姚建均， 李鳳甡， 陳俊華， 蘇振興， 余潔

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 機(jī)能學(xué)院，浙江 寧波 315100)

在過去的幾十年里，隨著世界人口不斷增長(zhǎng)，城市現(xiàn)代化以及工業(yè)化的飛速發(fā)展，能源早已成為影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的重要因素。常用的傳統(tǒng)能源如，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料均無法短時(shí)間內(nèi)再生，而且在消耗的同時(shí)還會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞，二氧化碳的高濃度排放已導(dǎo)致全球變暖，海平面上升等一系列問題。為了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)政府逐漸意識(shí)到新能源替代已迫在眉睫。我國(guó)在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》中明確指出，積極發(fā)展能源替代，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低煤炭消費(fèi)比重，大力發(fā)展可再生新能源[1]。

海洋能作為一種新型綠色可再生能源，主要包括潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能[2]。海洋面積占地球總面積的71%，20世紀(jì)80年代，全世界海洋能理論可再生功率76.6億kW，可實(shí)現(xiàn)利用6.4億kW，是當(dāng)時(shí)世界所有發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?倍[3]。所以國(guó)際上將海洋能的開發(fā)和利用作為戰(zhàn)略性資源開展相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。我國(guó)海洋局在2016年《海洋可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，要以顯著提高海洋可再生能源裝備技術(shù)成熟度為主線，著力推進(jìn)海洋可再生能源工程化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)海洋可再生能源裝備從“能發(fā)電”向“穩(wěn)定發(fā)電”轉(zhuǎn)變。

我國(guó)擁有較長(zhǎng)的海岸線以及遼闊的海域，海洋能儲(chǔ)備豐厚，尤其潮流能，開發(fā)儲(chǔ)量可達(dá)0.3億kW[4]。雖然潮流能具有能量分布不均勻、穩(wěn)定性差等問題，使得潮流能開發(fā)存在一定的技術(shù)障礙，但經(jīng)過學(xué)者們的不斷努力和探索，部分潮流能設(shè)備已實(shí)現(xiàn)全比例尺寸海試[5]。潮流能發(fā)電機(jī)制類似于風(fēng)力發(fā)電，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式主要分為：水平軸式、垂直軸式以及振蕩水翼；此外由于不同的固定方法還可分為固定式、漂浮式和懸浮式。所謂垂直式與水平式將按照水流方向與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸方位進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)國(guó)際可再生能源協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2014年全球潮流能項(xiàng)目中有76%水平軸水輪機(jī)，而垂直軸水輪機(jī)僅占12%[6]。雖然垂直軸裝置相比于水平軸裝置應(yīng)用較少，但以哈爾濱工程大學(xué)和大連理工大學(xué)為代表，研發(fā)起步較早，而且垂直軸水輪機(jī)還具有不區(qū)分流向捕能、葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易加工、工作轉(zhuǎn)速較低和不易空化等優(yōu)點(diǎn)；此外，垂直軸水輪機(jī)的發(fā)電和增速裝置可置于水面上，降低密封要求，易于維修護(hù)理，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

垂直軸水輪機(jī)根據(jù)葉片受力方式可分成升力型、阻力型以及混合型。阻力型水輪機(jī)的典型代表Savonius型水輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為S型水輪機(jī))，由芬蘭工程師Savonius發(fā)明[7]。S型水輪機(jī)作為一種阻力型垂直軸水輪機(jī)，具有工作轉(zhuǎn)速低、啟動(dòng)力矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。S型水輪機(jī)通過流體在迎流的凹凸葉面上形成的阻力差旋轉(zhuǎn)做功，但在特定區(qū)域內(nèi)葉輪存在負(fù)獲能區(qū)[8]，大幅度影響發(fā)電效率。所以為了提高阻力型水輪機(jī)的捕能效率和穩(wěn)定性，近些年國(guó)外學(xué)者圍繞阻力形水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、輔助結(jié)構(gòu)、組合形式優(yōu)化等方面展開了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)以及西北工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)在阻力型風(fēng)力機(jī)方面同樣取得了一定的科研成果，但對(duì)于阻力型水輪機(jī)的研究，我國(guó)剛處于起步階段。此外，阻力型水輪機(jī)和風(fēng)力機(jī)在研究方法以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面存在諸多共性，而且風(fēng)力機(jī)的研究早，成果多。所以本文將參考一部分阻力型風(fēng)力機(jī)，總結(jié)和歸納S型水輪機(jī)在改善其性能方面的研究進(jìn)展，主要包括，S型水輪機(jī)的性能分析方法、基本參數(shù)優(yōu)化情況、導(dǎo)流罩和葉片輔助機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式等方面，討論其特點(diǎn)，最后指出S型水輪機(jī)現(xiàn)階段開發(fā)中面臨的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 S型水輪機(jī)基本參數(shù)定義

