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对于全面的便携式流体动力涡轮机原型在河道应用的理论和试验研究

Jacob Riglin a, Fred Carter III a, b, Nick Oblas a, W. Chris Schleicher a, Cosan Daskiran a, c,

Alparslan Oztekin a, *

a P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015, USA

b Sciaky, Inc., Chicago, IL 60638, USA

c Turkish Military Academy, Department of Mechanical Engineering, Ankara, Turkey

文章信息：

文章历史：

2016.04.12完成

2016.07.02修订版完成

2016.07.25出版

2016.07.30网上出版

关键词：微流体动力涡轮机、河流应用、水轮机的性能、湍流、计算流体动力学、实验分析

摘要：一个初步的流体动力涡轮机原型河道应用建造的实验测试在循环在海军水面作战中心水道，卡德洛克部。原型设计的基础上进行了大量的叶片表征和优化分析计算流体动力学（CFD）模拟。测试通道的流速从1m/s变化至1.7m/s。在每个测试的流速，发电机负荷为手动调整，以产生一个以原型单元的输出功率为基础的性能曲线。除了发电机负载手动调整，太阳能充电装置被用来模拟机运行时与地面的可再生能源系统（绿色）。CFD预测生产使用k- SST湍流模型验证的目的的原型。峰值功率系数为0.37，测量在手动发电机负载的前端速度比为2.50。数值预测与实验结果之间的相对误差小于3%时，发电机，变速器，变速箱，和选定的组件的其他损失进行数值预测。太阳能充电转换器改进的原型操作，通过调节电源输出，表明原型可以成功地与绿色集成的便携式应用。

一、介绍

水力发电电目前每年占78%的能源生产总值，约占美国总发电能力的8%。液力海流涡轮机（MCT）使用溪流、河流和潮汐动能，带动转子发电。流体动力技术的优势就是与常规水电站相比更小的土木结构。在美国，对于可回收的流体动力能源目前的估计约120亿千瓦时/年，代表了大多数未开发的水电资源。水电技术优势为给有水源的偏远地区用电提供可持续来源，如南非和南美洲。Kusakana等人进行南非通过的流体动力涡轮机确定可持续发电的可能性研究。他们比较了液力透平性能其他发电系统如风力发电机组，柴油发电机，在初始资本，条件独立光伏系统的能源成本，目前总成本和系统能力不足。他们的结论是水动力涡轮系统是有足够水源地区更好的选择。

液力透平设计开发在河流中的应用主要限于低流速的操作和有限的深度；因此，系统规模和部署潜力受到限制。美国地质调查局（USGS）提供的关于美国和各自地区河流的流速和平均深度的数据表明，美国的大部分河流平均水深约为三米或更低。若考虑0.75m/s到2.5m/s的流速范围，大约51%的河流适合涡轮机的部署。

Mukherji等人和Kolekar等人利用叶素动量（BEM）理论与计算流体力学（CFD）优化水平轴水轮机额定12千瓦的分析。Goundar等人使用了类似的方法来设计一个额定290千瓦的洋流涡轮。Riglin等人和Schleicher等人进行了微流体动力涡轮阿基米德螺旋转子性能特性研究和结构有限元分析。Schleicher等人和Riglin等人研究了基于微流体动力涡轮螺旋桨特性的数值设计。Schleicher等人应用响应面法优化设计液压EFfi高效流体动力涡轮机。Riglin等人应用微流体动力涡轮机扩散器优化研究具有1.36和2.01的面积比两个不同的扩压器设计的性能特点。

Riglin等人为了确定流体表面的机组运行的性能，对微流体动力涡轮进行了多相模拟。Riglin等人和Daskiran等人为确定相邻机组的性能和尾流相互作用对下游水轮机性能的影响研究了微流体动力涡轮机多阵列配置。Schleicher等人介绍了将螺旋桨的结构和更高的价值比观测研究性与传统的流体动力和海洋流设计。Shleicher等人提供了一个基准的最大功率系数0.43的机组。Kolekar等人，Mycek等人和Bahaj等人进行了传统设计的实验分析，其中Mycek等人将得到的两个内联机组的性能结果直接与单机结果比较，Kolekar等人测试了缩放涡轮模型接近的自由表面和增加阻塞比下的测试的涡轮机操作，Bahaj等人在一个0.8米直径的MCT中通过实验确定了拖曳罐的允许功率和推力以及空化起始点时不同的偏航和俯仰角。

