摘 要：利用CFD軟件Fluent 16.0，對(duì)直葉片H-Darrieus型水輪機(jī)模擬計(jì)算葉片槳距角為4°、8°、12°、[-4°]、[-8°]、[-12°]的定槳距情況，以及葉片按正弦模式及半正弦模式主動(dòng)變槳，變槳幅值為4°、8°、12°的情況，重點(diǎn)對(duì)比兩種槳距策略下水輪機(jī)能量利用率。結(jié)果表明，與正弦模式變槳水輪機(jī)相比，定槳距水輪機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。半正弦模式變槳水輪機(jī)能量利用率提升顯著，應(yīng)重視定槳距策略在實(shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：潮流能；H-Darrieus水輪機(jī)；數(shù)值模擬；自啟動(dòng)；定槳距；主動(dòng)變槳

中圖分類(lèi)號(hào)：P742" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海洋可再生能源蘊(yùn)含豐富，其中潮流能以其規(guī)律性強(qiáng)、可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等優(yōu)勢(shì)極具開(kāi)發(fā)潛力，目前對(duì)潮流能開(kāi)發(fā)發(fā)展迅速［1］，歐洲潮流能技術(shù)已向陣列化方向推進(jìn)［2］。目前潮流能利用裝置主要可分為水平軸潮流能水輪機(jī)、豎軸潮流能水輪機(jī)和撲翼式潮流能裝置3類(lèi)，其中前兩種裝置已被廣泛研究及測(cè)試［3］。與水平軸水輪機(jī)相比，豎軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)可適應(yīng)入射潮流方向，無(wú)需加裝偏航裝置，但其自啟動(dòng)性能差、能量利用率低、輸出力矩波動(dòng)大［4］。力矩波動(dòng)易造成系統(tǒng)疲勞受損，也會(huì)影響電力波動(dòng)，進(jìn)而影響電能質(zhì)量。針對(duì)此，各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了系列研究以提升豎軸水輪機(jī)性能，如研究柔性葉片豎軸水輪機(jī)［5-6］，不同螺旋角的螺旋式三葉片豎軸水輪機(jī)［7-8］，新型螺旋漸開(kāi)線(xiàn)葉片豎軸水輪機(jī)［9］，以及同軸雙轉(zhuǎn)子水輪機(jī)［10］等。該類(lèi)研究通過(guò)優(yōu)化葉片翼型以及改變水輪機(jī)形制來(lái)提升其能量轉(zhuǎn)化效率。此外，還有研究指出葉片表面粗糙度對(duì)水輪機(jī)性能有顯著影響，與光滑葉片的水輪機(jī)相比，粗糙葉片的水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率大大降低，且葉片表面越粗糙水輪機(jī)性能越差，尤其在高雷諾數(shù)下葉片粗糙度的影響更加明顯［11］，在實(shí)際應(yīng)用中葉片結(jié)垢問(wèn)題也應(yīng)重點(diǎn)考慮［12］。

此外，豎軸潮流能水輪機(jī)研究也參考了風(fēng)力機(jī)葉片槳距控制策略。通過(guò)合理改變槳距角的大小來(lái)調(diào)整葉片攻角，可有效提高風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能［13］。槳距策略可分為定槳距策略、主動(dòng)變槳策略和被動(dòng)變槳策略3種。目前針對(duì)前兩種策略的研究較為廣泛。針對(duì)定槳距策略研究一般為通過(guò)改變?nèi)~片預(yù)設(shè)固定槳距角，探究該策略對(duì)水輪機(jī)性能的影響。對(duì)于三葉片豎軸水輪機(jī)，Rawling［14］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉片前緣外偏3°和5°時(shí)，在流速1.5 m/s下能量轉(zhuǎn)換效率比無(wú)槳距角水輪機(jī)分別提高了21.1%和14.8%，在2 m/s下分別提高了17.3%和21.6%；趙廣等［15］通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)葉片前緣外偏有利于在葉輪旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域獲得更大力矩，當(dāng)葉片前緣外偏7°時(shí)，最大能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)38%，相同條件下槳距角為0°的水輪機(jī)僅為28.6%，通過(guò)物模試驗(yàn)測(cè)得葉片前緣外偏3°和5°時(shí)，最大能量轉(zhuǎn)換效率分別為33.1%和34.8%。由此可得，針對(duì)定槳距策略，葉片前緣外偏對(duì)水輪機(jī)獲能有一定的積極影響。

