張 亮，李志川，張學(xué)偉，侯衛(wèi)松，馬 勇

(哈爾濱工程大學(xué)海洋可再生能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

在能源緊缺和環(huán)境惡化雙重壓力下，各國政府對包括潮流能在內(nèi)的海洋能源利用的科技問題給予了前所未有的高度重視和大力支持，潮流能已成為能源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域最為活躍的分支。潮流水輪機(jī)是潮流發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。其中水平轉(zhuǎn)軸式和垂直轉(zhuǎn)軸式占了絕大部分。Khan等人［1］對現(xiàn)有76個潮流發(fā)電裝置進(jìn)行統(tǒng)計，其中采用垂直軸式的裝置占了33%，并指出垂直軸式潮流水輪機(jī)得到人們越來越多的關(guān)注。

文中首先介紹了垂直軸式潮流水輪機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后總結(jié)了垂直軸水輪機(jī)國內(nèi)外利用現(xiàn)狀，對垂直軸水輪機(jī)研究方法進(jìn)展情況做了綜述和評價，最后指出目前垂直軸水輪機(jī)開發(fā)利用所需要解決和突破的技術(shù)難點(diǎn)和問題。

1 垂直軸潮流水輪機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

在潮流能開發(fā)與利用中，水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上決定著水輪機(jī)的能量利用率與水動力性能的優(yōu)劣，因此，開發(fā)出一種能量利用率高、水動力性能優(yōu)良的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式就成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，尤其是設(shè)計研發(fā)階段。若潮流能水輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)軸與水流方向垂直，則稱之為垂直軸式潮流水輪機(jī)。垂直軸水輪機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有:

1.1 設(shè)計簡單

作為一項新興技術(shù)，設(shè)計的簡單與否以及系統(tǒng)的成本是決定它成功與否的重要因素，與水平軸式相比，垂直軸式水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低。

1.2 不需要換向

由于垂直軸水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不受來流方向影響，因此不需要換向機(jī)構(gòu)，也使系統(tǒng)更加簡單。

1.3 發(fā)電機(jī)的連接

垂直軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)可以放在軸的一端，從而使發(fā)電機(jī)處于水面之上，這樣大大降低了水下密封的難度和成本。

1.4 噪音小

由于垂直軸水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低，因此不容易產(chǎn)生空化，比水平軸水輪機(jī)產(chǎn)生的噪音小，這樣有利于保護(hù)海洋生物的棲息地。

垂直軸水輪機(jī)的主要缺點(diǎn)有:低起動轉(zhuǎn)矩，對于不同的設(shè)計，起動性能通常都較差，這就需要有特殊的輔助起動設(shè)計，例如通過電機(jī)拖動，但是變偏角式垂直軸水輪機(jī)可以有效改善起動性能;效率較低，垂直軸水輪機(jī)效率要低于水平軸水輪機(jī);載荷脈動，由于結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定，垂直軸水輪機(jī)葉片會受到周期性載荷，同時主軸轉(zhuǎn)矩也是脈動的，因此容易使葉片和主軸容易產(chǎn)生疲勞問題。

2 垂直軸潮流水輪機(jī)利用現(xiàn)狀

2.1 國外利用現(xiàn)狀

歐美國家對海洋能開發(fā)利用重視較早，對垂直軸潮流能水輪機(jī)研究從未間斷。圖1所示的是加拿大Blue Energy Technology公司［2］研發(fā)的Davis Hydro Turbine。該水輪機(jī)采用的是四個固定偏角葉片，葉片連接于轉(zhuǎn)軸上，并通過齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。而整個轉(zhuǎn)子安裝于一個錨固于海底的永久性水泥沉箱中。另外該沉箱的特殊構(gòu)型可以加速水流，提高水輪機(jī)的效率。并且使得耦合器、發(fā)電機(jī)及電力控制系統(tǒng)處于一個干燥的環(huán)境中。同時采用的大多數(shù)組件都是現(xiàn)有的，使得建造、安裝和維修變得很具有經(jīng)濟(jì)性。該公司在1984年設(shè)計建造了100 kW樣機(jī)，但由于導(dǎo)流罩設(shè)計問題，制約實(shí)際發(fā)電量沒有超過70 kW。