Schleicher等人首次在这项关于非传统的流体动力涡轮机的原型生产中做出了突出贡献，并由Riglin等人领导其原型和特性的研究。本论文主要研究一个全面的流体动力涡轮机系统，包括流道、扩散实验分析，机舱和椭球支撑。没有机舱、椭球支撑甚至是其中一些扩散器，本文作者所得出的现象以及优化数值研究都不可能得到。实验结果主要用来验证类似负载下实况运行时系统的数值预测。

本篇流体动力涡轮螺旋桨的论文研究不同于上述关于传统的流体动力涡轮机的实验研究。首先，扩散器增加到涡轮转轮，以提高系统的性能。原型的建模和设计足够紧凑并易于携带。开发的流体动力涡轮机系统可以仅仅在短时间内就被运输和安装在流水中发电。该系统的设计集成到地面可再生能源系统（绿色），允许串联水电和太阳能发电。类似的成就已经由Li等人取得并完成总结，将太阳能和水能转换集结在一个系统中。目前的工作体突出表征流体动力学原型通过简单的电负荷以及太阳能充电转换器模拟果岭的实施。测试是在循环水槽中进行的（CWC）在海军水面作战中心卡德洛克部。这两个测试的结果被用来验证设计，表征和优化中的数值预测。

二、原型设计

2.1叶片设计

刀片设计纳入原型最初由Schleicher等人使用预定目标输出功率，设置工作条件，以及由Cebrian得到的板上层叠升力与阻力的经验关系得到。最后的叶片和扩压器的几何结构是由施莱歇等人使用快速计算过程和中心复合设计方法进行了优化。对于最终的优化设计，全因子实验是在自由流速1.5m/s的速度现在是这样选择的机会对有用的数据表明河发电适用条件广泛可操作流速度进行。叶片生成方程包括叶片角度，弦长，和包角。

对于实际的原型设计，该纳入快速CFD优化B样条实现允许叶片曲率提高预测的功率和推力输出。最后的螺旋桨的叶片设计如图1所示的包角（∆theta;），叶片角度（ beta;lsquo;），相对流角（beta;）为参考涡轮的旋转框架，和南北向长度（∆m）上市。优化的B样条产生叶片的曲率如图2所示。此曲率导致从前缘（LE）到后缘（TE）的相应的叶片角度。流道设计观察图1与面积比（AR）为1.31的扩散器增强。扩散器长度（L）和扩散器的角度（theta;）的实施部分的值分别为0.381m和12°。表1中列出了最终设计中引入的涡轮和扩散器设计参数的完整列表。完整的涡轮机原型设计详细如下图3装配机舱，轮毂，椭圆形支架，叶片和扩散器的几何形状。整体系统的入口可在图3a中观察到，扩散器和导锥的作用超出了改进的性能，并且在本设计中作为整个系统的主要结构支撑。扩散器是整个单元设计的主要组成部分。机舱有一个稍大的直径和允许后端椭圆支架应垂直于固定器。

2.2机电转换

基于由该优化工作，设计了一个预测输出机械功率约431.4 W在自由流速1.5 m/s. A 20 A、连续直流永磁发电机有限公司生产的Windstream选择机械电力转换。利用AC选项允许更大范围的灵活性未来绿色接口的直流发电机。发电机的输出规范fi阳离子随着预期的主要工作点的设计原型是图4中提供的。目前设计的条件下，一个48 V直流输出电流约8个将是1.5m/s和115r叶片流条件下观察。选定的发电机只能连续工作在电流小于10 A与切断在20 A。由于目前的限制，在选定的发电机，操作自由流速度仅限于约1.9m/s。

理想负荷下涡轮叶片优化转速为115转。根据图4所示的操作点，发电机轴的旋转速度约为1150r。

因此，以10:1的比例，在变速箱的选择对涡轮轴与发电机轴。一个PE-W系列变速箱和自定义安装选择从GAM直接连接到发电机。从优化结果对转矩的10:1降压后35.83 m.预测由涡轮机产生的扭矩，结果仍超过0.153N`m的扭矩要求启动发电机。一个男性弹性体耦合选择抑制任何可能的轴振动和轻微的不存在的涡轮轴和齿轮箱之间装配后。

绿色的输入电压范围是18e32 V DC的最大功率为1kW。由于系统的输入电压的限制，DC / DC转换器被选中，使适当的转换到可接受的输入范围内。用于实验的转换器是一个太阳能充电转换器，模拟的转换，将观察到在绿色操作。表2中包含了每个组件的效率。发电机的效率是约0.96附近的最佳，设计操作条件下的值下降到约0.90作为发电机操作偏离选定的设计点。图5中提供了发电机的子组件。