對(duì)于主動(dòng)變槳策略，一般需對(duì)水輪機(jī)施加電機(jī)，控制葉片隨方位角的變化做一定規(guī)律性的周期變槳運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，該策略會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度且增加運(yùn)維的成本和難度。Paillard等［16］通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)定轉(zhuǎn)速水輪機(jī)進(jìn)行了主動(dòng)變槳研究，發(fā)現(xiàn)在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片經(jīng)過(guò)上游區(qū)域適當(dāng)減小攻角，經(jīng)過(guò)下游區(qū)域時(shí)適當(dāng)增大攻角，有助于提高水輪機(jī)的能量利用率。陳冰等［17］對(duì)主動(dòng)變槳的自啟動(dòng)豎軸水輪機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，葉片在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中按正弦規(guī)律變槳，得出該控制策略下葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的正向力矩，且葉片正弦規(guī)律變槳的最優(yōu)幅值在5°～10°之間。周東海等［18］研究了一種前緣可偏轉(zhuǎn)的新型裝置，該裝置可有效改善水輪機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)失速特性，從而提升其效率。李凱迪等［19］研究了尾緣主動(dòng)偏轉(zhuǎn)垂直軸水輪機(jī)，探究了尾緣偏轉(zhuǎn)角度和長(zhǎng)度對(duì)裝置性能的影響，提出提升水輪機(jī)獲能的新控制策略。除此之外，各國(guó)學(xué)者也對(duì)不同偏心率的擺線(xiàn)式水輪機(jī)進(jìn)行了探究［20-21］。

綜上，豎軸水輪機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中槳距角的合理變化可有效提高其性能，但目前研究多為定轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，針對(duì)自啟動(dòng)豎軸水輪機(jī)的定槳距策略和主動(dòng)變槳策略之間的系統(tǒng)尚鮮見(jiàn)報(bào)道，暫時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確指導(dǎo)未來(lái)工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。針對(duì)該問(wèn)題，本文對(duì)不同預(yù)設(shè)槳距角的定槳距水輪機(jī)以及葉片變槳規(guī)律為正弦和半正弦規(guī)律的主動(dòng)變槳策略進(jìn)行對(duì)比，探討兩種策略下水輪機(jī)的自啟動(dòng)性能及能量利用率情況，分析兩種策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，以期為提高自啟動(dòng)豎軸潮流能水輪機(jī)的性能提供合理的建議。

1 計(jì)算模型

本研究針對(duì)單臺(tái)H-Darrieus水輪機(jī)（如圖1所示），計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維，水輪機(jī)三葉片間隔120°等距圓周排列，且將葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)定義為正方向。葉片與支撐臂連接點(diǎn)位于距葉片前緣1/4弦長(zhǎng)處，該連接點(diǎn)為葉片主動(dòng)變槳時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸心。葉片槳距角用[φ]表示如圖1。由于定義逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向，根據(jù)右手定則，水輪機(jī)正力矩方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，因此定義葉片前緣內(nèi)偏為正向，外偏為負(fù)向。葉片所在方位角用[θ]表示，定義[Y]軸正向的方位為0°，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，因此葉片方位角范圍為[0°≤θlt;360°]。水輪機(jī)葉片翼型采用NACA0018，葉片弦長(zhǎng)[C]為0.12 m，葉片展長(zhǎng)[L]為1.0 m，葉輪半徑[R]為0.5 m，葉輪轉(zhuǎn)軸直徑[Do]為0.04 m，密實(shí)度[σ]為0.1146（[σ=N·CπD]），其中[N]為葉片數(shù)量，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J]=10.0 kg·m2。

計(jì)算的來(lái)流流速大小恒定為1.5 m/s，方向與[X]軸正向平行，流體驅(qū)動(dòng)模式下水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制方程為：

