水平軸水輪機葉片翼尾彎角對水動力性能的影響研究

岑昱昕，王世明，李澤宇

(上海海洋大學工程學院，上海 201306)

0 引 言

葉片在影響水輪機水動力性能的諸多要素中占有非常關(guān)鍵的地位，對于葉片設(shè)計方法的研究以及葉片翼型的優(yōu)化，一直都是從事水輪機研究的人們最為關(guān)心的問題。中國雖然海岸線長，海洋資源豐富，但能量較分散，造成目前應用于海洋能捕獲的水輪機葉片獲能效率不理想，進而影響海洋能發(fā)電裝置的功率[1-2]。隨著單機功率的不斷提高，水輪機在面對來流時，葉片翼尾同時受到水動力和結(jié)構(gòu)力，其朝向和彎曲角度直接影響流場和水動力環(huán)境的優(yōu)劣，故而成為決定輪機性能的關(guān)鍵部位[3-5]。但到目前為止，對于葉片翼尾彎角的變化帶來的葉片水動力性能的影響，無論是計算機數(shù)值模擬還是洋流實驗研究，都還遠遠不夠。

圖1 翼型變形示意

本文選取NACA0014標準翼型，利用Fluent流體仿真軟件和翼型X-foil設(shè)計軟件，對不同翼尾彎角對葉片要素產(chǎn)生的影響，以及對其水動力性能的影響進行了研究，并設(shè)計實驗對仿真結(jié)果進行驗證，得到了較準確的結(jié)論，為翼型進一步優(yōu)化研究提供參考。

1 水輪機葉片翼型分析

過大的彎角容易使翼型產(chǎn)生額外的阻力，其出流速度的方向與水平軸方向的夾角應當遠小于90°，否則會引起較嚴重的反流，極大增加了軸向載荷。另外，翼型尾緣彎角的設(shè)置，應當避免使流體的邊界層產(chǎn)生紊流從而增大運動阻力，減少流體振動的產(chǎn)生。因此彎角應當控制在一個比較小的范圍內(nèi)。

利用X-Foil程序能夠?qū)σ延幸硇瓦M行變形處理，如圖1所示，對NACA0014翼型添加撓度，變形軸線方向位置設(shè)定為以翼型前緣為坐標原點的0.75處，縱向方向位置設(shè)定為上半翼與下半翼的中心，對原始翼型的尾部沿縱向分別上彎10°、5°以及下彎5°、10°、15°，基于原始翼型變形得到的一組共6個翼型。

2 模型驗證與計算條件

2.1 計算模型與算法

本文數(shù)值計算選用標準k-e湍流模型。標準k-e湍流模型在單方程的基礎(chǔ)上，添加一個與湍流動能耗散率e相關(guān)的方程，其適用范圍廣，有合理的精度。求解算法選為SIMPLEC算法，此算法是對求解壓力耦合方程組的半隱式方法的改進，改變了壓力修正項中的部分系數(shù)，具有加快迭代過程收斂的優(yōu)點。

2.2 網(wǎng)格劃分與計算條件

本文對計算流場進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示，半圓形區(qū)域半徑為15 d，是入流區(qū)；矩形區(qū)域長為25 d，寬為30 d，是流場尾跡區(qū)，d為弦長。翼型附近的網(wǎng)格作加密處理，翼型邊界與尾部放大網(wǎng)格如圖3、圖4所示。對邊界條件進行設(shè)置，半圓弧為速度入口，尾跡后方直線設(shè)為自由流出口，矩形區(qū)域上下兩邊界設(shè)置為對稱邊界，湍流模型設(shè)置為標準k-e模型。

圖2 計算流場與整體網(wǎng)格

圖3 翼型局部網(wǎng)格

圖4 翼尾放大網(wǎng)格

3 計算結(jié)果分析

3.1 升阻力系數(shù)分析

圖5與圖6為不同攻角下升阻力系數(shù)的變化情況。攻角變化范圍設(shè)定為-5°～20°，分別對下彎15°、10°、5°和上彎5°、10°以及原始翼型進行了考查。

