[发明专利]一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法

说明书

本发明提供了一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，首先确定设计要求，然后选择能够避免空化现象发生的翼型，然后在区间内给干扰因子取值，直到计算出符合设计要求的实际获得能量，再然后通过计算弦长和安装角确定整个叶片的结合外形，最后在软件中进行建模。本发明提供的设计方法，考虑了水下旋转机械都要避免的空化问题，并且基于空化理论，避免了空泡的产生，使设整个计流程更加高效和准确。

技术领域

本发明涉及发电涡轮设计领域，尤其涉及一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法。

背景技术

随着科技的发展，各国的科学家们为了人类的长远发展，都在研究可再生的清洁能源。海洋面积约占地球表面的71％，并且其蕴藏着丰富的能量，因此关于海洋能的开发和利用技术越来越受人们的重视。目前海洋能发电是对海洋能利用最普遍的方式，也是较为成熟的海洋能利用技术。

传统的风力机叶片设计方法有基于涡流理论的Schmitz模型、Glauert模型和Wilson模型等。这些设计模型经过多年的发展，不断地完善和成熟，但是其只是针对于在风场中的风力机叶片的/设计。直接利用数值计算方法对于叶片的设计和优化虽然提高了设计精度，但设计周期长，工作量较大。针对水下发电涡轮叶片的设计还没有专门的设计模型。因此，需要发明一种水下发电涡轮叶片的设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中没有用于水下大点涡轮叶片的设计方法的问题，本发明提供了一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水下发电涡轮叶片的外形设计方法，包括以下步骤：

S1、首先确定设计要求，所述设计要求包括工作介质、设计点来流速度、设计点转速和设计点输出轴功率，再根据所述设计要求确定涡轮叶片的基本数据，所述基本数据包括叶片个数i、涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖半径r₁，进入步骤S2；

S2、首先计算设计点下的空化数σ，再计算设计点的压力系数C_p，最后根据涡轮叶片的表面的最小压力系数的相反数-C_pmin不大于所述空化数σ的条件，进行翼型的筛选，进入步骤S3；

S3、首先计算通过桨盘流体的总能量E_all，再在0～1范围内为干扰因子e取值，然后根据所述干扰因子e计算理想能量利用系数ξ'，进入步骤S4；

S4、首先分别计算四种损失系数，四种所述损失系数包括叶尖损失系数翼型损失系数环流损失系数实度损失系数再根据四种所述损失系数和所述理想能量利用系数ξ，计算实际能量利用系数ξ，最后根据所述实际能量利用系数ξ和通过桨盘流体的总能量E_all计算实际获得能量E，进入步骤S5；

S5、将所述实际获得能量E和所述设计点输出轴功率比较，如果所述实际获得能量E小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S3，重新在0～1区间内对所述干扰因子e的进行取值，如果所述实际获得能量E不小于所述设计点输出轴功率，则进入步骤S6；

S6、首先将涡轮叶根半径r₀和涡轮叶尖的半径r₁之间的区域平均分成十个剖面，再分别计算十个所述剖面的剖面参数，所述剖面参数包括弦长b_i和安装角进入步骤S7；

S7、根据所述剖面参数对在建模软件上涡轮叶片进行建模。

作为优选，在步骤S2中，所述空化数σ、压力系数C_p和最小压力系数的相反数-C_pmin的数学模型由以下公式确定：

式中，