典型的S型水輪機(jī)是由2個(gè)中間帶有小部分重疊的半圓形葉片組成[9]。如圖1所示，圖中U為來流速度；θ為當(dāng)前水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角度；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)速度；D為葉輪直徑；d為葉片直徑；e為2個(gè)葉片之間的間隙；H為水輪機(jī)高度。影響S型水輪機(jī)的捕能系數(shù)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：葉片個(gè)數(shù)b、水輪機(jī)級(jí)數(shù)、有無端盤、高徑比AR(H/D)、重疊率δ(d/D)、葉片形狀等參數(shù)。

圖1 S型水輪機(jī)工作示意圖Fig.1 Working dirgram of the Savonius turbine

S型水輪機(jī)捕能效率通常使用功率系數(shù)Cp、力矩系數(shù)Cm以及葉尖速比λ進(jìn)行描述：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度;M為旋轉(zhuǎn)力矩;PTURBINE為水輪機(jī)捕獲的能量;PTHEORY為水輪機(jī)掃過區(qū)域水流所具有的理論能量。

2 S型水輪機(jī)性能研究方法

S型水輪機(jī)的水動(dòng)力性能分析方法與風(fēng)力機(jī)相類似，主要分為3種：基于動(dòng)量定理的流管法，根據(jù)渦方法提出的離散渦方法以及粘性計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)。

2.1 流管法

流管法作為早期最主要的理論方法可以簡(jiǎn)單快捷地計(jì)算出水輪機(jī)功率、推力特性、平均載荷，但缺點(diǎn)在于無法預(yù)報(bào)水輪機(jī)的瞬時(shí)特性。基于動(dòng)量理論的BEM方法最早在1935年由Glauert[10]提出，直到1974年Templin[11]在BEM的基礎(chǔ)上才提出單盤面單流管模型，并成功的應(yīng)用在Darrieus葉輪(垂直軸升力型)總體氣動(dòng)性能的預(yù)報(bào)上，但無法對(duì)盤面入口不同位置的速度變化進(jìn)行捕捉；為了改善這一缺陷并提高計(jì)算精度，著名的單盤多流管模型在1975年被Strickland[12]提出，隨后又考慮到葉輪上游部分對(duì)下游部分的影響，Parachivoiu[13]在1981年提出雙盤面多流管模型，并在此基礎(chǔ)上，1990年Sharpe[14]對(duì)模型針對(duì)擴(kuò)張效應(yīng)以及非定?；剞D(zhuǎn)模型進(jìn)行修正。我國(guó)學(xué)者張亮[15]等為了預(yù)報(bào)垂直軸變攻角水輪機(jī)性能，改良了多個(gè)流管模型。

2.2 離散渦方法

跟流管法相比，離散渦方法可以對(duì)非定常載荷以及流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)，但存在所求結(jié)果容易發(fā)散，計(jì)算量較大等問題。最早在1976年Wilson[16]使用離散渦的方法對(duì)S型葉輪進(jìn)行分析；隨后雖然Van Dusen[17]對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)，但依然需要假定一個(gè)附加流速，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。直到1984年Ogawa[18]通過布置在葉片端部的初始渦脫離時(shí)形成的離散渦，得到一個(gè)更定性的結(jié)果，但也僅能對(duì)靜態(tài)的S型葉片進(jìn)行分析；Fernando和David等[19-20]再次完成對(duì)離散渦模型的改進(jìn)，終于實(shí)現(xiàn)了二維S型風(fēng)力機(jī)周圍非定常不穩(wěn)定流場(chǎng)的模擬。2014年David[21]又使用離散渦方法進(jìn)一步完成了對(duì)S型風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)的分析。

