吳軼帆，劉湘晨，宋文龍

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

基于參數(shù)化技術(shù)的海流能水輪機(jī)三維設(shè)計(jì)*

吳軼帆，劉湘晨，宋文龍

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

摘要：基于參數(shù)化CAD設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)海流能發(fā)電裝置葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，將Wilson設(shè)計(jì)方法與MATLAB編程相結(jié)合，得到了相應(yīng)的葉素弦長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)角。綜合考慮加工和葉片翼型過渡等因素，對(duì)葉片參數(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過EXCEL軟件轉(zhuǎn)換成三維參數(shù)化坐標(biāo)導(dǎo)入到Pro/E軟件中，由此生成水輪機(jī)的葉片模型。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化；Wilson設(shè)計(jì)法；三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；Pro/E

水輪機(jī)葉片流體動(dòng)力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響整個(gè)水輪機(jī)獲能和載荷的最重要因素之一，在世界各研究單位之間是嚴(yán)格相互保密的核心技術(shù)。實(shí)際葉片結(jié)構(gòu)為三維模型，所以需要進(jìn)行葉片的三維坐標(biāo)參數(shù)化建模。本文所針對(duì)的設(shè)計(jì)主要是50 kW水平軸海流能發(fā)電裝置的葉片三維成形技術(shù)。

1葉片設(shè)計(jì)的基本理論與方法

葉片設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)考慮2個(gè)角度因素：一個(gè)是攻角，即翼型與相對(duì)風(fēng)速所成的角；另一個(gè)是葉片安裝角，也稱扭轉(zhuǎn)角、傾角或槳距角，這是葉片旋轉(zhuǎn)平面與葉片各截面的翼型所成的角，在變截面葉片中，沿翼展方向，不同位置葉片的安裝角各不相同。攻角主要是分析翼型在二維流場(chǎng)中受水流沖擊所產(chǎn)生的上下表面壓力差，表征水流沖擊的流場(chǎng)趨勢(shì)，而在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候需要考慮類型、結(jié)構(gòu)和規(guī)模等因素，因此扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算很重要[1]。常用的葉片設(shè)計(jì)方法包括Glauert設(shè)計(jì)法和Wilson設(shè)計(jì)法，本文采用Wilson設(shè)計(jì)法。

1.1基本參數(shù)的確定

以50 kW水平軸海流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)為例，首先需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的直徑，從已知的功率參數(shù)起始逆推便可以計(jì)算水輪機(jī)的半徑，計(jì)算公式如下：

式中，P是功率，取P=50 kW;Cp是發(fā)電裝置的獲能系數(shù)，一般情況下為0.25～0.45，折中選取0.35；v是來流速度，平均為1.5 m/s；ρ是水的密度，常溫(20 ℃)時(shí)為1 025kg/m3。

逆推得到葉輪的半徑R為：

根據(jù)所設(shè)計(jì)葉輪半徑，確定輪轂半徑為0.6 m，葉片長(zhǎng)度為4.52 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取水輪機(jī)類型為三葉片水平軸水輪機(jī)，在設(shè)計(jì)葉片時(shí)選取葉片的尖速比λ0=5.6，葉片數(shù)N=3。

由風(fēng)力機(jī)在不同葉片數(shù)下對(duì)應(yīng)的尖速比為λ可知葉片數(shù)為3時(shí)，尖速比為5～8，在該額定流速下，選定水輪機(jī)葉片尖速比為5.6，則轉(zhuǎn)速為：

1.2Wilson設(shè)計(jì)法的過程

計(jì)算葉片參數(shù)時(shí)，基于葉素動(dòng)量理論研究了葉尖損失和升阻比對(duì)葉片在水流沖擊下最佳性能的影響，使每個(gè)葉素的獲能系數(shù)最大，從而使整個(gè)裝置的獲能系數(shù)最大化，具體設(shè)計(jì)過程如下。

1)根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算葉輪半徑R，根據(jù)葉素動(dòng)量理論，將葉片沿展向平均分成16等份，把每個(gè)葉素截面當(dāng)作計(jì)算單元。