[TR=TW-TL-TF=Jdωtdt] （1）

式中：[TR]——水輪機(jī)所受合力矩，N·m；[TW]——水動(dòng)力力矩，N·m；[TL]——負(fù)載力矩，N·m；[TF]——摩擦力矩，設(shè)為1 N·m；[ωt]——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角速度，rad/s。

負(fù)載力矩TL可表示為：

[TL=L?ωt] （2）

式中：[L]——負(fù)載阻尼系數(shù)，計(jì)算中通過(guò)改變[L]取值來(lái)改變水輪機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出，以獲取自啟動(dòng)水輪機(jī)能量利用率隨尖速比變化的曲線(xiàn)，N·m·s/rad。

瞬時(shí)能量利用率和平均能量利用率可表示為：

[CPIt=Lω2t12ρv3DS] （3）

[CPA=tt+5TCPI（t）dt] （4）

計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖2所示。計(jì)算域長(zhǎng)[30R]、寬[20R]，左側(cè)為速度入口，右側(cè)為壓力出口。水輪機(jī)及葉片所在圓域的旋轉(zhuǎn)采用滑移網(wǎng)格，并通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)（UDF）控制水輪機(jī)自啟動(dòng)以及葉片變槳運(yùn)動(dòng)。計(jì)算網(wǎng)格共約40萬(wàn)個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.005 s，葉片壁面y+值控制在約為1。對(duì)流項(xiàng)離散格式采用二階迎風(fēng)格式。相關(guān)研究指出，SST k-ω湍流模型更適用于分析豎軸水輪機(jī)的水動(dòng)力特性[22]，因此本研究中湍流模型采用SST k-ω。

數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證所用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用豎軸水輪機(jī)定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)［23］，該試驗(yàn)中豎軸水輪機(jī)的直徑、葉片翼型及弦長(zhǎng)、入射流速均與本研究中模型相同。通過(guò)利用該模型計(jì)算水輪機(jī)定轉(zhuǎn)速分別為3.6、4.2、4.7、5.2、5.4、5.7、6.0、6.3、6.6、6.8、7.2、7.4、7.8、8.4 rad/s的工況，得出水輪機(jī)平均能量利用率[CPA]，將其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的[CPA]曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，水輪機(jī)在尖速比TSR約為2.27時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)[CPA=31.4%]，在該值處，數(shù)值模擬結(jié)果和物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，在該值前，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相差不大，且曲線(xiàn)整體趨勢(shì)吻合。數(shù)值模擬結(jié)果在TSR為2.4時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)[CPA=32.5%]，該值之后，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差，但從整體而言，二者數(shù)據(jù)趨勢(shì)表現(xiàn)相近。說(shuō)明該模型計(jì)算結(jié)果合理，可用于后續(xù)計(jì)算。

2 槳距策略概述

本研究分析了定槳距策略和主動(dòng)變槳策略下水輪機(jī)能量利用率及自啟動(dòng)性能，其中主動(dòng)變槳策略分為正弦變槳模式和半正弦變槳模式兩類(lèi)。在定槳距策略下，水輪機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中槳距角固定。水輪機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向，槳距角葉片前緣內(nèi)偏為正，外偏為負(fù)。共計(jì)算7種定槳距角的水輪機(jī)，槳距角分別為[φ=0°、4°、8°、12°、-4°、-8°、-12°]。葉片正弦模式變槳規(guī)律如圖4a、圖4b所示。葉片槳距角[φ]隨方位角[θ]變化規(guī)律表達(dá)式為[φθ=-φA·sinθ]，其中[φA]為振幅。葉片半正弦模式變槳規(guī)律如圖4c和圖4d所示。當(dāng)方位角[0°≤θlt;180°]時(shí)，[φ（θ）=-φH·sinθ]，其中[φH]為振幅，當(dāng)方位角[180°≤θlt;][360°]時(shí)，[φ=0°]。

3 結(jié)果及分析

選取[φ=0°]的水輪機(jī)作為基本對(duì)照工況，計(jì)算其在負(fù)載阻尼系數(shù)L=2、4、6、8、10 N·m·s/rad時(shí)的自啟動(dòng)及能量利用率情況。結(jié)果表明，當(dāng)且僅當(dāng)[L=2]時(shí)，水輪機(jī)可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，此時(shí)水輪機(jī)能量利用率[CPA]為13.14%，對(duì)應(yīng)尖速比TSR3.51。