2.3 粘性CFD方法

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，CFD方法已成為現(xiàn)階段分析S型葉輪水動(dòng)力特性以及流場(chǎng)變化的最主要方法。主要優(yōu)勢(shì)在于，CFD數(shù)值仿真方法可對(duì)葉輪和流場(chǎng)任何位置和時(shí)間，各種細(xì)節(jié)和瞬時(shí)特性進(jìn)行精準(zhǔn)捕捉。但對(duì)于三維模擬網(wǎng)格數(shù)量較龐大的仿真模型，計(jì)算時(shí)間成本較高。流體仿真主流商軟有：可結(jié)合UDF二次編程的Fluent、CFX；開源的OPENFOAM以及模型設(shè)置配備豐富的STAR-CCM等。Burcin[22]在2008年使用Fluent對(duì)增加輔助結(jié)構(gòu)的S型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。Mohammed[23]在2013年使用CFX對(duì)三葉片S型水輪機(jī)在波浪環(huán)境下的性能進(jìn)行模擬仿真分析。2017年Ferrari[24]使用OPENFOAM對(duì)三維和二維的S型風(fēng)力機(jī)在不同湍流模型下的水動(dòng)力性能以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。Emeel Kerikous[25]在2018年使用STAR-CCM對(duì)S型水輪機(jī)葉片厚度進(jìn)行優(yōu)化。

除了以上主要3種方法外，還有一種非接觸式流動(dòng)測(cè)量方法，粒子圖像測(cè)試技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)，開始逐漸用于垂直軸葉輪的流場(chǎng)分析[26-28]。圖2為通過PIV技術(shù)后處理得到的S型葉輪周圍流線圖，與其他測(cè)速技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)在于對(duì)流場(chǎng)的無干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和豐富。另外，Vimal Patel[29]提出了一種結(jié)合停滯葉片升壓理論和動(dòng)量定理的分析方法，預(yù)報(bào)S型水輪機(jī)捕能特性。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了可行性，并說明該方法同樣適用于其他葉片形狀的水輪機(jī)。

3 基本參數(shù)對(duì)S型水輪機(jī)性能的影響

S型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的最基本參數(shù)主要包含：端板、高徑比、重疊率、葉片個(gè)數(shù)、級(jí)數(shù)(如圖3所示)以及葉片形狀，對(duì)水輪機(jī)的性能存在諸多影響。將根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)各種參數(shù)變化對(duì)S型輪機(jī)產(chǎn)生的影響逐一進(jìn)行介紹。

圖2 PIV數(shù)據(jù)處理后的流線圖[26]Fig.2 Streamlines obtained by the interpolation of PIV[26]

圖3 S型水輪機(jī)基本參數(shù)Fig.3 Basic parameters of S type hydrodynamic turbine

3.1 端板(End Plate)的影響

有無端板的S型水輪機(jī)如圖3(a)所示，端板可以有效提高S型水輪機(jī)的捕能效率，所以常見的S型水輪機(jī)一般都帶有端板。Mahmoud[30]通過對(duì)單級(jí)高徑比為5的雙葉片S型風(fēng)力機(jī)在有無端板的情況下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；隨后Vimal Patel[31]通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，對(duì)高徑比為1.15的雙葉片水輪機(jī)在有無端板，且重疊率不同情況下的功率系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)有端板水輪機(jī)的最大功率系數(shù)相比之下提高了近2.7倍。端板對(duì)流經(jīng)葉片邊緣的流體起著阻擋作用，有助于防止凹面上的流體外泄，從而加大了葉面上產(chǎn)生的壓力，提高了2個(gè)葉片表面形成的阻力差，并最終提升了S型水輪機(jī)的力矩系數(shù)。另外針對(duì)端板的尺寸優(yōu)化，1992年Fujisawa[32]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)端板直徑是葉輪直徑的1.1倍時(shí)效果最好。

3.2 高徑比(Aspect Ratio)

高徑比顧名思義是水輪機(jī)高度H與葉輪直徑D的比值，如圖3(b)所示，是S型水輪機(jī)最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。1978年Alexander[33]，在風(fēng)洞中試驗(yàn)了多種不同尺寸的S型風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速為6～9 m/s時(shí)的性能，并發(fā)現(xiàn)隨著高徑比的增大，風(fēng)力機(jī)性能得到改善。Placide[34]進(jìn)一步針對(duì)低高徑比值0.6、0.7、0.77、1.0的S型風(fēng)力機(jī)在雷諾數(shù)為12 000和15 000的情況下進(jìn)行試驗(yàn)研究，卻發(fā)現(xiàn)在低高徑比值中，0.7的捕能效果最好。隨后Vimal Patel[31]分別在3個(gè)大小不同的水槽中對(duì)不同高徑比的S型水輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著高徑比的增加水輪機(jī)的捕能系數(shù)有著顯著的提高，但增加到1.8后對(duì)捕能效率的影響并不明顯。Bilawal[35]又對(duì)高徑比為0.77和2.0的S型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，同樣發(fā)現(xiàn)高徑比為2時(shí)，最大功率系數(shù)提高了47%。此外，趙振宙[36]完成了在恒定葉輪直徑以及掃風(fēng)面積兩種情況下對(duì)較大高徑比值1、3、5、6、7下的風(fēng)力機(jī)數(shù)值仿真研究，并得出高徑比為6時(shí)效果較好。雖然學(xué)者們的研究結(jié)果存在一定的差異，但總體上說，由于較少的能量損失，S型輪機(jī)的捕能效果隨著高徑比的升高而改善。考慮到安裝和結(jié)構(gòu)等原因，高徑比不易過大，可以通過增加端板來彌補(bǔ)受影響的捕能效果。

