基于参数化技术的海流能水轮机三维设计*

吴轶帆，刘湘晨，宋文龙

(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

基于参数化技术的海流能水轮机三维设计*

吴轶帆，刘湘晨，宋文龙

(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

摘要：基于参数化CAD设计技术对海流能发电装置叶片结构进行了三维设计，将Wilson设计方法与MATLAB编程相结合，得到了相应的叶素弦长和扭转角。综合考虑加工和叶片翼型过渡等因素，对叶片参数进行了结构优化，并通过EXCEL软件转换成三维参数化坐标导入到Pro/E软件中，由此生成水轮机的叶片模型。

关键词：参数化；Wilson设计法；三维坐标转换；Pro/E

水轮机叶片流体动力学性能及其结构设计是影响整个水轮机获能和载荷的最重要因素之一，在世界各研究单位之间是严格相互保密的核心技术。实际叶片结构为三维模型，所以需要进行叶片的三维坐标参数化建模。本文所针对的设计主要是50 kW水平轴海流能发电装置的叶片三维成形技术。

1叶片设计的基本理论与方法

叶片设计的过程中应考虑2个角度因素：一个是攻角，即翼型与相对风速所成的角；另一个是叶片安装角，也称扭转角、倾角或桨距角，这是叶片旋转平面与叶片各截面的翼型所成的角，在变截面叶片中，沿翼展方向，不同位置叶片的安装角各不相同。攻角主要是分析翼型在二维流场中受水流冲击所产生的上下表面压力差，表征水流冲击的流场趋势，而在实际设计计算的时候需要考虑类型、结构和规模等因素，因此扭转角的计算很重要[1]。常用的叶片设计方法包括Glauert设计法和Wilson设计法，本文采用Wilson设计法。

1.1基本参数的确定

以50 kW水平轴海流能发电装置设计为例，首先需要计算结构的直径，从已知的功率参数起始逆推便可以计算水轮机的半径，计算公式如下：

式中，P是功率，取P=50 kW;Cp是发电装置的获能系数，一般情况下为0.25～0.45，折中选取0.35；v是来流速度，平均为1.5 m/s；ρ是水的密度，常温(20 ℃)时为1 025kg/m3。

逆推得到叶轮的半径R为：

根据所设计叶轮半径，确定轮毂半径为0.6 m，叶片长度为4.52 m。

根据设计要求选取水轮机类型为三叶片水平轴水轮机，在设计叶片时选取叶片的尖速比λ0=5.6，叶片数N=3。

由风力机在不同叶片数下对应的尖速比为λ可知叶片数为3时，尖速比为5～8，在该额定流速下，选定水轮机叶片尖速比为5.6，则转速为：

1.2Wilson设计法的过程

计算叶片参数时，基于叶素动量理论研究了叶尖损失和升阻比对叶片在水流冲击下最佳性能的影响，使每个叶素的获能系数最大，从而使整个装置的获能系数最大化，具体设计过程如下。

1)根据相关设计参数计算叶轮半径R，根据叶素动量理论，将叶片沿展向平均分成16等份，把每个叶素截面当作计算单元。

3)通过模拟二维流场，求得最佳升阻比对应的攻角α以及相对应的升力系数CL和阻力系数CD。

4)计算每个叶素截面处的入流角φ，并根据β=φ-α，得出相对应叶素截面处的扭转角β。

5)计算每个叶素截面的弦长C。

6)对得出的叶片各叶素的弦长C和扭转角β进行线性修正，以满足加工和结构等方面的要求。

1.3参数优化

Wilson设计方法计算获得的数据所成曲线如图1所示，图1中有2条不同曲线：一条为原始数据曲线，另一条为优化数据曲线。可以发现，原始设计叶片参数，其弦长的最大值在(0.1～0.2)R处，相邻两叶素的弦长差值较大，形成的叶片截面叶片厚度与弦长的比值较小，造成叶片结构强度较低，然而在叶尖处弦长却是零，弦长在叶尖的变化起伏较大；因此，为了符合结构强度和加工制造的需要，对叶片弦长进行了优化处理，使其在叶展方向不再出现突变，而是呈现出平滑的过渡。设计中采用一定处理方式进行优化，并将原始数据和优化数据进行分析比较。

图1　优化前后弦长图

优化后的数据显示：1)与原始设计参数吻合程度较好；2)优化后各个叶素截面处的叶片弦长差值减小，这样令整个翼面平滑过渡，中间不出现任何突变。这充分说明在设计叶片过程中，理论值与实际值存在一定的差距，考虑到加工制造等工艺，不得不放弃一定的最佳获能系数，从而获得稳定的结构。