3.1 定槳距策略

在定槳距策略下，給定水輪機(jī)固定初始槳距角[φ=4°]、8°、12°、[-4°]、[-8°]、[-12°]，分別計(jì)算負(fù)載阻尼系數(shù)[L=2]、4、6、8、10 N·m·s/rad時(shí)水輪機(jī)在水動(dòng)力作用下的自啟動(dòng)及獲能情況。結(jié)果表明：葉片前緣內(nèi)偏，即[φ=4°]、8°、12°時(shí)，水輪機(jī)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，因此只討論葉片前緣外偏，即[φ=-4°]、[-8°]、[-12°]的工況。

定槳距策略下水輪機(jī)特性曲線(xiàn)圖如圖5所示。隨著負(fù)載阻尼系數(shù)[L]的增大，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降，尖速比減小，圖5a曲線(xiàn)上的點(diǎn)從下往上分別為負(fù)載阻尼系數(shù)[L=2]、[4]、6、8、10 N·m·s/rad的工況。當(dāng)[φ=-4°，L=10]時(shí)，水輪機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，該定槳距下，[L=8]時(shí)水輪機(jī)獲得的能量利用率最高，此時(shí)[CPA=36.19%]，對(duì)應(yīng)尖速比TSR=2.82。當(dāng)[φ=-8°]時(shí)，水輪機(jī)可施加更大負(fù)載獲得更高的能量利用率，[L=10]時(shí)能量利用率曲線(xiàn)達(dá)到峰值，此時(shí)[CPA=37.09%]，對(duì)應(yīng)尖速比TSR=2.41。當(dāng)[φ=-12°]時(shí)，雖然水輪機(jī)可施加更高負(fù)載，但能量利用率明顯降低。與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，相同負(fù)載下，[φ=-4°]、[-8°]時(shí)水輪機(jī)能量利用率分別為14.76%和13.83%，分別提高了12.33%和5.25%。相同尖速比條件下，[φ=-4°]的水輪機(jī)比[φ=-8°]的水輪機(jī)能量利用率更高。不同定槳距水輪機(jī)在[L=2]時(shí)的自啟動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)如圖5b所示。與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，[φ=-4°]、[-8°]、[-12°]的水輪機(jī)能更快實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)并達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)速。綜上，對(duì)于定槳距水輪機(jī)，葉片前緣適當(dāng)外偏有利于提高其自啟動(dòng)性能，且當(dāng)[φ=-4°]、[-8°]時(shí)，有助于提升水輪機(jī)能量利用率。

不同定槳距水輪機(jī)在[L=2]時(shí)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)一周葉片所受力矩曲線(xiàn)如圖5c所示。當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域附近（方位角[θ]為20°～170°）時(shí)，[φ=0°]的水輪機(jī)可獲得更高的水動(dòng)力力矩，且隨著葉片前緣外偏角度的增大，葉片產(chǎn)生力矩明顯降低；經(jīng)過(guò)下游區(qū)域附近（方位角θ分別為170°～360°、0°～20°）時(shí)，[φ=-4°]、[-8°]、[-12°]的水輪機(jī)產(chǎn)生的負(fù)力矩值更低。綜上，對(duì)于定槳距水輪機(jī)，葉片前緣外偏的整體優(yōu)勢(shì)主要產(chǎn)生于葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的下游區(qū)域附近，且葉片前緣外偏角度不宜過(guò)大。