圖4 不同重疊率下有無端板對(duì)S型水輪機(jī)捕能的影響[31]Fig.4 Influence of end plate on the performance of Savonius turbine for different overlap ratios[31]

3.3 重疊率(Overlap Ratio)

S型葉輪最早被提出的時(shí)候并無重疊率，后來學(xué)者門發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片之間留有一定的縫隙時(shí)(如圖3(c)所示)，可以有效提高S型葉輪的發(fā)電效率。我國(guó)學(xué)者邊佩翔[37]針對(duì)于S型水輪機(jī)的重疊率，在不考慮高徑比以及端板影響下，應(yīng)用二維CFD模擬的方法，發(fā)現(xiàn)S型水輪機(jī)在重疊率0.15左右捕能效果最佳，再通過水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的瞬時(shí)力矩(如圖5所示)，說明帶有重疊比的S型水輪機(jī)可有效減小或消除葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的負(fù)力矩。Mabrouki[38]通過試驗(yàn)研究的方法探討重疊率0,0.2,0.3對(duì)無端板，高徑比為2的S型水輪機(jī)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在無端板的情況下重疊率0.3時(shí)水輪機(jī)表現(xiàn)最好。緊接著Patel[31]對(duì)有端板的S型水輪機(jī)展開試驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)高徑比小于0.6時(shí)，水輪機(jī)在重疊率0.11左右得到最大功率系數(shù)。Kamoji[39]通過試驗(yàn)研究對(duì)高徑比為0.88，90°旋轉(zhuǎn)形葉片S型風(fēng)力機(jī)的重疊率進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明，在0、0.1、0.16三個(gè)重疊率中，沒有旋轉(zhuǎn)軸的情況下，重疊率為0的時(shí)候風(fēng)力機(jī)性能最好，最大功率系數(shù)達(dá)到0.17。帶有重疊率的葉輪在迎流的時(shí)候，作用在凹面上的水質(zhì)點(diǎn)通過縫隙反作用在負(fù)獲能葉片上，從而減小回程葉片受到的阻力，這樣不僅可以改善葉輪的捕能效果，還能提高水輪機(jī)的啟動(dòng)力矩，但過大的重疊率會(huì)減小凹面有效迎流面積，而且在重疊區(qū)域產(chǎn)生渦旋從而大幅度影響水輪機(jī)的捕能效率。

圖5 不同重疊比下力矩系數(shù)變化曲線圖[37]Fig.5 Torque coefficient versus the rotation angle with the different overlap ratio[37]

3.4 葉片個(gè)數(shù)(Blade Number)和級(jí)數(shù)(Stage Number)

由雙葉片和單級(jí)數(shù)組成的傳統(tǒng)S型葉輪存在靜力矩(啟動(dòng)力矩)易受葉輪轉(zhuǎn)角影響和旋轉(zhuǎn)過程中動(dòng)力矩波動(dòng)較大等問題，研究發(fā)現(xiàn)通過增加葉片個(gè)數(shù)和級(jí)數(shù)可以有效地改善這一現(xiàn)象，但捕能效率卻受到葉片個(gè)數(shù)增加的影響。常見的S型輪機(jī)葉片個(gè)數(shù)為2、3、4如圖3(d)所示。Parag[40]對(duì)單級(jí)，高徑比0.7的S型水輪機(jī)，采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究方法，討論不同葉片個(gè)數(shù)情況下S型水輪機(jī)性能的變化，發(fā)現(xiàn)2葉片的最大功率系數(shù)為0.28，而3葉片的功率降低至0.17；進(jìn)一步通過葉輪周圍的壓力云圖分析了葉片個(gè)數(shù)對(duì)其捕能效果的影響機(jī)理。級(jí)數(shù)一般有3種，如圖3(e)所示，單級(jí)、成90°相角的雙級(jí)以及成60°相角的三級(jí)。Norzanah[41]對(duì)微型2葉片，高徑比1.78的單級(jí)和雙級(jí)的S型水輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，單級(jí)的捕能效率是雙級(jí)的二倍。Saha[42]對(duì)不同級(jí)數(shù)，葉片個(gè)數(shù)，葉片形狀的12種S型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)所得功率系數(shù)如圖6所示，發(fā)現(xiàn)無論級(jí)數(shù)多少皆是2葉片風(fēng)力機(jī)性能較優(yōu)；而另一方面風(fēng)力機(jī)的捕能效率在級(jí)數(shù)為2的情況下較大。Bilawal[35]通過對(duì)比雙葉片單級(jí)和雙級(jí)S型風(fēng)力機(jī)在各個(gè)角度下的靜力矩如圖7所示，發(fā)現(xiàn)雙極力矩分配較均勻，說明風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)能力有所提高。

