[发明专利]一种改进的潮流能水轮机性能预测方法

说明书

本发明公开了一种改进的潮流能水轮机性能预测方法，属于潮流能水轮机技术领域，引进偏航角和旋转角等参数，其主要步骤如下：确定水轮机叶轮参数；根据水动力参数，确定来流条件；根据叶片信息，将叶片划分为适宜数量的叶素，确定各个叶素的相关信息；根据水轮机叶片和水动力条件，建立数学模型，确定叶素的升阻力系数；结合旋转角，给定叶素对于水流的相对速度和来流攻角；求出每个叶素的性能参数；累加各个叶素性能参数，求出叶轮的性能参数。本发明考虑了实际应用中潮流能水轮机偏航的情况，改进了经典的叶素动量预测方法，能准确预测偏航情况下水轮机的性能；此外，预测速度快，结果准确，能为实际工程中潮流能水轮机的设计提供参考。

技术领域

本发明属于潮流能水轮机技术领域，具体涉及一种改进的潮流能水轮机性能预测方法。

背景技术

随着社会发展，对于能源的需求日益增加。传统化石能源不可再生，且对环境污染大。而在众多形式的新能源中，潮流能由于蕴藏量大、环境友好、可预测性高，具有很好的发展前景。潮流能水轮机被广泛应用到潮流能的提取当中，叶轮功率系数和叶轮推力系数是评价潮流能水轮机性能表现的重要参数。准确评估潮流能水轮机的功率系数和推力系数是水轮机设计过程中的重要环节。

通常采用物理模型试验、数值模拟方法和理论方法评估潮流能水轮机的功率和推力系数。物理模型试验和数值模拟方法耗时较长、成本较高；理论方法具有成本低和求解速度快等优点，常采用叶素动量方法评估潮流能水轮机的性能。

实际应用中，由于潮流具有周期性，在一个周期内，潮流能水轮机的主要来流方向通常在不断变化。而传统的叶素动量方法只能用于评估来流偏航角(即叶轮平面法方向和来流方向夹角)为0°时的工况，无法准确评估当偏航角发生改变时潮流能水轮机的性能表现。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种改进的潮流能水轮机性能预测方法，引入旋转角和偏航角，改进了传统的叶素动量理论方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种改进的潮流能水轮机性能预测方法，包括如下步骤：

(1)确定水轮机叶轮形状参数，水轮机叶轮形状参数包括轮机叶片翼型、叶轮的叶片数量B、叶轮半径R、叶片沿径向的弦长与安装角变化、旋转角速度Ω参数；

(2)根据水动力参数，确定来流条件，水动力参数包括偏航角β和来流平均值u；

(3)根据叶片信息，将叶片划分为适宜数量的叶素，确定各个叶素相关信息，包括叶素离叶轮中心的径向间距r、叶素的安装角γ、叶素弦长c；

(4)结合叶片旋转角θ，求出各个叶素相对于水流的相对速度u_vel和迎流角φ；

(5)根据水轮机叶素弦长c和相对速度u_vel，确定各个叶素雷诺数R_e，建立数学模型，利用计算机及xfoil开源算法确定每个叶素的升力系数C_L和阻力系数C_D；

(6)求出每个叶素的性能参数，包括叶素推力值dF和扭矩值dM；

(7)累加各个叶素性能参数，求出叶轮的性能参数,包括叶轮功率系数C_P和叶轮推力系数C_T。

进一步地，步骤(2)所述的来流条件包括轴向流速u_z和横向流速u_y，分别根据以下公式确定：

u_z＝ucos(β) (I)；

u_y＝usin(β) (II)；