3.2 主動(dòng)控制策略

3.2.1 正弦模式

該部分計(jì)算中，給定葉片3種極限變槳幅值[φA=4°]、8°、12°，每種幅值下給水輪機(jī)施加5種不同負(fù)載，負(fù)載阻尼系數(shù)[L]分別為2、4、6、8、10 N·m·s/rad。計(jì)算的入射流速大小恒定為1.5 m/s。正弦模式下水輪機(jī)特性曲線(xiàn)如圖6所示。圖6a中，當(dāng)[L=2]時(shí)，[φA=4°]和8°的水輪機(jī)能量利用率更高，分別達(dá)到14.87%和13.57%，比[φ=0°]的水輪機(jī)分別提高13.20%和3.27%。當(dāng)[φA=4°]，[L=10]時(shí)水輪機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，但相同尖速比條件下[φA=4°]的水輪機(jī)可獲得更高的能量利用率。[φA=8°]和12°的水輪機(jī)可施加更高的負(fù)載以獲取更高的能量利用率，相同負(fù)載下，下[φA=4°]的水輪機(jī)能量利用率最高。選取[L=2]的4組工況，對(duì)比自啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)程曲線(xiàn)如圖6b所示，可明顯看出，與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，[φA=4°]、8°、12°的水輪機(jī)能更快達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，且[φA=4°]、8°的水輪機(jī)的平均轉(zhuǎn)速更高，自啟動(dòng)性能更優(yōu)。綜上，葉片正弦模式變槳的水輪機(jī)在自啟動(dòng)性能及能量利用率方面均有所提升。

選取[L=2]的4組工況，對(duì)比水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周葉片所受的力矩曲線(xiàn)如圖6c所示，可得葉片按正弦模式變槳的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域附近（方位角[θ]為0°～180°）。在該方位區(qū)間內(nèi)，與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，葉片做正弦模式變槳會(huì)產(chǎn)生更高的水動(dòng)力力矩，但葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的下游區(qū)域附近（方位角[θ]為180°～360°）時(shí)，[φ=0°]的水輪機(jī)產(chǎn)生的負(fù)力矩值更小，且隨著[φA]值的增大，負(fù)力矩值增加明顯，尤其當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)方位角[θ=270°]附近（對(duì)應(yīng)圖中橫軸0.75附近）。綜上，與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，葉片按正弦規(guī)律變槳的水輪機(jī)在能量利用率方面的優(yōu)勢(shì)主要得益于葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域。

3.2.2 半正弦模式

根據(jù)上述討論，葉片正弦模式變槳的主要優(yōu)勢(shì)在于葉片經(jīng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的上游區(qū)域，葉片定槳距策略的主要優(yōu)勢(shì)在于葉片經(jīng)過(guò)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的下游區(qū)域，因此本節(jié)結(jié)合上述兩種策略?xún)?yōu)勢(shì)，討論葉片半正弦模式變槳規(guī)律下的水輪機(jī)性能。給定水輪機(jī)3種[φH]值，分別為4°、8°和12°，每種幅值下給水輪機(jī)施加5種不同負(fù)載，負(fù)載阻尼系數(shù)[L]分別為2、4、6、8、10 N·m·s/rad。計(jì)算的入射流速大小恒定1.5 m/s。

水輪機(jī)平均能量利用率曲線(xiàn)如圖7所示。與[φ=0°]的水輪機(jī)相比，葉片按半正弦規(guī)律變槳的水輪機(jī)在能量利用率方面優(yōu)勢(shì)顯著。[L=10]時(shí)，[φH=4°]的水輪機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。[L=2]時(shí)，[φH=4°]、8°、12°的水輪機(jī)的能量利用率達(dá)到16.43%、17.86%、17.95%，分別比[φ=0°]的水輪機(jī)提高25.04%、35.92%、36.61%。相同負(fù)載下，[φH=8°]和12°的水輪機(jī)能量利用率相近，且高于[φH=4°]的水輪機(jī)。由單葉片自啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)程曲線(xiàn)（圖7b）可得，葉片半正弦模式運(yùn)動(dòng)的水輪機(jī)自啟動(dòng)性能更優(yōu)，且由水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周葉片所受的力矩曲線(xiàn)（圖7c）可得，與正弦模式水輪機(jī)相比，半正弦模式下水輪機(jī)在經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的下游區(qū)域葉片所受負(fù)力矩情況有明顯改善。綜上，在不考慮實(shí)際可行性的情況下水輪機(jī)按半正弦模式變槳優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 定槳距策略與主動(dòng)控制策略對(duì)比