3.5 葉片形狀(Blade Shape)

葉片形狀作為S型水輪機(jī)中最主要的組成部分，不僅變化多樣，而且從根本上影響著S型葉輪的性能，近些年吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。起初學(xué)者們?cè)趥鹘y(tǒng)的S型輪機(jī)為半圓形直葉片的基礎(chǔ)上，從葉輪簡(jiǎn)單的剖面形狀優(yōu)化開始研究，并發(fā)現(xiàn)橢圓形和分段式葉片可以有效的提高捕能效率；隨后發(fā)現(xiàn)直葉片在一定旋轉(zhuǎn)角度啟動(dòng)力矩小，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力矩不穩(wěn)定等問題，提出了螺旋形葉片；之后學(xué)者們又結(jié)合先進(jìn)的優(yōu)化算法對(duì)葉片雙側(cè)形狀進(jìn)行改善，完成了對(duì)S型葉片形狀的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 圓形和螺旋形葉片在不同級(jí)數(shù)，葉片個(gè)數(shù)情況下功率系數(shù)變化曲線[42]Fig.6 Variation of power coefcient with velocity for semicircular and twisted Savonius rotor system[42]

圖7 單級(jí)和雙級(jí)下的S型風(fēng)力機(jī)靜態(tài)力矩系數(shù)[35]Fig.7 Static torque coefcient of single and double stage S type wind turbine[35]

1)橢圓形葉片。

橢圓形葉片如圖8(a)所示，并通過曲率(b/a)定義。田文龍[43]采用CFD二維數(shù)值分析方法，對(duì)多個(gè)不同曲率的雙葉片S型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著曲率的減小，風(fēng)力機(jī)的平均最大功率系數(shù)呈先減小再增加的趨勢(shì)，如圖9所示，并進(jìn)一步分析了葉輪在某一角度時(shí)葉片表面壓力分布，找出曲率對(duì)S型風(fēng)力機(jī)影響機(jī)理，再根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的三次多項(xiàng)擬合，得出曲率為0.72時(shí)捕能效果最好。Parag[40]對(duì)圓形葉片和橢圓形葉片的S型水輪機(jī)通過水池試驗(yàn)和數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)橢圓形葉片的性能較差，通過對(duì)比分析了圓形和橢圓形葉片周圍以及尾流中速度矢量場(chǎng)的區(qū)別，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)橢圓形前進(jìn)葉片凹面處的速度明顯大于圓形的，說明葉片所受阻力較小。雖然Parag的試驗(yàn)結(jié)果與田文龍的不同，但并不矛盾，從圖10中葉片的形狀可以看出Parag的葉片曲率很小，而葉片過扁反而對(duì)水輪機(jī)的捕能效果產(chǎn)生負(fù)面影響。

2)分段式葉片。

分段式葉片如圖8(b)所示，葉片的剖面是由一個(gè)直線段和一個(gè)圓弧段組成，使用形狀系數(shù)(p/q)以及弧度角(ψ)共同描述。Kamoji[34]針對(duì)分段式葉片形狀系數(shù)和弧度角2個(gè)參數(shù)對(duì)S形風(fēng)力機(jī)的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)形狀系數(shù)固定時(shí)，弧度角為124°性能最優(yōu)，而當(dāng)弧度角恒定時(shí)，形狀系數(shù)0.2效果最好。對(duì)于S型水輪機(jī)，Kumar[44]采用三維數(shù)值分析的方法，對(duì)螺旋形且扭轉(zhuǎn)角為12.5°的分段式葉片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在弧度角為150°且形狀系數(shù)0.6時(shí)得到最大功率系數(shù)0.426。

