姚建均， 李鳳甡， 陳俊華， 蘇振興， 余潔

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.浙江大學寧波理工學院 機能學院，浙江 寧波 315100)

在過去的幾十年里，隨著世界人口不斷增長，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)濟和社會快速發(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間內(nèi)再生，而且在消耗的同時還會對自然環(huán)境造成破壞，二氧化碳的高濃度排放已導致全球變暖，海平面上升等一系列問題。為了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國政府逐漸意識到新能源替代已迫在眉睫。我國在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》中明確指出，積極發(fā)展能源替代，優(yōu)化能源結構，降低煤炭消費比重，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80年代，全世界海洋能理論可再生功率76.6億kW，可實現(xiàn)利用6.4億kW，是當時世界所有發(fā)電機總容量的2倍[3]。所以國際上將海洋能的開發(fā)和利用作為戰(zhàn)略性資源開展相關技術儲備。我國海洋局在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成熟度為主線，著力推進海洋可再生能源工程化應用，實現(xiàn)海洋可再生能源裝備從“能發(fā)電”向“穩(wěn)定發(fā)電”轉變。

我國擁有較長的海岸線以及遼闊的海域，海洋能儲備豐厚，尤其潮流能，開發(fā)儲量可達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)存在一定的技術障礙，但經(jīng)過學者們的不斷努力和探索，部分潮流能設備已實現(xiàn)全比例尺寸海試[5]。潮流能發(fā)電機制類似于風力發(fā)電，根據(jù)結構形式主要分為：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旋轉軸方位進行區(qū)分。根據(jù)國際可再生能源協(xié)會統(tǒng)計，2014年全球潮流能項目中有76%水平軸水輪機，而垂直軸水輪機僅占12%[6]。雖然垂直軸裝置相比于水平軸裝置應用較少，但以哈爾濱工程大學和大連理工大學為代表，研發(fā)起步較早，而且垂直軸水輪機還具有不區(qū)分流向捕能、葉片結構簡單、成本低、易加工、工作轉速較低和不易空化等優(yōu)點；此外，垂直軸水輪機的發(fā)電和增速裝置可置于水面上，降低密封要求，易于維修護理，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

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

1 S型水輪機基本參數(shù)定義

典型的S型水輪機是由2個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為當前水輪機旋轉角度；ω為葉輪旋轉速度；D為葉輪直徑；d為葉片直徑；e為2個葉片之間的間隙；H為水輪機高度。影響S型水輪機的捕能系數(shù)的基本設計參數(shù)主要包括：葉片個數(shù)b、水輪機級數(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型水輪機工作示意圖Fig.1 Working dirgram of the Savonius turbine

S型水輪機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進行描述：

(1)

(2)

(3)

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

2 S型水輪機性能研究方法

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

2.1 流管法

流管法作為早期最主要的理論方法可以簡單快捷地計算出水輪機功率、推力特性、平均載荷，但缺點在于無法預報水輪機的瞬時特性。基于動量理論的BEM方法最早在1935年由Glauert[10]提出，直到1974年Templin[11]在BEM的基礎上才提出單盤面單流管模型，并成功的應用在Darrieus葉輪(垂直軸升力型)總體氣動性能的預報上，但無法對盤面入口不同位置的速度變化進行捕捉；為了改善這一缺陷并提高計算精度，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，并在此基礎上，1990年Sharpe[14]對模型針對擴張效應以及非定?；剞D模型進行修正。我國學者張亮[15]等為了預報垂直軸變攻角水輪機性能，改良了多個流管模型。

2.2 離散渦方法

跟流管法相比，離散渦方法可以對非定常載荷以及流場細節(jié)進行預測，但存在所求結果容易發(fā)散，計算量較大等問題。最早在1976年Wilson[16]使用離散渦的方法對S型葉輪進行分析；隨后雖然Van Dusen[17]對計算模型進行改進，但依然需要假定一個附加流速，難以實現(xiàn)準確預報。直到1984年Ogawa[18]通過布置在葉片端部的初始渦脫離時形成的離散渦，得到一個更定性的結果，但也僅能對靜態(tài)的S型葉片進行分析；Fernando和David等[19-20]再次完成對離散渦模型的改進，終于實現(xiàn)了二維S型風力機周圍非定常不穩(wěn)定流場的模擬。2014年David[21]又使用離散渦方法進一步完成了對S型風力機尾流場中渦結構的分析。

