直叶片垂直轴水轮机启动性能数值研究
摘要
海洋能的利用正逐渐发展成为一种新的能源装备产业，尤其以潮流能和波浪能装置
的发展最为迅速，所以如何高效的从潮流能中获取能量是潮流能能量转换装置的重要目
标。其中，作为潮流能主要获能装置之一的垂直轴水轮机设计结构简单、噪音小，并且
在流向360°范围内均可运行，不需要对流装置，可进一步节约投资成本。但实际的潮流
能水轮机由于启动较慢，运行至最高获能效率点需要花费较长的时间，会严重影响年发
电量，所以解决垂直轴水轮机启动困难、缓慢的问题迫在眉睫，而优化叶片翼型和采用
变桨机构是提高垂直轴水轮机启动性能的主要方法之一，所以研究垂直轴水轮机叶片翼
型和变桨对于提升其启动性能和运行条件、提高效率和有效运行时间具有重要意义。
本文首先介绍了变桨垂直轴水轮机的运动模型和受力分析，通过数值模拟软件Star
CCM+完成了垂直轴水轮机算例的验证，证明了本文所选数值模型模拟垂直轴水轮机定
桨运行、定桨启动和变桨启动的可行性。其次，分别对垂直轴水轮机对称翼型和非对称
翼型进行了研究，分析不同叶型水轮机在不同叶片偏角时的各个方位角下的静启动力矩，
并继续研究了其获能效率和启动性能，从中选择出综合性能较好的NACA4424叶片翼
型，并研究了其完成启动所需的最低流速。然后，对比分析了垂直轴水轮机分别以定桨
和自由变桨方式启动过程中的差异，通过选择合适的变桨垂直轴水轮机叶片数和叶轮转
动惯量、叶片转动惯量提高了其启动性能，并继续研究了其完成启动所需的最低流速。
最后，研究了施加负载后对变桨垂直轴水轮机性能的影响，得出了最高获能效率下对应
的最优负载；通过StarCCM+实现了垂直轴水轮机定变桨结合，并继续研究了施加负载
后水轮机在最优速比下运行时获能效率的变化，并得到对定变桨结合垂直轴水轮机施加
负载研究其性能能够更好地模拟水轮机的实际运行状态。
本文通过CFD数值模拟软件研究了垂直轴水轮机的启动性能，总结了提高其启动
性能的关键参数的影响和相应的变化规律，所得到的启动性能提升方案能够为垂直轴水
轮机的技术开发提供坚实的理论基础和设计依据，在工程上可以推广到垂直轴风力机的
设计与应用。
关键词：潮流能；垂直轴水轮机；启动性能；自由变桨；定变桨结合
I
直叶片垂直轴水轮机启动性能数值研究
Abstract
Theutilizationofoceanenergyisgraduallydevelopingintoanewenergyequipment
industry,withthedevelopmentoftidalandwaveenergydevicesbeingparticularlyrapid.
Therefore,theimportantgoaloftidalenergyconversiondevicesistoefficientlyextract
energyfromtidalcurrents.Amongthem,theverticalaxiswaterturbineisamajorenergy
harvestingdevicefortidalcurrentsduetoitssimpledesign,lownoise,andabilitytooperate
ina360°flowdirectionwithoutflowdevices,whichcanfurthersaveinvestmentcosts.
However,theactualtidalcurrentturbinestakealong