3)螺旋形葉片。

螺旋形葉片如圖8(c)所示，葉片的螺旋程度由扭轉(zhuǎn)角定義。針對(duì)傳統(tǒng)型直葉片S型輪機(jī)的靜力矩在不同角度時(shí)分配不均勻的情況，Kamoji[39]較早提出一種扭角為90°的雙葉片風(fēng)力機(jī)，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)有無轉(zhuǎn)軸以及不同重疊率情況下的螺旋形風(fēng)力機(jī)發(fā)電性能進(jìn)行探索；發(fā)現(xiàn)螺旋形葉片可以有效地改善在一些旋轉(zhuǎn)角度情況下負(fù)的靜力矩情況，以及在無轉(zhuǎn)軸，重疊率為0時(shí)得到最大捕能效率0.174。隨后趙振宙[36]利用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)螺旋形風(fēng)力機(jī)的扭轉(zhuǎn)角、葉片個(gè)數(shù)、重疊率進(jìn)行優(yōu)化，得出2葉片，扭轉(zhuǎn)角180°，重疊率0.3時(shí)性能最好。Kumar[45]同樣運(yùn)用三維數(shù)值模擬研究S型水輪機(jī)螺旋形葉片的扭轉(zhuǎn)角對(duì)其最大功率系數(shù)的影響，并在扭轉(zhuǎn)角為12.5°時(shí)得到最大功率系數(shù)0.39。

圖8 常規(guī)葉片變形Fig.8 Convention changing blade shape

圖9 葉輪的葉片表面壓力分布[43]Fig.9 Pressure distribution on the blade[43]

圖10 葉輪的葉片表面壓力分布[40]Fig.10 Velocity vector plots for semi-circular and elliptical bladed turbines[40]

4)新型葉片。

為了進(jìn)一步提高S型葉輪的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，除了以上幾種較常規(guī)的葉片變形外，近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合優(yōu)化算法，對(duì)葉片的厚度和兩側(cè)形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化，提出了多種新型葉片形狀。丁濤[46]提出一種基于多次Bezier曲線的Savonius風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)方法如圖11所示，建立葉片骨線表達(dá)式，通過正交試驗(yàn)的方法對(duì)決定葉片形狀的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行快速選擇，再采用數(shù)值模擬的方法對(duì)優(yōu)化后葉片進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后風(fēng)力機(jī)更適用于低風(fēng)速，而且相比于傳統(tǒng)葉片發(fā)電效率大幅度提高。Qianwei Zhou[47]結(jié)合圖像處理算法，將S型葉片橫截面當(dāng)作圖像，采用基于二維離散余弦變換的遺傳進(jìn)化算法對(duì)葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化，如圖12所示，再通過CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的葉片在λ為1.0和0.083時(shí)，功率系數(shù)分別提高了13.77%和21.11%。

圖11 基于多次Bezier曲線的設(shè)計(jì)方法[46]Fig.11 New design method based on multiple Bezier cruve[46]

圖12 基于圖像處理方法的曲線設(shè)計(jì)方法[47]Fig.12 New design method based picture processing[47]

Tartuferi[48]參考升力型葉片翼型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出2種葉片形狀，如圖13(a)所示，通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)新型葉片形狀可以有效的提高風(fēng)力機(jī)的捕能效率。王偉[49]參考Kriging-PSO優(yōu)化模型，對(duì)S型風(fēng)力機(jī)葉輪雙側(cè)外形進(jìn)行優(yōu)化，通過粒子群參數(shù)尋優(yōu)找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，葉片形狀如圖13(b)所示，再使用CFD分析風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)的葉片效率提高了7.17%。Kerikous[25]同樣對(duì)于葉片雙側(cè)外形的進(jìn)行優(yōu)化，但不同點(diǎn)在于葉片的凹面和凸面之間相互獨(dú)立，并且由12個(gè)幾何參數(shù)描述，形狀優(yōu)化更加細(xì)致，如圖13(c)所示。圖13(d)為最終優(yōu)化形狀，通過CFD分析得到優(yōu)化后的風(fēng)力機(jī)性能提高12%。

圖13 雙側(cè)外形優(yōu)化型葉片F(xiàn)ig.13 Double profile optimized blade

Ostos[50]提出在S型葉片雙側(cè)外形優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在凹面內(nèi)添加多個(gè)相當(dāng)于原葉輪四分之一大小的弧形葉片，并根據(jù)葉片厚度、弧形葉片個(gè)數(shù)以及間距的變化，提出13種S型輪機(jī)如圖14(a)所示。通過二維CFD數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其空氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析，葉片周圍壓力分布如圖14(b)所示，最終發(fā)現(xiàn)圖14(a)中2QCBD/45性能最優(yōu)，相比于傳統(tǒng)型葉片提高到了17.81%。說明相比于復(fù)雜的葉片形狀優(yōu)化，增加簡(jiǎn)單的輔助葉片結(jié)構(gòu)同樣可以提高S型葉輪的發(fā)電性能。

