水輪機(jī)是對潮流能進(jìn)行開發(fā)利用的核心裝置，按主軸與水流方向的位置關(guān)系可以分為水平軸水輪機(jī)與垂直軸水輪機(jī)。垂直軸水輪機(jī)因其受來流方向影響小、密封要求低等優(yōu)勢備受學(xué)者們青睞。然而，傳統(tǒng)的直葉型垂直軸水輪機(jī)自啟動性能差、扭矩波動大等弊病一直未得到有效解決。

基于以上背景，我實(shí)驗(yàn)室海洋可再生能源利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、中山大學(xué)馬勇教授，團(tuán)隊(duì)博士研究生張愛明、朱元瑤等提出一種垂直軸螺旋型水輪機(jī)的方案，基于該方案的水輪機(jī)具有自啟動性能好、輸出波動小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

該研究基于田口設(shè)計(jì)方法，利用CFD數(shù)值模擬軟件，對水輪機(jī)翼型、槳距角、包率、密實(shí)度和小軸位置五個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，形成定型方案。首先，基于田口正交試驗(yàn)將1024種設(shè)計(jì)模型簡化為16個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，形成五因素四水平正交矩陣評價(jià)體系。然后，使用流驅(qū)動旋轉(zhuǎn)方法對多模型進(jìn)行CFD仿真模擬，并對各個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行信噪比分析。最后，基于效率最優(yōu)得出的水輪機(jī)優(yōu)化模型翼型為NACA0020，槳距角β=0°，包率ϖ=1.25，密實(shí)度σ=0.382，小軸位置O=0.5。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的垂直軸螺旋型水輪機(jī)比直葉片水輪機(jī)輸出波動率減小了8.04倍;最低自啟動轉(zhuǎn)矩系數(shù)提高了15.9%，自啟動性能得到優(yōu)化;效率比初始設(shè)計(jì)提高了17.59%。為了驗(yàn)證該結(jié)果的有效性，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了力矩測量裝置，對水輪機(jī)效率進(jìn)行了實(shí)地測試，其測試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合良好。該項(xiàng)研究有助于提升垂直軸水輪機(jī)發(fā)電的持續(xù)性與穩(wěn)定性，有利于潮流能等資源的開發(fā)與利用。