3)通過模擬二維流場(chǎng)，求得最佳升阻比對(duì)應(yīng)的攻角α以及相對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD。

4)計(jì)算每個(gè)葉素截面處的入流角φ，并根據(jù)β=φ-α，得出相對(duì)應(yīng)葉素截面處的扭轉(zhuǎn)角β。

5)計(jì)算每個(gè)葉素截面的弦長(zhǎng)C。

6)對(duì)得出的葉片各葉素的弦長(zhǎng)C和扭轉(zhuǎn)角β進(jìn)行線性修正，以滿足加工和結(jié)構(gòu)等方面的要求。

1.3參數(shù)優(yōu)化

Wilson設(shè)計(jì)方法計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)所成曲線如圖1所示，圖1中有2條不同曲線：一條為原始數(shù)據(jù)曲線，另一條為優(yōu)化數(shù)據(jù)曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，原始設(shè)計(jì)葉片參數(shù)，其弦長(zhǎng)的最大值在(0.1～0.2)R處，相鄰兩葉素的弦長(zhǎng)差值較大，形成的葉片截面葉片厚度與弦長(zhǎng)的比值較小，造成葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，然而在葉尖處弦長(zhǎng)卻是零，弦長(zhǎng)在葉尖的變化起伏較大；因此，為了符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加工制造的需要，對(duì)葉片弦長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化處理，使其在葉展方向不再出現(xiàn)突變，而是呈現(xiàn)出平滑的過渡。設(shè)計(jì)中采用一定處理方式進(jìn)行優(yōu)化，并將原始數(shù)據(jù)和優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

圖1　優(yōu)化前后弦長(zhǎng)圖

優(yōu)化后的數(shù)據(jù)顯示：1)與原始設(shè)計(jì)參數(shù)吻合程度較好；2)優(yōu)化后各個(gè)葉素截面處的葉片弦長(zhǎng)差值減小，這樣令整個(gè)翼面平滑過渡，中間不出現(xiàn)任何突變。這充分說明在設(shè)計(jì)葉片過程中，理論值與實(shí)際值存在一定的差距，考慮到加工制造等工藝，不得不放棄一定的最佳獲能系數(shù)，從而獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

同理，對(duì)于扭轉(zhuǎn)角的優(yōu)化如圖2所示。根據(jù)原始數(shù)據(jù)可以看出扭轉(zhuǎn)角的最大值也同樣出現(xiàn)在葉根部，在最大扭轉(zhuǎn)角附近，葉素截面的扭轉(zhuǎn)角相差很大，起伏比較明顯，導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生扭曲，從而不易進(jìn)行加工制造，而在葉尖處扭轉(zhuǎn)角出現(xiàn)負(fù)值，葉片本身同樣出現(xiàn)很大扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低；因此，要對(duì)葉片葉素扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化處理，使其在葉展方向的扭轉(zhuǎn)順滑。將原始數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較可以看出，優(yōu)化所得的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較吻合且扭轉(zhuǎn)角過渡變化平滑。在設(shè)計(jì)根部結(jié)構(gòu)時(shí)，在葉根處采用柱狀連接，扭轉(zhuǎn)角為零[3]。

圖2　優(yōu)化前后扭轉(zhuǎn)角圖

2葉片三維坐標(biāo)變換

二維變換成三維時(shí)需要附加弦長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)角參數(shù)，通常應(yīng)用以點(diǎn)為坐標(biāo)的幾何變換理論求解葉片各截面在空間實(shí)際位置的三維坐標(biāo)，過程如下。

1)從NACA翼型庫(kù)調(diào)取翼型二維坐標(biāo)值(x，y)，一般以單位弦長(zhǎng)為1。

2)在計(jì)算時(shí)需要折算成以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)(x1，y1)，氣動(dòng)中心說明翼型結(jié)構(gòu)中心處與翼型參數(shù)直接的換算主要是在橫向變換。設(shè)x0為氣動(dòng)中心橫坐標(biāo)，一般是距離前緣0.3C處，而y0通常為0，則：