所有計(jì)算工況中水輪機(jī)的能量利用率情況如表2所示。定槳距策略與兩種主動(dòng)控制策略下水輪機(jī)能量利用對(duì)比如圖8所示。由圖8a可明顯得出，[φ=-4°]、[φA=4°]與[φ=-8°]、[φA=8°]之間不同槳距策略下的水輪機(jī)相比，相同負(fù)載下水輪機(jī)能量利用率相差很小，且考慮到水輪機(jī)主動(dòng)控制需施加電機(jī)，增加裝置的復(fù)雜程度和運(yùn)維成本，且電機(jī)運(yùn)行本身需消耗一定電能，因此定槳距策略比半正弦模式在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)重視定槳距水輪機(jī)的應(yīng)用。由圖8b可得，在計(jì)算的所有工況中，相同負(fù)載下，定槳距水輪機(jī)能量利用率最高達(dá)35.78%，半正弦模式高達(dá)42.44%。半正弦模式能量利用率優(yōu)勢(shì)明顯。但未考慮實(shí)際應(yīng)用中主動(dòng)控制施加電機(jī)所需耗電情況。

4 結(jié) 論

本文以直葉片H-Darrieus型自啟動(dòng)水輪機(jī)為研究對(duì)象，探討不同槳距策略對(duì)其自啟動(dòng)性能及能量利用率的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）對(duì)于定槳距策略，葉片前緣合理外偏會(huì)提高水輪機(jī)自啟動(dòng)性能及能量利用率，相同負(fù)載下[φ=-4°]的水輪機(jī)能量利用率最高，[φ=-8°]的水輪機(jī)能攜帶更高負(fù)載獲得更高的能量利用率。

2）對(duì)于主動(dòng)控制策略，正弦模式變槳，相同負(fù)載下[φA=4°]的水輪機(jī)能量利用率最高；半正弦模式變槳下，[φH=4°]、8°、12°的水輪機(jī)在自啟動(dòng)性能和能量利用率方面均有所提升，其中[φH=8°]和12°的水輪機(jī)在能量利用率方面相差甚微，相同負(fù)載下明顯優(yōu)于[φH=4°]的水輪機(jī)。

3）定槳距策略與主動(dòng)變槳策略對(duì)比，在能量利用率方面，定槳距水輪機(jī)與正弦模式變槳水輪機(jī)相近，但半正弦模式下水輪機(jī)提升顯著。

4）考慮實(shí)際應(yīng)用中裝置的復(fù)雜程度、運(yùn)維成本等問(wèn)題，應(yīng)重視定槳距水輪機(jī)的應(yīng)用，重點(diǎn)考慮定槳距[φ=-8°]水輪機(jī)。

本工作僅采用了數(shù)值模擬方法探究，下一步應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于主動(dòng)變槳策略，未討論其在實(shí)際應(yīng)用中施加電機(jī)所消耗的電量，因此對(duì)其實(shí)際能量轉(zhuǎn)化率的估算值存在偏差，需進(jìn)一步探究。

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COMPARATIVE STUDY OF H-DARRIEUS SELF-STARTING VERTICAL AXIS TIDAL TURBINE WITH FIXED-PITCH AND ACTIVE-PITCH

Yu Bangting1，Wu Yonghu1，Zhang Yiping1，Yu Guangxin1，Zhu Lining2，Wang Xiaoyong2

（1. CNOOC China Limited， Beijing Research Center， Beijing 100028， China；

2. National Ocean Technology Center， Tianjin 300112， China）

Abstract：In this paper， the CFD software ANSYS Fluent 16.0 is used to simulate a straight-bladed H-Darrieus turbine with preset fixed pitch angle of" 4°，8°，12°， [-4°]，[-8°] and [-12°]， respectively， as well as active pitched blades in sinusoidal mode and half-sinusoidal mode， with the pitch amplitude of 4°，8° and 12°， with a focus on comparing the energy efficiency of the turbine under the two pitch strategies. The results show that compared with the sinusoidal-pitch turbine， the fixed-pitch turbine has more advantages in practical applications； the half-sinusoidal-pitch turbine has a significant improvement in energy efficiency； and the application of the fixed-pitch strategy should be emphasized in practical.

Keywords：tidal energy； H-Darrieus turbine； numerical simulation； self-starting； fixed pitch strategy； active pitch strategy