2.3安装和支持

原型是由316 / 304不锈钢和6061times;铝合金制造的组件组成。扩压器支持显示在图3中有一个主要的和次要的0.0254米和0.0508米的支持轴是基于预测的fl由于水在预期的测试条件下的系统的组件选择椭圆截面受力。速度大小的方程式，[U]提供如下

（1）

使用EQ，荷载分布在每个支持估计是FDfrac14;67.88 N对梁的受力可以忽略不计，当考虑支撑结构的完整性。使用的速度远远超过了迎面而来的fl现在将由支持经历了fl流速度。分析提供了一个估计的推力，将产生的椭球支持，并确保油管将能够承受预期的动态负载，并保持结构健全。

为了进行测试，有必要建立一个安装结构。不锈钢箱管加入机舱管芯。箱管的厚度为4英寸，厚度为1英寸/ 8英寸，这部分是钻孔和电弧焊接到机舱上。管焊接上采用直径为0.899 mm的不锈钢丝filler机舱核心，三混合保护气体由氩气，氦气，和C02、恒压焊接参数。该管允许设备被插入和连接到支撑梁固定牢固。除了油管毗连到机舱，椭球支持焊接到前锥和使用相同的气体金属弧焊（GMAW）程序的发动机舱。气体钨极氩弧焊（GTAW）是用来确保一个更精确的水密fiT在机舱尽头。一个水密通垫圈安装在机舱的后盖上，允许清晰的管道将多个电线从发电机输送到负载电池。这些电线用于电力监控系统，发电机的输出，以及各种过程监控。

系泊的目的，一个温和的钢梁建造两个正方形38.1毫米，6.31毫米厚的钢梁。个别梁焊接在一起，采用GMAW系统创造一个更加刚性梁的抗弯曲和扭转引起的汽轮机在运行过程中产生的推力。梁长超过1.8288米。最后，组装的原型单元如图6所示。

三、数值模拟

3.1啮合

在液力涡轮数值优化过程，涡轮域离散与粗网格减少135模拟总计算时间。由于所提到的快速CFD方法所涉及的错误，有必要进行更精细的模拟。在以往的工作中基于涡轮设计，螺旋桨进行了优化，并通过riglin等人和施莱歇等人，结构表征，六面体细胞专门用于网格生成。在目前的工作机构，由于涉及扩散器支持设计的复杂性，混合网格需要准确地模拟原型系统。一个由直径和长度尺寸20.0dt 14.0dt圆柱域用于生成预测结果的单元操作。

一个全尺寸模型进行了无支撑梁或支撑fi设备焊接到机舱的存在。在计算域的整体装配涉及涡轮转子，椭圆形支持，机舱和扩散器如图7所示。三个独立的子域：河流域，扩散器支持域，和涡轮机转轮域。六面体细胞用于河域和水轮机转轮结构域与非结构化四面体和楔形细胞内扩散域使用。总共有2514万个细胞，其中约有717万被分配到捕捉流物理亚军的子域内。该原型叶片前缘的位置5.0dt从计算域的入口。

图8包含的表面网格应用到一个单一的转轮叶片亚军亚军。沿叶片尖端的网格分辨率在图8b观察。在图8a和b的前侧表面啮合的观点，重点放在解决叶片的叶尖，前缘和后缘，和叶片曲率从B样条图2中应用而产生的位置。网格应用在目前的工作体导致Ythorn;平均值范围在25和50之间沿涡轮叶片和轮毂壁，确保流动分离是准确的捕获。为利用湍流模型，Ythorn;值范围从25到100是可接受的准确的结果。

3.2湍流流动模拟

在河内的涡轮机附近的流场可以用雷诺兹数，其特征如下：

（2）

这里Re是雷诺兹数，D是直径，R是流体密度，是自由流速度大小，M是动态粘度。所有的模拟是一个雷诺兹数~ 14.33 106根据气缸的fi宁外边界的计算域的直径进行（通道直径）和~ 1.02 106基于尖端直径。

利用ANSYS模拟计算fluent.steady-state多参考帧进行的每一种情况下使用伪瞬态传导、耦合求解压力速度。旋转参考帧内的涡轮机转轮域，它转化为一个稳定的非惯性框架的离心力和科里奥利力纳入传输方程的非定常惯性框架的流量。

（3）

（4）

其中U_r是相对于旋转参考帧的速度。空间坐标x和时间t，静态压力代表描述的是P，密度由rho;，叶片的旋转角速度Omega;，ε是排列符号和下标i，j，l，q，s，和w是索引占位符。通过使用伪瞬态解算器，任意值的时间步长迭代使用的

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