圖14 添加輔助葉片的S型葉輪[50]Fig.14 The S type turbine with additional blades[50]

4 輔助機(jī)構(gòu)對(duì)S型水輪機(jī)性能的影響

4.1 導(dǎo)流罩(板)

導(dǎo)流罩作為S型水輪機(jī)最重要的輔助機(jī)構(gòu)，主要通過聚流，增加來流速度和減小負(fù)獲能葉片所受阻力等方式增加水輪機(jī)的捕能效率。導(dǎo)流罩主要分為單向和全向2種。Kailash[51]將8個(gè)不同位姿的導(dǎo)流板，逐一置于S型水輪機(jī)前方，并通過試驗(yàn)的方法研究不同位姿的導(dǎo)流板對(duì)S型水輪機(jī)發(fā)電效率的影響，發(fā)現(xiàn)其中最佳位姿的導(dǎo)流板對(duì)水輪機(jī)的發(fā)電效率提高盡50%，而且證明了導(dǎo)流板同樣可以增強(qiáng)2級(jí)和3級(jí)水輪機(jī)的捕能效果。Kumar[52]又通過數(shù)值模擬研究了當(dāng)導(dǎo)流罩和導(dǎo)流板結(jié)合使用時(shí)，S型水輪機(jī)的安全系數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)流速大于2 m/s的時(shí)候，轉(zhuǎn)軸承受應(yīng)力較高，安全系數(shù)最小，易疲勞撕裂。Irabu[53]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)流箱如圖15所示，其特點(diǎn)在于入風(fēng)口以及出風(fēng)口的箱壁可移動(dòng)，目的在于當(dāng)風(fēng)速較小的時(shí)候，可以加快箱內(nèi)的風(fēng)速?gòu)亩岣卟赌苄?；而?dāng)風(fēng)速較大時(shí)，還可以起到對(duì)風(fēng)力機(jī)的保護(hù)作用。但缺點(diǎn)在于箱壁的移動(dòng)需通過手動(dòng)或自動(dòng)控制，操作比較復(fù)雜。

以上幾位學(xué)者研究的都屬于單向?qū)Я髡郑秉c(diǎn)在于只對(duì)一個(gè)方向上的來流有效果，而下面介紹的全向?qū)Я髡謱⒉粎^(qū)分來流方向。Tartuferi[48]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)流罩系統(tǒng)如圖16(a)所示，此系統(tǒng)可以隨著來流風(fēng)向的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，通過試驗(yàn)和理論研究風(fēng)力機(jī)性能將提高20%，但具有結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的缺點(diǎn)。湯志鵬[54]設(shè)計(jì)了一種不需要自我調(diào)節(jié)角度的整流式導(dǎo)流罩如圖16(b)所示，導(dǎo)流罩里裝有3葉片S型風(fēng)力機(jī)，此導(dǎo)流罩不區(qū)分風(fēng)向，且可以提高入流風(fēng)速，并降低回程阻力提升水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩。通過CFD數(shù)值仿真的方法對(duì)導(dǎo)流罩相關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)下的導(dǎo)流罩對(duì)S型風(fēng)力機(jī)提升48%的捕能效率。Korprasertsak[55]同樣設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)類似的全方向的導(dǎo)流罩如圖16(c)所示，不同點(diǎn)在于其中固定的導(dǎo)流葉片呈曲線邊三角形，可以較好的起到引導(dǎo)氣流的作用，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)使用導(dǎo)流罩后的風(fēng)力機(jī)發(fā)電性能提高了50%。

圖15 導(dǎo)流箱幾何結(jié)構(gòu)[53]Fig.15 The geometry of guide box[53]

圖16 全向?qū)Я髡諪ig.16 Omni directional diffuser

4.2 葉片輔助機(jī)構(gòu)

S型輪機(jī)捕能效率低下的關(guān)鍵原因在于當(dāng)凸葉片回程時(shí)受到與葉輪旋轉(zhuǎn)反向的阻力妨礙了葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而大幅度影響了葉輪的捕能特性。針對(duì)這一現(xiàn)象，學(xué)者們先后設(shè)計(jì)出多種葉片輔助機(jī)構(gòu)，如伸縮式葉片、可展式葉片、活動(dòng)式葉片以及葉片自適應(yīng)調(diào)整等輔助機(jī)構(gòu)來改善此類問題[56-59]。