2.3 粘性CFD方法

隨著計算機性能的不斷提高，CFD方法已成為現(xiàn)階段分析S型葉輪水動力特性以及流場變化的最主要方法。主要優(yōu)勢在于，CFD數(shù)值仿真方法可對葉輪和流場任何位置和時間，各種細節(jié)和瞬時特性進行精準捕捉。但對于三維模擬網(wǎng)格數(shù)量較龐大的仿真模型，計算時間成本較高。流體仿真主流商軟有：可結合UDF二次編程的Fluent、CFX；開源的OPENFOAM以及模型設置配備豐富的STAR-CCM等。Burcin[22]在2008年使用Fluent對增加輔助結構的S型風力機進行數(shù)值模擬分析，并通過實驗驗證了可行性。Mohammed[23]在2013年使用CFX對三葉片S型水輪機在波浪環(huán)境下的性能進行模擬仿真分析。2017年Ferrari[24]使用OPENFOAM對三維和二維的S型風力機在不同湍流模型下的水動力性能以及實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。Emeel Kerikous[25]在2018年使用STAR-CCM對S型水輪機葉片厚度進行優(yōu)化。

除了以上主要3種方法外，還有一種非接觸式流動測量方法，粒子圖像測試技術(particle image velocimetry, PIV)，開始逐漸用于垂直軸葉輪的流場分析[26-28]。圖2為通過PIV技術后處理得到的S型葉輪周圍流線圖，與其他測速技術相比，優(yōu)勢在于對流場的無干擾，測量數(shù)據(jù)的準確和豐富。另外，Vimal Patel[29]提出了一種結合停滯葉片升壓理論和動量定理的分析方法，預報S型水輪機捕能特性。通過實驗數(shù)據(jù)對比驗證了可行性，并說明該方法同樣適用于其他葉片形狀的水輪機。

3 基本參數(shù)對S型水輪機性能的影響

S型水輪機設計的最基本參數(shù)主要包含：端板、高徑比、重疊率、葉片個數(shù)、級數(shù)(如圖3所示)以及葉片形狀，對水輪機的性能存在諸多影響。將根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對各種參數(shù)變化對S型輪機產(chǎn)生的影響逐一進行介紹。

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型水輪機如圖3(a)所示，端板可以有效提高S型水輪機的捕能效率，所以常見的S型水輪機一般都帶有端板。Mahmoud[30]通過對單級高徑比為5的雙葉片S型風力機在有無端板的情況下進行風洞試驗；隨后Vimal Patel[31]通過實驗和理論研究，對高徑比為1.15的雙葉片水輪機在有無端板，且重疊率不同情況下的功率系數(shù)進行對比，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)有端板水輪機的最大功率系數(shù)相比之下提高了近2.7倍。端板對流經(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個葉片表面形成的阻力差，并最終提升了S型水輪機的力矩系數(shù)。另外針對端板的尺寸優(yōu)化，1992年Fujisawa[32]，發(fā)現(xiàn)當端板直徑是葉輪直徑的1.1倍時效果最好。

3.2 高徑比(Aspect Ratio)

高徑比顧名思義是水輪機高度H與葉輪直徑D的比值，如圖3(b)所示，是S型水輪機最基本的設計參數(shù)之一。1978年Alexander[33]，在風洞中試驗了多種不同尺寸的S型風力機在風速為6～9 m/s時的性能，并發(fā)現(xiàn)隨著高徑比的增大，風力機性能得到改善。Placide[34]進一步針對低高徑比值0.6、0.7、0.77、1.0的S型風力機在雷諾數(shù)為12 000和15 000的情況下進行試驗研究，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個大小不同的水槽中對不同高徑比的S型水輪機進行試驗，發(fā)現(xiàn)隨著高徑比的增加水輪機的捕能系數(shù)有著顯著的提高，但增加到1.8后對捕能效率的影響并不明顯。Bilawal[35]又對高徑比為0.77和2.0的S型風力機進行實驗研究，同樣發(fā)現(xiàn)高徑比為2時，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面積兩種情況下對較大高徑比值1、3、5、6、7下的風力機數(shù)值仿真研究，并得出高徑比為6時效果較好。雖然學者們的研究結果存在一定的差異，但總體上說，由于較少的能量損失，S型輪機的捕能效果隨著高徑比的升高而改善?？紤]到安裝和結構等原因，高徑比不易過大，可以通過增加端板來彌補受影響的捕能效果。

