3.5　模型设计

物理模型选择转子直径作为模型的特征尺寸，初步设计选择原形转子直径为62.5cm。按照这个尺寸选择模型比尺进行研究。首先，在水槽中试验研究1∶2.5比例装置模型（模型转子直径为25cm）的波能捕获功率和效率。试验模型的概念设计基于传统双击式水轮机的设计思路，由于波浪作用下的水流是往返流，所以此处的双击式水轮机具有自身的特点，其转子设计可以根据传统双击式水轮机的设计方法来设计，但是其流道设计（包括导水机构）需要进行深入的研究，迎波面收集波能，并将其转化为水平方向的水流，背波面的出口流道起到将流经转子水流的动能转化为出口流道中水体的势能的作用，当出口流道中水体的势能最大时，水流开始反向运动，反向冲击转子，继续推动转子做功。由于导水机构的设计，无论水流如何运动，都能保证转子的单向旋转。

对于叶轮转子的导水机构选择，双击式水轮机的导水机构有四种：平板式、舌状式、导叶式和弧板式。平板式导水机构效率最差，舌状式比平板式较好，弧板式最好。从理论上认为弧板式最好，在任何时候入水角都是一样的，可使效率平稳。所以选用弧板式作为设备的前后导水机构。然后根据需要进行外延，原则是保证水流平顺，尽量减小水头损失。

对于叶片形状的选择，叶片一般选用渐开线和双圆弧两种。理论表明，渐开线叶片和理论上的骨线方程较接近，试验也证实，渐开线转轮效率高。当然渐开线叶片比双圆弧形叶片在加工工艺上稍麻烦一些。此处选用渐开线叶片。具体设计参数为

式中 D1——叶片外径；

D2——叶片内径。

叶片数Z1=24，入口角β1=30°，出口角β2=90°。渐开线基圆ρ1=0.233D1。图3.5.1为实际加工的水轮机转子，图3.5.2为模型安装，图3.5.3为模型在造波水槽中的总体布置。图3.5.4为流道结构尺寸图，图中标出了流道的主要尺寸。

图3.5.1　实际加工的水轮机转子

分析式（2.1.19）可知，影响装置固有频率的因素有A2、x、α和L。在转子直径已经确定的情况下，A2的值就已经确定了；L取决于整体尺寸，也与淹没水深有关；迎波流道的尺寸在计算装置的固有频率时，是一个固定的值，也就是说一旦装置设计完成，则迎波流道不会改变装置的固有频率。x和α影响出口流道中水体的表面积。因此，此处可以归纳出，装置出口流道的水表面积和装置的淹没水深是影响装置固有频率变化的主要因素，在以下的试验研究中也是主要研究这两个因素对装置固有频率，以及装置捕获波能能力的影响。

图3.5.2　模型安装

图3.5.3　模型在造波水槽中的总体布置

图3.5.4　流道结构尺寸图（单位：mm）

为了研究不同出口流道形状下的装置发生共振的情况，通过改变出口流道上开口的大小来改变出口流道的形状，在不同入射波情况下随着出口流道内水面的上下波动，相应地装置中水体的刚度及质量都在随时发生变化，从而装置的固有频率也在发生变化。首先通过给出的计算装置固有频率的方法计算装置在水面变化过程中的固有频率变化，然后通过模型试验得出装置的共振频率范围，比较两者的值是否一致，从而验证所提出的装置形状设计方法，即在波浪激励下，装置中的水面上下运动，改变装置的固有周期，固有周期为一个范围，如果这个范围与波浪周期的变化范围相同，则装置在这个周期范围内发生共振，装置吸收的波能较大。由以前的波能优化吸收理论可知，这部分研究内容属于相位优化，所以主要研究装置入口波相位和装置出口波相位之间的相位差是否为180°。这里研究了两种转子直径的情况，一是转子直径为250mm的情况（1∶2.5模型）；另一种是转子直径为125mm的情况（1∶5模型）。

模型试验研究的目的：①按2.1节的方法计算模型高低水位的装置固有频率，试验得出装置具有较大功率的波浪运动频率范围，验证两者频率范围是否一致；②给出影响装置固有频率变化范围的主要参数，并对这些参数进行研究。