用于孤立小规模发电的带有扭曲叶片与平叶片的垂直轴超低水头水轮机转轮的实验对比

《Next Energy》：Experimental comparison of runners with twisted and flat blades of a vertical-axis ultra-low-head hydro turbine for isolated low-scale power generation

　　

超低水头是全球水电场景中尚未开发的超低水头水能潜力，伴随其发展出现了多种水轮机。垂直超低水头水轮机(VULHT)是一种新开发的用于明渠流小规模发电的水轮机，此前已使用平叶片进行了测试。本研究涵盖了VULHT的扭曲叶片转轮，作为一项创新，研究人员在设计并将其与先前的平叶片转轮在试验台上进行了实验对比。研究对比了0.085 m³/s的设计流量和0.5 m的水头，以及从0到500 mm的出口流量水位。实验结果表明，扭曲叶片在97.8 RPM的转速下达到了57.27%的效率，比平叶片高出2.37%，不确定度为±1.94%。对于这两种叶片，最大效率均记录在450 mm的出口控制水位下。这结论证实了扭曲叶片和出口控制对VULHT系统的重要意义。建议未来的研究应对简单的弯曲和最佳扭曲叶片剖面进行模拟和测试。

在全球能源需求不断增长以及化石燃料日益枯竭的背景下，寻找可持续且清洁的能源供应已成为重要的科技挑战。传统水轮机（如Kaplan、Pelton和Francis水轮机）通常不适用于具有充足流速但水头极低的场景。超低水头（ULH）水轮机被定义为功能水头低于3米的水力涡轮机械，将其整合到现有灌溉等水基础设施中，对于推进去中心化的可持续能源具有环保意义。然而，传统的涡轮设计在此类条件下并非最优，且目前针对垂直超低水头水轮机（VULHT，一种为明渠跌水条件设计的新型装置）的研究多集中在平叶片外形，缺乏对扭曲叶片性能的实验验证。为了填补这一科学空白并提高VULHT在孤立区域（如照明、水泵或农产品加工）发电中的水力效率，研究人员开展了一项设计与实验对比研究，研究结果发表在《Next Energy》期刊上。研究得出结论，相较于平叶片，扭曲叶片能显著提升转轮的运行效率，且出口控制水位对VULHT系统的效率具有决定性影响，这为进一步优化低水头水电技术提供了重要依据。

在关键技术方法方面，研究人员基于文献中确定的研究空白展开工作。首先使用传统的速度三角形方法对扭曲叶片转轮进行解析设计，并将其分成五个径向截面分别计算。随后利用SOLIDWORKS 2023软件完成平叶片与扭曲叶片的三维建模，并在当地机械工坊完成叶片加工。最后，在位于尼泊尔加德满都特里布文大学工程学院能源研究中心的实验室现有测试平台上，通过改变0至500 mm的出口水位对两种转轮进行实验测试。该测试系统采用十二台潜水泵供水，使用矩形堰板测量流量，并通过配备弹簧测力计的制动测功机在垂直轴顶部测量扭矩与转速。

实验准备与研究结果部分详细记录了不同条件下的性能表现。研究人员通过测试系统评估了不同控制水位下的流量、水头、扭矩和转速变化，并据此计算输入输出功率及效率。

平叶片研究结果：通过实验测试和计算发现，平叶片转轮的输出功率和效率随涡轮转速的增加呈现先上升后下降的趋势。在测试的0至500 mm出口控制高度范围内，平叶片转轮在450 mm的出口控制高度和84.4 rpm的转速下达到54.9%的峰值效率，此时对应的峰值输出功率为119.17 W。

扭曲叶片研究结果：替换为扭曲叶片转轮后进行相同的实验步骤。结果显示，扭曲叶片转轮的输出功率在97.8 rpm的转速下达到了182.5 W的最大值，对应300 mm的出口控制高度。而其最高效率在97.8 RPM转速和450 mm的出口控制高度下达到57.27%。与平叶片相比，最大输出功率对应的最优控制高度不同，这是由于在450 mm控制高度下水头轻微降低导致输入功率下降，而输出功率下降幅度较小，从而使得最终效率比值有所提高。

测量不确定度与结果讨论部分对实验可靠性与现象机制进行了分析。测量不确定度分析表明，平叶片转轮效率的不确定度为±1.86%，而扭曲叶片转轮为±1.94%，相对仪器精度而言结果令人满意。研究人员对两种转轮在相同测试条件下的实验效率进行了对比分析，证实扭曲叶片转轮的峰值效率比平叶片转轮高出2.37%。这一提升归因于扭曲叶片剖面相比平面几何形状具有固有的流体动力学优势，证明了通过叶片扭曲化可以提升VULHT系统的性能。此外，出口控制高度显著影响运行效率。当控制高度从0 mm向350 mm增加时，净水头减小导致输入功率降低；而在350 mm至450 mm之间时，转轮开始被淹没，这种淹没引入了额外的阻力，降低了转速和输出功率，但由于输入功率的下降率依然大于输出功率的下降率，整体机械效率呈上升趋势；当达到500 mm时，转轮被完全淹没，输出功率的降低超过了输入功率的降低，导致涡轮效率急剧下降。

研究结论指出，研究人员基于共有的设计步骤，研究了带有八片扭曲叶片的VULHT转轮并通过实验进行了性能验证。在0.5 m的水头与0.085 m³/s的流量下，平叶片转轮在450 mm出口控制高度下的最大效率为54.9%，而新加工的扭曲叶片转轮在该控制高度下达到了57.27%的最大效率，提升了2.37%。结论表明，转轮的效率能够通过采用扭曲叶片剖面得到提升，并且利用出口控制调节转轮的淹没深度对VULHT系统实现更高效率是必不可少的。尽管当前研究受限于缺乏模拟计算和叶片最终优化，但建议未来采用带弯曲的扭曲叶片进行流体仿真优化，以进一步提升叶片外形表现并减少制造损失，助力实现更深度的水轮机性能分析，涵盖叶尖速比（TSR）、功率系数、水力损失和空化现象等研究。