圖4 不同重疊率下有無端板對S型水輪機捕能的影響[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候并無重疊率，后來學者門發(fā)現(xiàn)當葉片之間留有一定的縫隙時(如圖3(c)所示)，可以有效提高S型葉輪的發(fā)電效率。我國學者邊佩翔[37]針對于S型水輪機的重疊率，在不考慮高徑比以及端板影響下，應用二維CFD模擬的方法，發(fā)現(xiàn)S型水輪機在重疊率0.15左右捕能效果最佳，再通過水輪機旋轉一周的瞬時力矩(如圖5所示)，說明帶有重疊比的S型水輪機可有效減小或消除葉輪在旋轉過程中產(chǎn)生的負力矩。Mabrouki[38]通過試驗研究的方法探討重疊率0,0.2,0.3對無端板，高徑比為2的S型水輪機性能的影響，試驗結果表明在無端板的情況下重疊率0.3時水輪機表現(xiàn)最好。緊接著Patel[31]對有端板的S型水輪機展開試驗研究，并發(fā)現(xiàn)當高徑比小于0.6時，水輪機在重疊率0.11左右得到最大功率系數(shù)。Kamoji[39]通過試驗研究對高徑比為0.88，90°旋轉形葉片S型風力機的重疊率進行優(yōu)化，試驗結果表明，在0、0.1、0.16三個重疊率中，沒有旋轉軸的情況下，重疊率為0的時候風力機性能最好，最大功率系數(shù)達到0.17。帶有重疊率的葉輪在迎流的時候，作用在凹面上的水質(zhì)點通過縫隙反作用在負獲能葉片上，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，還能提高水輪機的啟動力矩，但過大的重疊率會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 葉片個數(shù)(Blade Number)和級數(shù)(Stage Number)

由雙葉片和單級數(shù)組成的傳統(tǒng)S型葉輪存在靜力矩(啟動力矩)易受葉輪轉角影響和旋轉過程中動力矩波動較大等問題，研究發(fā)現(xiàn)通過增加葉片個數(shù)和級數(shù)可以有效地改善這一現(xiàn)象，但捕能效率卻受到葉片個數(shù)增加的影響。常見的S型輪機葉片個數(shù)為2、3、4如圖3(d)所示。Parag[40]對單級，高徑比0.7的S型水輪機，采用試驗和數(shù)值模擬的研究方法，討論不同葉片個數(shù)情況下S型水輪機性能的變化，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；進一步通過葉輪周圍的壓力云圖分析了葉片個數(shù)對其捕能效果的影響機理。級數(shù)一般有3種，如圖3(e)所示，單級、成90°相角的雙級以及成60°相角的三級。Norzanah[41]對微型2葉片，高徑比1.78的單級和雙級的S型水輪機進行試驗研究，結果表明，單級的捕能效率是雙級的二倍。Saha[42]對不同級數(shù)，葉片個數(shù)，葉片形狀的12種S型風力機進行風洞試驗，試驗所得功率系數(shù)如圖6所示，發(fā)現(xiàn)無論級數(shù)多少皆是2葉片風力機性能較優(yōu)；而另一方面風力機的捕能效率在級數(shù)為2的情況下較大。Bilawal[35]通過對比雙葉片單級和雙級S型風力機在各個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，說明風力機的啟動能力有所提高。

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，近些年吸引了國內(nèi)外學者的廣泛研究。起初學者們在傳統(tǒng)的S型輪機為半圓形直葉片的基礎上，從葉輪簡單的剖面形狀優(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)直葉片在一定旋轉角度啟動力矩小，轉動時動力矩不穩(wěn)定等問題，提出了螺旋形葉片；之后學者們又結合先進的優(yōu)化算法對葉片雙側形狀進行改善，完成了對S型葉片形狀的進一步優(yōu)化。

圖6 圓形和螺旋形葉片在不同級數(shù)，葉片個數(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 單級和雙級下的S型風力機靜態(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，對多個不同曲率的雙葉片S型風力機進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著曲率的減小，風力機的平均最大功率系數(shù)呈先減小再增加的趨勢，如圖9所示，并進一步分析了葉輪在某一角度時葉片表面壓力分布，找出曲率對S型風力機影響機理，再根據(jù)各數(shù)據(jù)點的三次多項擬合，得出曲率為0.72時捕能效果最好。Parag[40]對圓形葉片和橢圓形葉片的S型水輪機通過水池試驗和數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)橢圓形葉片的性能較差，通過對比分析了圓形和橢圓形葉片周圍以及尾流中速度矢量場的區(qū)別，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)橢圓形前進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的試驗結果與田文龍的不同，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，而葉片過扁反而對水輪機的捕能效果產(chǎn)生負面影響。