(x1，y1) = (x，y) - (x0，y0)

3)建立單位弦長(zhǎng)三維坐標(biāo)系，把每個(gè)葉素平面當(dāng)成XOY平面，Z軸方向增加一個(gè)參數(shù)，即每個(gè)葉素所對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)半徑r。需要特別指出的是，在計(jì)算獲得氣動(dòng)中心橫坐標(biāo)x0的過程中需要判定正負(fù)，如果x0>0，則直接帶入公式，如果x0<0，則圖像為第二象限，需要對(duì)公式進(jìn)行修正，x′和y′都要加上負(fù)號(hào)[4-5]。

旋轉(zhuǎn)葉素的實(shí)際空間坐標(biāo)公式為：

z=r

z=r

圖3　坐標(biāo)變換示意圖

計(jì)算過程數(shù)據(jù)量比較大，可以通過軟件MATLAB和Excel等變成處理數(shù)據(jù)，在Excel軟件中直接拖動(dòng)數(shù)據(jù)，很容易獲得三維空間坐標(biāo)參數(shù)[6-7]。

3三維幾何建模

上文計(jì)算獲得的三維坐標(biāo)參數(shù)一般保存為dat或者txt文本格式，不能直接導(dǎo)入到三維建模軟件，所以需要修改文件格式。利用軟件Pro/E進(jìn)行三維幾何建模，導(dǎo)入的坐標(biāo)參數(shù)是ibl格式，以截面中的2個(gè)點(diǎn)定義1條直線，3個(gè)以上的點(diǎn)定義1個(gè)樣條曲線。在三維坐標(biāo)參數(shù)前添加Pro/E專用命令行，輸入格式如下：

closed

arclength

begin section!1

begin curve!1

保存完畢后直接修改文件名后綴為ibl，即可被軟件Pro/E直接讀取。直接選取插入曲線，從文件中找到相應(yīng)的截面。曲線導(dǎo)入完成后，需要形成曲面，安裝截面順序選中所有曲線，點(diǎn)邊界混合，Pro/E軟件自動(dòng)生成平滑過渡的曲面。出于后續(xù)分析需要，本文對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)體化操作[8-11]，如圖4～圖6所示。

圖4　單個(gè)葉素截面翼型　　 　　　圖5　葉素截面圖

圖6　三維葉片

選擇軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)上述過程同樣需要導(dǎo)入軟件，由于在SolidWorks軟件中可通過txt文件直接生成葉素截面曲線，因此只要把每個(gè)葉素的上下弦數(shù)據(jù)分別保存為txt文件或者通過Excel軟件另存即可，然后在SolidWorks軟件中選擇“通過xyz曲線”選項(xiàng)繪制每個(gè)葉素的上下弦，便可得各葉素截面曲線，并生成葉素面。與Pro/E軟件類似，選擇“填充”選項(xiàng)把每個(gè)葉素的截面曲線填充為平面，分段生成葉素部分葉片,基于放樣理論選擇“放樣”選項(xiàng)，把每個(gè)葉素截面放樣成三維模型，最終也可生成整體葉片[12]。

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責(zé)任編輯鄭練

Three Dimension Molding of Sea Flow Turbine Impeller on the Basis of Parameterization Technology

WU Yifan, LIU Xiangchen, SONG Wenlong

(Mechanical and Electrical Engineering Institute, Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029, China)

Abstract:On the basis of parametric CAD design technology, made the structural design of sea flow impeller, and also with three-dimensional design. Combined Wlison design method with MATLAB programming, figured out the chord length and torsion angle. Considering synthesizing factors, such as process, blade transition, proceeding particular optimization to the parameters of impeller, and via EXCEL three-dimensional coordinate transformation, imported the three-dimensional software Pro/E, so achieved the molding.

Key words:parametric design, Wilson design method, three-dimensional coordinate transformation, Pro/E

收稿日期：2014-05-06

作者簡(jiǎn)介：吳軼帆(1989-)，男，碩士研究生，主要從事海流能發(fā)電設(shè)備等流體方面的研究。

中圖分類號(hào)：TK 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B