活動(dòng)式葉片由田文龍[56]提出，如圖17(a)所示，通過葉片輔助機(jī)構(gòu)的協(xié)助，4個(gè)葉片在繞中軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片本身在來流的作用下也將旋轉(zhuǎn)，并且保持自轉(zhuǎn)的速度是公轉(zhuǎn)的1/2，通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，此種新型風(fēng)力機(jī)在葉尖速比0.5時(shí)獲得最大功率系數(shù)0.449，是普通S型風(fēng)力機(jī)性能的2倍。

圖17 葉片輔助機(jī)構(gòu)Fig.17 The blade auxiliary body

毛昭勇[57]為了減少凸葉片在回程階段所受的阻力，設(shè)計(jì)出一種可控制葉片沿徑向伸縮的輔助機(jī)構(gòu)，如圖17(b)所示，即當(dāng)葉片處于回程階段時(shí)，受內(nèi)部偏心圓盤及拉桿的作用縮回罩內(nèi)，可顯著減小回程阻力，同時(shí)采用數(shù)值仿真的方法對(duì)其水動(dòng)力特性進(jìn)行分析，并發(fā)現(xiàn)可以有效提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率。

湯志鵬[58]設(shè)計(jì)出一種可展式葉片風(fēng)力機(jī)，如圖17(c)所示，使用由2部分組成的翼型葉片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形葉片，并且此翼型葉片具有打開和折疊2種狀態(tài)。打開狀態(tài)下，葉片形狀類似于阻力型葉片，而折疊時(shí)葉片類似于升力型葉片，所以從理論上分析，當(dāng)葉片回程折疊時(shí)不僅可以減少阻力還可產(chǎn)生一定的升力促使葉輪旋轉(zhuǎn)，使得發(fā)電效率提高較多。

Behrouzi[59]提出一種葉片自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖17(d)所示，類似于活動(dòng)式葉片，即葉片不僅公轉(zhuǎn)還可自傳，但區(qū)別在于，首先自適應(yīng)調(diào)整葉片是由4個(gè)半圓形葉片組成而并非直葉片；其次葉片自傳角度將根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度通過內(nèi)部聯(lián)動(dòng)裝置自適應(yīng)調(diào)整，而并不是以一個(gè)固定的速度旋轉(zhuǎn)；所以其優(yōu)勢(shì)在于，回程階段葉片通過自適應(yīng)調(diào)整可將阻力調(diào)整到最小，而葉片在前進(jìn)狀態(tài)時(shí)將還可將阻力調(diào)整至最大，促使葉輪輸出力矩在2種葉片共同調(diào)整的作用下達(dá)到最大。通過水池試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相比于固定葉片的水輪機(jī)，其發(fā)電效率將提高30.7%。

5 結(jié)論

1)雖然流管法、離散渦、粘性CFD、PIV等方法都可對(duì)S型水輪機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但其中粘性CFD方法應(yīng)用最為廣泛，而僅能預(yù)測(cè)葉輪整體性能的流管法和難收斂的離散渦法使用較少；此外PIV由于其可靠的精準(zhǔn)尾流場(chǎng)分析，將具有較大的應(yīng)用前景。

2)基本設(shè)計(jì)參數(shù)端板、高徑比、重疊率、級(jí)數(shù)以及葉片個(gè)數(shù)在不同程度上對(duì)S型輪機(jī)的性能產(chǎn)生著影響。最佳基本參數(shù)下S型水輪機(jī)最大功率系數(shù)在0.3左右；研究多個(gè)基本參數(shù)變化下對(duì)S型輪機(jī)性能耦合影響機(jī)理和規(guī)律期待展開。

3)螺旋形葉片結(jié)合分段式葉片對(duì)S型水輪機(jī)的性能提高最為顯著，最大功率系數(shù)0.43；基于優(yōu)化算法的葉片雙側(cè)外形優(yōu)化，雖然方法較為新穎，但也使葉片結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜難以加工，僅通過簡(jiǎn)單的形狀改變來顯著的提高S型水輪機(jī)的性能仍具有挑戰(zhàn)性。

4)單向?qū)Я髡蛛m然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果顯著，但失去了垂直軸不區(qū)分流向的特性；葉片輔助結(jié)構(gòu)雖然在效果上優(yōu)于導(dǎo)流罩，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備易損壞和系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題亟待改善。

5)在相同的參數(shù)優(yōu)化中S型水輪機(jī)的表現(xiàn)普遍優(yōu)于S型風(fēng)力機(jī)，但研究起步晚，成果少，而且對(duì)于S型水輪機(jī)的試驗(yàn)多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，少有海上全比例樣機(jī)測(cè)試；國(guó)內(nèi)對(duì)于S型水輪機(jī)的研究剛剛起步，建議引起中國(guó)學(xué)者關(guān)注。