同理，对于扭转角的优化如图2所示。根据原始数据可以看出扭转角的最大值也同样出现在叶根部，在最大扭转角附近，叶素截面的扭转角相差很大，起伏比较明显，导致叶片结构本身产生扭曲，从而不易进行加工制造，而在叶尖处扭转角出现负值，叶片本身同样出现很大扭转，结构稳定性降低；因此，要对叶片叶素扭转角进行优化处理，使其在叶展方向的扭转顺滑。将原始数据和优化后的数据进行分析比较可以看出，优化所得的数据与原始数据比较吻合且扭转角过渡变化平滑。在设计根部结构时，在叶根处采用柱状连接，扭转角为零[3]。

图2　优化前后扭转角图

2叶片三维坐标变换

二维变换成三维时需要附加弦长和扭转角参数，通常应用以点为坐标的几何变换理论求解叶片各截面在空间实际位置的三维坐标，过程如下。

1)从NACA翼型库调取翼型二维坐标值(x，y)，一般以单位弦长为1。

2)在计算时需要折算成以气动中心为原点的二维坐标(x1，y1)，气动中心说明翼型结构中心处与翼型参数直接的换算主要是在横向变换。设x0为气动中心横坐标，一般是距离前缘0.3C处，而y0通常为0，则：

(x1，y1) = (x，y) - (x0，y0)

3)建立单位弦长三维坐标系，把每个叶素平面当成XOY平面，Z轴方向增加一个参数，即每个叶素所对应的回转半径r。需要特别指出的是，在计算获得气动中心横坐标x0的过程中需要判定正负，如果x0>0，则直接带入公式，如果x0<0，则图像为第二象限，需要对公式进行修正，x′和y′都要加上负号[4-5]。

旋转叶素的实际空间坐标公式为：

z=r

z=r

图3　坐标变换示意图

计算过程数据量比较大，可以通过软件MATLAB和Excel等变成处理数据，在Excel软件中直接拖动数据，很容易获得三维空间坐标参数[6-7]。

3三维几何建模

上文计算获得的三维坐标参数一般保存为dat或者txt文本格式，不能直接导入到三维建模软件，所以需要修改文件格式。利用软件Pro/E进行三维几何建模，导入的坐标参数是ibl格式，以截面中的2个点定义1条直线，3个以上的点定义1个样条曲线。在三维坐标参数前添加Pro/E专用命令行，输入格式如下：

closed

arclength

begin section!1

begin curve!1

保存完毕后直接修改文件名后缀为ibl，即可被软件Pro/E直接读取。直接选取插入曲线，从文件中找到相应的截面。曲线导入完成后，需要形成曲面，安装截面顺序选中所有曲线，点边界混合，Pro/E软件自动生成平滑过渡的曲面。出于后续分析需要，本文对结构进行了实体化操作[8-11]，如图4～图6所示。

图4　单个叶素截面翼型　　 　　　图5　叶素截面图

图6　三维叶片

选择软件SolidWorks实现上述过程同样需要导入软件，由于在SolidWorks软件中可通过txt文件直接生成叶素截面曲线，因此只要把每个叶素的上下弦数据分别保存为txt文件或者通过Excel软件另存即可，然后在SolidWorks软件中选择“通过xyz曲线”选项绘制每个叶素的上下弦，便可得各叶素截面曲线，并生成叶素面。与Pro/E软件类似，选择“填充”选项把每个叶素的截面曲线填充为平面，分段生成叶素部分叶片,基于放样理论选择“放样”选项，把每个叶素截面放样成三维模型，最终也可生成整体叶片[12]。

参考文献

[1] 赵丹平,徐宝清.风力机设计理论及方法[M].北京：北京大学出版社，2012.

[2] 李国宁,杨福增,杜白石,等.基于MATLAB与Pro/E的风力机风轮设计及造型[J]. 机械设计，2009(6)：3-6.

[3] 徐贵营. 风力机叶片外形优化与设计[D]. 上海：同济大学，2008.

[4] 闫海津,胡丹梅.风力机叶片的三维建模[J].能源技术，2009(2)：89-91，95.

[5] 陈家权,杨新彦.风力机叶片立体图的计算机设计绘制[J].数字化设计，2005(12)：30-33.

[6] 杨自栋, 杜白石. 风力机叶片三维线框图的设计和显示[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，1997 (6)：69-73.

[7] 陈严,宋聚众,李德源. 风力机叶片三维模型的计算机绘图法[J].汕头大学学报：自然科学版，2008(4):47-50.

[8] 陈家权,杨新彦. 风力机叶片立体图的设计[J]. 机电工程，2006(4):37-40.

[9] 王凡. 风力发电机的叶片设计方法研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[10] 李成良.风机叶片结构分析与优化设计[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[11] 李军向.大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[12] 王志德,胡志勇,曹艳,等. 基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法[J]. 内蒙古工业大学学报，2011(30)：129-133.

责任编辑郑练

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

作者简介：吴轶帆(1989-)，男，硕士研究生，主要从事海流能发电设备等流体方面的研究。

中图分类号：TK 79

文献标志码：B