基于参数优化的阿基米德螺旋式潮流能水轮机性能提升研究

针对低速水流环境下能量捕获效率低的问题，研究人员通过优化阿基米德螺旋水平轴水轮机的结构参数（如螺距、D/L值）和叶片弧线轮廓，结合CFD仿真与理论模型，发现该涡轮在低叶尖速比（TSR）下具有更高电容系数（CP ），最佳D/L值为0.833时效率峰值达38.7%，为低速潮汐能开发提供新方案。

　　

海洋中蕴藏着7.66×10⁵
GW的理论能源储量，其中潮汐能独占3000 GW，是风能储量的4倍。然而，现有潮汐涡轮多针对中高流速设计，在流速低于1 m/s的温和潮汐条件下，传统Savonius或水平轴涡轮的"切入速度"成为瓶颈。更棘手的是，低速水流中主动对流转子需要导流罩辅助，大幅增加成本。阿基米德螺旋结构虽在风电领域展现低速优势，但其在潮汐能应用的参数优化体系仍属空白。

上海海洋可再生能源工程技术研究中心的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究，首次系统探索了阿基米德螺旋水平轴水轮机（Archimedean spiral horizontal axis turbine）的低速适应性。通过建立基于质量守恒方程的数学模型，结合CFD仿真，团队揭示了螺距尺寸、D/L比值与叶片弧线对涡轮性能的调控规律。关键技术包括：1）采用旋转域与静止域分区的网格划分策略；2）定义功率系数C_P
=P/(0.5ρV³
πR²
)等无量纲参数；3）保持扫掠面积不变条件下调整叶片前缘长度L_F
。

Archimedean spiral blade structure
研究采用三叶片120°对称分布设计，最大直径D与截止点W构成特征几何。仿真显示，当螺距从120mm增至200mm时，尾流效应降低37%，但最佳性能出现在螺距160mm处，印证"螺距增大→排水面积↑→拖曳系数C_D
↓"的权衡关系。

Theoretical calculation
推导出D/L比值与扭矩的定量关系：D/L=0.833时，电容效率达峰值38.7%，偏离该值10%会导致效率骤降15%。特别值得注意的是，该涡轮在TSR=0.8-2.5区间能保持C_P

0.3，而传统涡轮在TSR<1.5时效率普遍低于0.2。

Hydrodynamic analysis
压力云图显示，水流经首片叶片时形成的低压区可提升后续叶片驱动力矩，这种"自增强效应"使其在0.5-3 m/s流速范围内扭矩波动小于12%。对比实验证实，0.1D-0.16D的叶片间距能平衡流动干涉与能量捕获，超出此范围会导致C_P
下降40%。

Conclusions
该研究突破性地证明：1）阿基米德螺旋涡轮通过独特的"拖曳-升力复合机制"，在0.5m/s流速下即可自启动；2）叶片弧线曲率半径与TSR存在适配性，小曲率叶片在TSR=1.2时效率提升22%；3）无需导流罩即可实现自适应对流，使制造成本降低30%。

Summary and Prospect
尽管该涡轮在宽流速范围效率平衡方面仍有局限，但其0.5m/s的超低切入速度，可将温和潮汐区的可用发电时间延长200%。未来通过耦合变桨距技术，有望实现"低速高效+高速稳定"的双重目标，为占全球潮汐资源68%的低速海域开发提供关键技术支撑。