圖5 升力系數(shù)隨攻角變化曲線

由圖5得知，在-5°～20°攻角范圍內(nèi)，下彎翼型升力系數(shù)較原始翼型有所提高，而上彎翼型則正好相反，且隨著彎角增大，與原始翼型間的差距也增大。表1則給出了相較于原始翼型，變形翼型在升力系數(shù)上的變化量。

表1 變形翼型與原始翼型之間的升力系數(shù)變化情況

圖7 壓力系數(shù)環(huán)繞示意

從曲線來看，在攻角-5°～10°的范圍內(nèi)，升力曲線基本保持線性，此時翼型表面流體為完全附著流動，而當攻角增大，在10°～20°范圍內(nèi)，曲線呈現(xiàn)非線性，翼型表面流體發(fā)生部分分離；6種翼型升力系數(shù)均隨攻角增大呈現(xiàn)上升趨勢，當攻角大于10°時，多數(shù)曲線上升趨勢放緩。

圖6 阻力系數(shù)隨攻角變化曲線

由圖6得知，當攻角為0°時，變形翼型阻力系數(shù)相比于原始翼型差異最小，隨著攻角增大，在5°～20°范圍內(nèi)，阻力系數(shù)差異逐漸明顯。在-5°～5°攻角范圍內(nèi)，變形翼型與原始翼型之間的阻力系數(shù)差處于0.004～0.11之間，而當攻角在5°～20°之間時，阻力系數(shù)差就達到了0.135～0.261。

原始翼型最小最大阻力系數(shù)分別為0.009和0.27，而經(jīng)過尾緣下彎的翼型最小最大阻力系數(shù)和分別可以達到0.02和0.45，所以當升力系數(shù)變化相同值時，下彎翼型阻力系數(shù)值要更小一點。

3.2 靜壓力系數(shù)對比分析

圖7分別為攻角12°下原始翼型與5種變形翼型的壓力系數(shù)環(huán)繞示意圖。可以看出：每個翼型前、后緣點的壓力系數(shù)梯度最大，隨著翼尾向下彎曲變形的程度的增加，其上下表面壓力系數(shù)差也越來越大，最大壓差為各個翼型上下表面的壓力系數(shù)最大差值，當翼型分別上彎10°、5°時，最大壓差相應為2.25、2.5；當翼型分別下彎5°、10°、15°時，最大壓差相應為2.95、3.25、3.5。對比圖7a與圖7f，可以看出，翼尾下彎能夠有效地提高壓差，從而進一步提高升阻比。

3.3 流動特性對比

圖8展示了翼尾變形后其流動分離特性的變化。

圖8 翼型流動分離特性圖

從圖中可以看出，在12°攻角下，翼型上彎5°、上彎10°和原始翼型均呈現(xiàn)出良好的流體附著性，未見出現(xiàn)流動分離；而所有的下彎翼型均出現(xiàn)不同程度的分離特征，其程度隨著下彎角度增大而增大。

兩種上彎翼型，流線整體上較為致密；原始翼型在尾部出現(xiàn)輕微稀疏，但并未影響后面流場的緊密性；下彎5°后，翼型中后部出現(xiàn)流線稀疏的現(xiàn)象，并在尾部附近最為明顯；下彎10°后，翼尾的流線稀疏現(xiàn)象明顯，且向后方蔓延；下彎15°后，翼型中后方流動分離現(xiàn)象嚴重，且造成后方相當大的范圍內(nèi)流體發(fā)生分離，附著性受到較大影響，出現(xiàn)失速現(xiàn)象。