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直線段和一個圓弧段組成，使用形狀系數(shù)(p/q)以及弧度角(ψ)共同描述。Kamoji[34]針對分段式葉片形狀系數(shù)和弧度角2個參數(shù)對S形風力機的性能進行試驗研究，并發(fā)現(xiàn)當形狀系數(shù)固定時，弧度角為124°性能最優(yōu)，而當弧度角恒定時，形狀系數(shù)0.2效果最好。對于S型水輪機，Kumar[44]采用三維數(shù)值分析的方法，對螺旋形且扭轉角為12.5°的分段式葉片參數(shù)進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在弧度角為150°且形狀系數(shù)0.6時得到最大功率系數(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角定義。針對傳統(tǒng)型直葉片S型輪機的靜力矩在不同角度時分配不均勻的情況，Kamoji[39]較早提出一種扭角為90°的雙葉片風力機，并通過風洞試驗，對有無轉軸以及不同重疊率情況下的螺旋形風力機發(fā)電性能進行探索；發(fā)現(xiàn)螺旋形葉片可以有效地改善在一些旋轉角度情況下負的靜力矩情況，以及在無轉軸，重疊率為0時得到最大捕能效率0.174。隨后趙振宙[36]利用三維數(shù)值模擬的方法，對螺旋形風力機的扭轉角、葉片個數(shù)、重疊率進行優(yōu)化，得出2葉片，扭轉角180°，重疊率0.3時性能最好。Kumar[45]同樣運用三維數(shù)值模擬研究S型水輪機螺旋形葉片的扭轉角對其最大功率系數(shù)的影響，并在扭轉角為12.5°時得到最大功率系數(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，近幾年國內(nèi)外學者結合優(yōu)化算法，對葉片的厚度和兩側形狀等方面進行優(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風力機葉片設計方法如圖11所示，建立葉片骨線表達式，通過正交試驗的方法對決定葉片形狀的3個參數(shù)進行快速選擇，再采用數(shù)值模擬的方法對優(yōu)化后葉片進行分析研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后風力機更適用于低風速，而且相比于傳統(tǒng)葉片發(fā)電效率大幅度提高。Qianwei Zhou[47]結合圖像處理算法，將S型葉片橫截面當作圖像，采用基于二維離散余弦變換的遺傳進化算法對葉片形狀進行優(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，功率系數(shù)分別提高了13.77%和21.11%。

圖11 基于多次Bezier曲線的設計方法[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計方法[47]Fig.12 New design method based picture processing[47]

Tartuferi[48]參考升力型葉片翼型結構設計出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力機的捕能效率。王偉[49]參考Kriging-PSO優(yōu)化模型，對S型風力機葉輪雙側外形進行優(yōu)化，通過粒子群參數(shù)尋優(yōu)找到最優(yōu)結構參數(shù)，葉片形狀如圖13(b)所示，再使用CFD分析風力機的空氣動力特性，發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)的葉片效率提高了7.17%。Kerikous[25]同樣對于葉片雙側外形的進行優(yōu)化，但不同點在于葉片的凹面和凸面之間相互獨立，并且由12個幾何參數(shù)描述，形狀優(yōu)化更加細致，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)化后的風力機性能提高12%。

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

Ostos[50]提出在S型葉片雙側外形優(yōu)化的基礎上，在凹面內(nèi)添加多個相當于原葉輪四分之一大小的弧形葉片，并根據(jù)葉片厚度、弧形葉片個數(shù)以及間距的變化，提出13種S型輪機如圖14(a)所示。通過二維CFD數(shù)值計算方法對其空氣動力特性進行分析，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%。說明相比于復雜的葉片形狀優(yōu)化，增加簡單的輔助葉片結構同樣可以提高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 輔助機構對S型水輪機性能的影響

4.1 導流罩(板)

導流罩作為S型水輪機最重要的輔助機構，主要通過聚流，增加來流速度和減小負獲能葉片所受阻力等方式增加水輪機的捕能效率。導流罩主要分為單向和全向2種。Kailash[51]將8個不同位姿的導流板，逐一置于S型水輪機前方，并通過試驗的方法研究不同位姿的導流板對S型水輪機發(fā)電效率的影響，發(fā)現(xiàn)其中最佳位姿的導流板對水輪機的發(fā)電效率提高盡50%，而且證明了導流板同樣可以增強2級和3級水輪機的捕能效果。Kumar[52]又通過數(shù)值模擬研究了當導流罩和導流板結合使用時，S型水輪機的安全系數(shù)，結果表明，當流速大于2 m/s的時候，轉軸承受應力較高，安全系數(shù)最小，易疲勞撕裂。Irabu[53]設計了一種導流箱如圖15所示，其特點在于入風口以及出風口的箱壁可移動，目的在于當風速較小的時候，可以加快箱內(nèi)的風速從而提高捕能效率；而當風速較大時，還可以起到對風力機的保護作用。但缺點在于箱壁的移動需通過手動或自動控制，操作比較復雜。

