

（4）重復步驟（1）-（3）直至所有葉素截面計算完成為止，最后便可得到每個葉片截面翼型的幾何參數。

2.基于BEM的潮流能葉片設計

在進行葉片設計時，要求葉片在設計工況下具有最大的獲能效率，而且在非設計工況下仍然具有良好的性能。由于葉輪的工作環境是惡劣的海洋環境，故設計中選用定槳距葉片形式，以增強葉輪穩定性。初步需要確定葉片數目，潮流流速等參數。還需要通過計算確定葉素弦長、扭角等。

潮流發電機葉片翼型一般采用航空翼型，而且隨著航空科學發展，各個航空發達的國家都建立了自己的翼型系列。例如美國的NACA翼型、德國的DVL翼型、英國的RAE翼型等。本文所采用的NACA6系列翼型族，作為一種層流翼型，其在一定條件下擁有阻力較低的特征。其優點是最大升力系數高、在一定條件下阻力小、進行過高速優化。通過對潮流能葉片相關設計資料的查詢，初步選出翼型NACA64412、NACA64415、NACA64418、NACA64421作為備選翼型。對于翼型NACA64421，在攻角6°之前，翼型升阻比隨著攻角的增大而增大，攻角到達6°時，升阻比的值開始下降，因此翼型在攻角為6°擁有最大的升阻比值，即此時翼型的最佳升阻比對應攻角為6°。所以葉片設計選用的翼型是NACA64421翼型。

通過基于葉素動量理論計算程序計算得出所選葉片各翼型截面的幾何參數，弦長、安裝角見表1。經計算得出矯正功率系數CP=32%，對于水平軸潮流能透平效率較高。

結語

本文采用水平軸風力發電所采用葉素動量理論對水平軸潮流能發電組葉片進行水動力外形的設計。基于該理論計算得出葉片各葉素上的幾何參數，并利用三維制圖軟件根據之前求出的數據將葉片建立實體模型。基于該理論還計算得到具有較高輪功率系數CP的葉片，從而提高了潮流能轉化效率。

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