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振荡水柱技术是一种结构简单、转换效率较高、造价低的波浪能发电技术。空气透平是影响振荡水柱技术转换效率的一个重要因素。为提高空气透平的转换效率，本文使用数值计算和实验测试的方法研究了振荡水柱装置中空气透平的内部流动和能量转换特性，探索提高空气透平转换效率的理论依据和设计方法。
本文研究了振荡水柱装置中使用的Wells透平和单向整流透平。
为提高Wells透平的转换效率，本文研究了透平的设计方法、叶片形状，以及不稳定流对Wells透平转换效率的影响。
1)设计方法的影响
Wells透平一般采用孤立翼型的升阻力系数来设计，难以严谨的考虑相邻叶片之间的相互影响。考虑该影响，本文发展了基于叶栅吹风数据的Wells透平设计方法。为对比研究，分别使用两种方法设计了叶栅稠度接近的两个Wells透平叶轮，并对这两个叶轮的性能进行了实验测试。结果表明，在流量系数范围内，叶栅数据设计方法设计的Wells透平叶轮转换效率均高于孤立翼型设计得到的Wells透平叶轮;叶栅数据设计方法使得Wells透平的最高转换效率提高了1.11％;在较大流量系数时，叶栅数据设计叶轮的转换效率比孤立翼型设计叶轮高3％～6％。
2)翼型的影响
翼型是Wells透平能够正常运行的根本原因。翼型的形状对Wells透平的转换效率和正常工作流量系数范围有决定性作用。本文对Wells透平的翼型进行了优化，并使用优化翼型和原有的NACA翼型分别设计了两个叶轮。实验结果表明，在稳定流动中，优化翼型使得Wells透平的最高转换效率提高了0.89％。在不稳定流中，优化翼型使得Wells透平的转换效率提高了1.15％。此外，优化翼型扩大了Wells透平正常运行的流量系数范围。
为对比两种翼型Wells透平在振荡水柱装置中的区别，本文将测量了两种翼型Wells透平Wells透平在后弯管装置中的发电特性。在规则波试验中，优化翼型叶轮比NACA翼型叶轮的转换效率高，电池负载时，它们的最高换效率分别为28.06％和27.2％，电阻负载时，二者的转换效率分别为29.02％、28.44％;不规则波试验中，电池负载时，优化翼型叶轮和NACA翼型叶轮的运行特性接近，透平转换效率约为19％，电阻负载时，Wells透平无法保持高转速运行，容易产生失速，转换效率低。
3)不稳定流对Wells透平内部流动及工作特性的影响
振荡水柱装置中，Wells透平工作在往复运动的不稳定气流中。本文使用实验测量和数值计算的方法研究了Wells透平在稳定流和不稳定流中的工作特性。实验结果表明，Wells透平在不稳定流中的输出扭矩一般高于基于稳定流动测试结果的准稳态分析结果，实验的输出扭矩能达到准稳态分析结果的1.23倍至1.52倍。数值计算结果表明，不稳定流改变了叶片表面的压力分布，使得叶片压力面的最高压力降低，吸力面的最低压力增大。该叶片表面压力的变化，将使得叶片压力面的径向二次流增强，吸力面的径向二次流降低。
具有整流结构的单向整流透平也是振荡水柱装置使用的一种空气透平。为提高单向整流透平的转换效率，本文研究了叶片形状对透平转换效率的影响。
本文首次研究了三维扭曲叶片透平在后弯管装置中的能量转换特性，并与常用的二维竖直叶片透平进行了对比研究。实验结果表明，规则波中，二维竖直叶片透平的转换效率约为30％，三维扭曲叶片的转换效率约为33％;三维扭曲叶片透平的发电效率约高出二维竖直叶片透平3％～5％。不规则波中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片透平的转换效率分别为26.82％和27.37％。
为进一步了解两种透平更为详细的运动特性，本文采用数值计算方法分析了两种透平在稳定流动和不稳定流动中的能量转换特性。结果表明，稳定流中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片透平的最高转换效率分别为63.97％和83.20％;不稳定流中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片总的转换效率分别为52.53％和64.22％;三维扭曲叶片透平与二维竖直叶片透平在稳定流中转换效率的差值较大，但在不稳定流中差值逐渐降低。