結(jié)合上述三種參數(shù)的分析，NACA0014原始翼型在攻角-3°～17°內(nèi)具有較高升阻比，翼尾下彎5°、10°和15°后升阻力系數(shù)均見明顯提高，且隨下彎角度增加而增大，升阻比峰值也隨之增大，而翼尾上彎則效果相反，升阻力狀況均受到消極影響。另一方面，尾部下彎也導致翼型的流動特性出現(xiàn)下降，下彎角度的增大使出現(xiàn)流線分離的臨界攻角提前，翼型完全附著流動受到影響，進而導致水輪機葉片常速運轉(zhuǎn)范圍減小，更易出現(xiàn)失速現(xiàn)象；上彎翼型流體附著性良好，但良好區(qū)間在攻角-2°～14°中，較原始翼型區(qū)間長度降低，加之其升阻比受到較大影響，總體性能要比原始翼型差。

4 實驗驗證

4.1 實驗布置

實驗輪機的葉片數(shù)為4，葉輪直徑0.25 m，尖速比為5.5，掃掠面積為0.053 3 m2，安裝角43°，導流罩喉部直徑0.27 m，擴口張角20°。實驗設(shè)置在東海標準計量中心的實驗室中，將安裝不同彎角葉片的輪機置于水槽中，當水流沖擊時，水輪機主軸轉(zhuǎn)動，可以得到不同葉片下輪機的功率。同時，水輪機后接實驗室的潮流能發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，可對水輪機產(chǎn)生電能的情況進行電腦終端實時監(jiān)控，觀察彎角改變對輪機性能帶來的影響。實驗工況與監(jiān)控設(shè)備如圖9所示。

圖9 實驗布置示意

4.2 實驗結(jié)果分析

不同翼型葉片的輪機功率如圖10所示，可以看出：

(1)就不同翼型葉片而言，翼尾下彎程度越大，其性能越好，且隨著翼型下彎角度增大，相鄰曲線間增幅變大，同長度速度區(qū)間內(nèi)，下彎翼型功率曲線斜率更大，增長更快，最大功率值更高，下彎15°翼型樣機在2 m/s流速下可達到最大功率176 W。

(2)翼尾彎角變化引起葉輪最小啟動速度變化，下彎愈大，最小啟動速度愈小，其自啟動性能愈高，適合流速范圍更廣。對比上彎10°和下彎15°兩種翼型，最小啟動流速增幅在0.5 m/s左右。

綜上分析，實驗結(jié)果基本與數(shù)值計算結(jié)果相符，即翼尾下彎能夠提高葉片水動力性能，相比于原始翼型，上彎葉片則表現(xiàn)更差。

圖10 流速-功率實驗曲線

5 結(jié) 論

以NACA0014對稱翼型作為基礎(chǔ)，利用翼型 X-foil設(shè)計軟件進行尾部彎曲，得到五種變形翼型，并用CFD軟件對其進行仿真模擬，針對升阻力系數(shù)、靜壓系數(shù)和流動分離特性三個方面進行研究，總結(jié)出了不同攻角下翼尾彎曲對臥式水輪機葉片水動力性能的影響。

(1)當攻角較小時，尾部下彎翼型在升力系數(shù)上有較大提升，而阻力系數(shù)變化較小，使得升阻比更大；當攻角較大時，升力系數(shù)仍舊隨彎角增大而繼續(xù)增大，阻力系數(shù)雖有增加，但升力系數(shù)峰值也相應提高，升阻比情況相比原始翼型仍有改善。

(2)翼尾下彎使得其上下表面壓力系數(shù)差增大，且翼型前、后緣點的壓力系數(shù)梯度最大。翼尾每下彎5°，壓差可增加0.25左右。

(3)翼尾下彎能夠降低輪機最小啟動速度，提高輪機自啟性能。

(4)下彎翼型更易出現(xiàn)流動分離，程度隨彎角增大而增大，彎角大于5°時，分離現(xiàn)象有逐漸向后方流場蔓延的趨勢。當攻角較大時，出現(xiàn)失速現(xiàn)象，進而導致阻力增大。

(5)兩種上彎翼型升阻力特性及流動分離特性均比原始翼型差，故其水動力性能變差。