以上幾位學者研究的都屬于單向導流罩，缺點在于只對一個方向上的來流有效果，而下面介紹的全向導流罩將不區(qū)分來流方向。Tartuferi[48]設計了一種導流罩系統(tǒng)如圖16(a)所示，此系統(tǒng)可以隨著來流風向的改變自動調(diào)節(jié)角度，通過試驗和理論研究風力機性能將提高20%，但具有結構相對復雜的缺點。湯志鵬[54]設計了一種不需要自我調(diào)節(jié)角度的整流式導流罩如圖16(b)所示，導流罩里裝有3葉片S型風力機，此導流罩不區(qū)分風向，且可以提高入流風速，并降低回程阻力提升水輪機的旋轉力矩。通過CFD數(shù)值仿真的方法對導流罩相關幾何參數(shù)進行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)下的導流罩對S型風力機提升48%的捕能效率。Korprasertsak[55]同樣設計了一個結構類似的全方向的導流罩如圖16(c)所示，不同點在于其中固定的導流葉片呈曲線邊三角形，可以較好的起到引導氣流的作用，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)使用導流罩后的風力機發(fā)電性能提高了50%。

圖15 導流箱幾何結構[53]Fig.15 The geometry of guide box[53]

圖16 全向導流罩Fig.16 Omni directional diffuser

4.2 葉片輔助機構

S型輪機捕能效率低下的關鍵原因在于當凸葉片回程時受到與葉輪旋轉反向的阻力妨礙了葉輪的旋轉，從而大幅度影響了葉輪的捕能特性。針對這一現(xiàn)象，學者們先后設計出多種葉片輔助機構，如伸縮式葉片、可展式葉片、活動式葉片以及葉片自適應調(diào)整等輔助機構來改善此類問題[56-59]。

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

圖17 葉片輔助機構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，設計出一種可控制葉片沿徑向伸縮的輔助機構，如圖17(b)所示，即當葉片處于回程階段時，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，同時采用數(shù)值仿真的方法對其水動力特性進行分析，并發(fā)現(xiàn)可以有效提高風力機的發(fā)電效率。

湯志鵬[58]設計出一種可展式葉片風力機，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，而折疊時葉片類似于升力型葉片，所以從理論上分析，當葉片回程折疊時不僅可以減少阻力還可產(chǎn)生一定的升力促使葉輪旋轉，使得發(fā)電效率提高較多。

Behrouzi[59]提出一種葉片自適應調(diào)整機構，如圖17(d)所示，類似于活動式葉片，即葉片不僅公轉還可自傳，但區(qū)別在于，首先自適應調(diào)整葉片是由4個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)旋轉角度通過內(nèi)部聯(lián)動裝置自適應調(diào)整，而并不是以一個固定的速度旋轉；所以其優(yōu)勢在于，回程階段葉片通過自適應調(diào)整可將阻力調(diào)整到最小，而葉片在前進狀態(tài)時將還可將阻力調(diào)整至最大，促使葉輪輸出力矩在2種葉片共同調(diào)整的作用下達到最大。通過水池試驗研究發(fā)現(xiàn)，相比于固定葉片的水輪機，其發(fā)電效率將提高30.7%。

5 結論

1)雖然流管法、離散渦、粘性CFD、PIV等方法都可對S型水輪機性能進行預測，但其中粘性CFD方法應用最為廣泛，而僅能預測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由于其可靠的精準尾流場分析，將具有較大的應用前景。

2)基本設計參數(shù)端板、高徑比、重疊率、級數(shù)以及葉片個數(shù)在不同程度上對S型輪機的性能產(chǎn)生著影響。最佳基本參數(shù)下S型水輪機最大功率系數(shù)在0.3左右；研究多個基本參數(shù)變化下對S型輪機性能耦合影響機理和規(guī)律期待展開。

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

4)單向導流罩雖然結構簡單，效果顯著，但失去了垂直軸不區(qū)分流向的特性；葉片輔助結構雖然在效果上優(yōu)于導流罩，但結構復雜，設備易損壞和系統(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型水輪機的表現(xiàn)普遍優(yōu)于S型風力機，但研究起步晚，成果少，而且對于S型水輪機的試驗多停留在實驗室階段，少有海上全比例樣機測試；國內(nèi)對于S型水輪機的研究剛剛起步，建議引起中國學者關注。