最后，本文比较了Wells透平和单向整流透平在后弯管装置中的发电特性。在规则波实验中，单向整流透平输出功率的波动性远大于Wells输出功率的波动性，但是单向整流透平的转换效率高于Wells透平的转换效率。在不规则波中，单向整流透平的转换效率也明显高于Wells透平的转换效率。
本文研究了振荡水柱装置中使用的Wells透平和单向整流透平。
为提高Wells透平的转换效率，本文研究了透平的设计方法、叶片形状，以及不稳定流对Wells透平转换效率的影响。
1)设计方法的影响
Wells透平一般采用孤立翼型的升阻力系数来设计，难以严谨的考虑相邻叶片之间的相互影响。考虑该影响，本文发展了基于叶栅吹风数据的Wells透平设计方法。为对比研究，分别使用两种方法设计了叶栅稠度接近的两个Wells透平叶轮，并对这两个叶轮的性能进行了实验测试。结果表明，在流量系数范围内，叶栅数据设计方法设计的Wells透平叶轮转换效率均高于孤立翼型设计得到的Wells透平叶轮;叶栅数据设计方法使得Wells透平的最高转换效率提高了1.11％;在较大流量系数时，叶栅数据设计叶轮的转换效率比孤立翼型设计叶轮高3％～6％。
2)翼型的影响
翼型是Wells透平能够正常运行的根本原因。翼型的形状对Wells透平的转换效率和正常工作流量系数范围有决定性作用。本文对Wells透平的翼型进行了优化，并使用优化翼型和原有的NACA翼型分别设计了两个叶轮。实验结果表明，在稳定流动中，优化翼型使得Wells透平的最高转换效率提高了0.89％。在不稳定流中，优化翼型使得Wells透平的转换效率提高了1.15％。此外，优化翼型扩大了Wells透平正常运行的流量系数范围。
为对比两种翼型Wells透平在振荡水柱装置中的区别，本文将测量了两种翼型Wells透平Wells透平在后弯管装置中的发电特性。在规则波试验中，优化翼型叶轮比NACA翼型叶轮的转换效率高，电池负载时，它们的最高换效率分别为28.06％和27.2％，电阻负载时，二者的转换效率分别为29.02％、28.44％;不规则波试验中，电池负载时，优化翼型叶轮和NACA翼型叶轮的运行特性接近，透平转换效率约为19％，电阻负载时，Wells透平无法保持高转速运行，容易产生失速，转换效率低。
3)不稳定流对Wells透平内部流动及工作特性的影响
振荡水柱装置中，Wells透平工作在往复运动的不稳定气流中。本文使用实验测量和数值计算的方法研究了Wells透平在稳定流和不稳定流中的工作特性。实验结果表明，Wells透平在不稳定流中的输出扭矩一般高于基于稳定流动测试结果的准稳态分析结果，实验的输出扭矩能达到准稳态分析结果的1.23倍至1.52倍。数值计算结果表明，不稳定流改变了叶片表面的压力分布，使得叶片压力面的最高压力降低，吸力面的最低压力增大。该叶片表面压力的变化，将使得叶片压力面的径向二次流增强，吸力面的径向二次流降低。
具有整流结构的单向整流透平也是振荡水柱装置使用的一种空气透平。为提高单向整流透平的转换效率，本文研究了叶片形状对透平转换效率的影响。
本文首次研究了三维扭曲叶片透平在后弯管装置中的能量转换特性，并与常用的二维竖直叶片透平进行了对比研究。实验结果表明，规则波中，二维竖直叶片透平的转换效率约为30％，三维扭曲叶片的转换效率约为33％;三维扭曲叶片透平的发电效率约高出二维竖直叶片透平3％～5％。不规则波中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片透平的转换效率分别为26.82％和27.37％。
为进一步了解两种透平更为详细的运动特性，本文采用数值计算方法分析了两种透平在稳定流动和不稳定流动中的能量转换特性。结果表明，稳定流中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片透平的最高转换效率分别为63.97％和83.20％;不稳定流中，二维竖直叶片透平和三维扭曲叶片总的转换效率分别为52.53％和64.22％;三维扭曲叶片透平与二维竖直叶片透平在稳定流中转换效率的差值较大，但在不稳定流中差值逐渐降低。
最后，本文比较了Wells透平和单向整流透平在后弯管装置中的发电特性。在规则波实验中，单向整流透平输出功率的波动性远大于Wells输出功率的波动性，但是单向整流透平的转换效率高于Wells透平的转换效率。在不规则波中，单向整流透平的转换效率也明显高于Wells透平的转换效率。