水轮机是对潮流能进行开发利用的核心装置，按主轴与水流方向的位置关系可以分为水平轴水轮机与垂直轴水轮机。垂直轴水轮机因其受来流方向影响小、密封要求低等优势备受学者们青睐。然而，传统的直叶型垂直轴水轮机自启动性能差、扭矩波动大等弊病一直未得到有效解决。

基于以上背景，我实验室海洋可再生能源利用创新团队首席科学家、中山大学马勇教授，团队博士研究生张爱明、朱元瑶等提出一种垂直轴螺旋型水轮机的方案，基于该方案的水轮机具有自启动性能好、输出波动小、能量转换效率高等特点。

该研究基于田口设计方法，利用CFD数值模拟软件，对水轮机翼型、桨距角、包率、密实度和小轴位置五个参数进行优化研究，形成定型方案。首先，基于田口正交试验将1024种设计模型简化为16个优化设计方案，形成五因素四水平正交矩阵评价体系。然后，使用流驱动旋转方法对多模型进行CFD仿真模拟，并对各个模型的计算结果进行信噪比分析。最后，基于效率最优得出的水轮机优化模型翼型为NACA0020，桨距角β=0°，包率ϖ=1.25，密实度σ=0.382，小轴位置O=0.5。研究发现，优化后的垂直轴螺旋型水轮机比直叶片水轮机输出波动率减小了8.04倍；最低自启动转矩系数提高了15.9%，自启动性能得到优化；效率比初始设计提高了17.59%。为了验证该结果的有效性，团队创造性地设计了力矩测量装置，对水轮机效率进行了实地测试，其测试结果与数值计算结果吻合良好。该项研究有助于提升垂直轴水轮机发电的持续性与稳定性，有利于潮流能等资源的开发与利用。

图1. 基于田口法设计的16个水轮机

图2.16个水轮机单位周期内效率

图3.初始设计与最优设计水轮机简图

图4.最优设计螺旋型水轮机试验

图5.水轮机自启动力矩系数

图6. 初始设计与优化后水轮机效率曲线

研究成果于2022年1月在期刊Renewable Energy（中科院SCI一区,影响因子8.001）在线发表。文章题目为“Hydrodynamic performance of vertical axis hydrokinetic turbine based on Taguchi method”，创新团队首席科学家、中山大学马勇教授为第一作者，其团队博士研究生张爱明等共同参与研究。

该研究得到了国家自然科学基金项目、广东省自然资源厅促进经济高质量发展项目、南方海洋实验室创新团队建设科研经费等支持。

原文链接：https://authors.elsevier.com/a/1eRMd_LrCmnZnh