一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水轮机叶片的设计方法，尤其设及一种水平轴潮流能水轮机组合 翼型叶片的设计方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，海洋能的开发已经渗透到各个领域，潮流能作为一种清洁的可再生能源 尤其受到广泛研究，潮流能具有可靠性、周期性、可持续性，且分布广泛等的优点，其将会在 未来能源中扮演重要角色，为了利用潮流能，水轮机是潮流能的主要捕获装置，因此如何提 高潮流能水轮机的获能效率成为了影响潮流能发电推广应用的关键因素，因而水轮机的研 制越来越受重视。
[0003] 叶片是水轮机的核屯、部件，而翼型是构成叶片的基础，因此叶片翼型的选择将直 接影响水轮机的获能效率。由于水平轴水轮机出现较晚，目前还没有一套方法完全适用于 水平轴潮流能水轮机叶片的设计，但因其形式与风力机相似，国内外大都采用较成熟的风 力机叶片的设计方法。但二者工作介质在密度、粘度、流速等因素上存在较大差异，造成按 照风力机叶片设计方法得到的水轮机获能效率较低。因此，如何设计一种符合工作介质特 性的叶片是提高水平轴潮流能水轮机获能效率的关键问题。专利CN104408260A提供了 一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，该方法基于遗传优化算法，综合考虑了水轮机水翼 翼型设计的各个方面，能够根据不同水域和海洋环境要求获得最佳的水翼翼型曲线，具有 可行解表示广泛性、群体捜索性、随机捜索性和全局性等优点，能够获得全局最优解。
[0004] 将仿生学应用于叶片设计是一个新的发展方向，研究表明，将鸟类翅膀的自然特 性应用到水平轴风力机叶片的设计中，能显著提高其获能效率。同时，海洋鱼类经过数亿年 的自然衍化，其身体结构特点和运动方式能够很好地适应水中生活，具有优异的水动力性 能。研究表明，鱼罐的运动配合对于水动力性能有着至关重要的作用，因此鱼类仿生研究引 起了众多研究人员的兴趣，并且已在水下推进技术领域取得了较好应用，运就为水平轴潮 流能水轮机仿生叶片的设计带来了新的启示。但是，鱼罐的作用主要是用于身体推进及平 衡控制，与水轮机的旋转运动存在较大差异，因而不适宜采用仿形法设计与鱼罐形状完全 相同的叶片。
【发明内容】
阳〇化]针对上述问题，本发明的目的是提供一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设 计方法，利用仿生翼型和常规翼型相互组合形成组合翼型叶片，使得叶片的水动力性能更 为优越，提高水轮机的获能效率，W弥补现有技术的不足。
[0006] 本发明提供的水平轴潮流能水轮机叶片设计方法采用经典的WILSON理论及叶素 动量理论，分别研究常规翼型及仿生翼型的水动力性能，根据各叶素在叶片中的作用，将常 规的叶片翼型与仿生翼型相结合，设计出性能更为优越的组合翼型叶片。
[0007] 为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为： 一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 采用=维扫描仪获取鱼罐标本的=维数字模型，即鱼罐的点云数据； 2) 通过逆向工程软件对上述点云数据进行处理，得到鱼罐的=维数字模型，沿鱼罐长 度方向任意选取鱼罐不同位置处的横截面轮廓作为仿生鱼罐翼型； 3) 通过翼型专业分析软件将截取到的仿生鱼罐翼型与水轮机的多个常规翼型在不同 雷诺数下相比较，选取达到最佳雷诺数时升阻比最大的仿生鱼罐翼型，并导出该翼型和各 常规翼型的二维坐标，即得仿生翼型二维坐标和各常规翼型二维坐标； 4) 根据设计要求，确定水轮机的功率、叶片数量、额定流速、尖速比、叶轮额定转速W及 叶轮直径等参数； 5) 依据步骤4)中得到的参数，利用常规叶片设计方法设计叶片，确定设计叶片的长度， 将其长度分为等份，此时就获得截面，即叶素，通过数值分析软件对上述叶 素分别进行优化，得到每个叶素的参数； 6) 根据设计要求W及叶片不同位置的作用，选取步骤3)中的仿生鱼罐翼型及不同的常 规翼型分别对应步骤5)中的各个叶素，并将由步骤3)得到的各翼型二维坐标根据步骤5) 中的叶素参数转换为立维坐标； 7) 将上述得到的翼型=维坐标数据导入到=维设计软件中，进行放样处理，最终生成 组合翼型叶片。
[0008] 所述步骤2)中获取仿生鱼罐翼型的具体方法为：沿鱼罐长度方向将鱼罐n等分， 即得到n-1个仿生鱼罐翼型，其中，n的大小由鱼罐的长度、拟选取的仿生翼型数量决定。
[0009] 所述步骤3)中所述的常规翼型为NACA系列翼型。
[0010] 所述步骤5)中所述的叶素优化的具体步骤为：根据设计要求，利用常规叶片设计 方法设计叶片，将设计的叶片沿长度方向分为等份，即获得叶素；对每个叶素单独 研究，并假设第i个叶素的半径为r,，利用数值分析软件对目标函数、约束方程和求解方程 分别编写程序代码；通过数值分析软件所带的优化工具箱调用上述程序代码，计算每个叶 素的半径、尖速比、轴向因子、周向因子、叶尖损失因子、入流角、弦长、扭角等参数。
[0011] 所述步骤6)中的翼型二维坐标通过平移变换、缩放变换、旋转变换和沿Z轴的偏 移变换转换为翼型=维坐标数据。
[0012] 本发明的优点：本发明中叶片设计采用了仿生鱼罐翼型与常规翼型相组合，能够 更好地适应工作介质的特性，从而具有较高的获能效率；本发明根据水轮机叶片从叶根到 叶尖的不同部分在叶片获能过程中所起的作用不同，选用不同的翼型而设计出的组合翼型 叶片，实验证明本发明能够明显提高叶片的获能效率和可靠性；在不同流速、流向的海况 中，均可采用本发明提供的设计方法，选用不同的仿生翼型和常规翼型来设计组合翼型叶 片，从而得到较高的获能效率。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明实施例中整鱼尾罐截面翼型示例图。
[0014] 图2是本发明实施例中整鱼尾罐的不同位置翼型图。
[0015] 图3是本发明实施例中几种仿生整鱼尾罐翼型水动力性能分析示例图。
[0016] 图4是本发明实施例中的组合翼型叶片的翼型选择示例图。
[0017]图5是本发明实施例中的组合翼型叶片示例图。
[0018]其中，1-NACA63-018 翼型；2-NACA0015 翼型；3-仿生整鱼尾罐翼型；4-NACA2412 翼型；5-NACA2410翼型。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图通过特定的实施例 进一步说明本发明的实施方式。
[0020] 本实施例采用整鱼尾罐作为仿生翼型的获取模型，该实施例中的具体操作方法同 样适用于其他鱼罐用于仿生翼型的获得，W及组合翼型叶片的设计。
[0021] 基于整鱼尾罐为仿生对象，水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法，包括W下步骤： 1) 采用=维扫描仪获取整鱼尾罐的=维数字模型，即整鱼尾罐的点云数据； 2) 通过逆向工程软件将上述点云数据进行处理，得到整鱼尾罐的=维数字模型，如图 1所示； 3) 根据整鱼尾罐的长度，将其进行8等分，得到7个位置处的截面轮廓作为仿生整鱼 尾罐翼型，如图2所示； 4) 通过翼型专业分析软件将截取到的7个尾罐翼型的水动力性