意大利 Ponte di Archimede S.p.A(PDA)公司設(shè)計的 Kobold水輪機(jī)［3］，如圖2所示，2005年在意大利墨西拿海峽建成漂浮式電站，水輪機(jī)采用的是變偏角式，水輪機(jī)直徑6m，高5m，電站發(fā)電接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，這是世界上第一個接入電網(wǎng)的垂直軸潮流能水輪機(jī)，測得該水輪機(jī)能量利用率在0.23左右。

加拿大New Energy Corporation公司設(shè)計的EnCurrent垂直軸潮流發(fā)電系統(tǒng)［4］，葉輪結(jié)構(gòu)形式與Blue Energy公司設(shè)計相似，采用的是固定偏角4葉片，如圖3所示，此潮流發(fā)電系統(tǒng)采用的是雙體船形式漂浮結(jié)構(gòu)，該公司的5 kW和25 kW機(jī)型已經(jīng)在加拿大和美國有多個成功應(yīng)用案例。目前該公司正在開發(fā)250 kW機(jī)型。

圖3 EnCurrent水輪機(jī)

美國Gorlov Helical Turbine設(shè)計的GHT水輪機(jī)［5］，如圖4所示，葉片設(shè)計成了有一定的扭曲角度的螺旋葉片，這樣克服了垂直軸水輪機(jī)兩個最大的弱點(diǎn)，一是使水輪機(jī)具有了自啟動能力，二是減小了載荷波動，其設(shè)計的1.5 kW模型直徑1 m，葉片弦長140 mm，葉片扭曲角67°，轉(zhuǎn)子高2.5 m，額定工作流速1.5 m/s。

圖4 GHT水輪機(jī)

美國Ocean Renewable Power公司也采用了螺旋葉片方案設(shè)計了60 kW的OCGen水輪機(jī)［6］，如圖5所示，該水輪機(jī)采用橫軸布置方式，并且發(fā)電兩側(cè)采用了旋向相反的兩個葉輪，這樣又可以抵消螺旋葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力，該水輪機(jī)已進(jìn)行了多次海上試驗。

圖6 OCGen水輪機(jī)

2.2 國內(nèi)利用現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代，哈爾濱工程大學(xué)率先開始了垂直軸潮流發(fā)電水輪機(jī)的理論和試驗研究工作，是我國進(jìn)行潮流能水輪機(jī)實(shí)驗研究較早的單位。2002年4月，哈爾濱工程大學(xué)研制了我國首座70 kW漂浮式潮流實(shí)驗電站“萬向 I”［7－8］，如圖 6所示。該裝置的載體為雙鴨首式船型，搭載水輪機(jī)、發(fā)電裝置和控制系統(tǒng);錨泊系統(tǒng)包括4只重力錨塊、錨鏈和浮筒組成;水輪機(jī)采用立軸可調(diào)角直葉片擺線式雙轉(zhuǎn)子機(jī)型，水輪機(jī)主軸輸出端安裝液壓及控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的壓力能和穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)工作，具有蓄電池充電控制、并網(wǎng)控制和相關(guān)的保護(hù)功能。在流速2～2.5 m/s時，平均發(fā)電功率5～20 kW。

2005年12月，“萬向II”40 kW潮流能發(fā)電實(shí)驗電站在岱山建成［9］，見圖7。該裝置建于岱山縣高亭鎮(zhèn)與對港山之間的潮流水道中，是一個獨(dú)立供電系統(tǒng)，采用彈簧控制葉片偏角H型雙轉(zhuǎn)子水輪機(jī)。載體呈雙導(dǎo)流箱形，由機(jī)艙、浮箱、導(dǎo)流罩、沉箱和支腿構(gòu)成，機(jī)械增速系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組密封于機(jī)艙中。電站沉沒于水下，坐在海底上運(yùn)行發(fā)電，避免了潮流發(fā)動機(jī)組受強(qiáng)臺風(fēng)襲擊的問題。電力通過海底電纜輸送到岸上，經(jīng)電能變換與控制等系統(tǒng)穩(wěn)頻穩(wěn)壓和儲能供岸上燈塔照明。電站具有下潛和上浮功能便于安裝維護(hù)。

2008年，中國海洋大學(xué)研制成一種5 kW柔性葉片水輪機(jī)潮流發(fā)電裝置［10］，如圖8所示，它的基本原理類似帆翼，柔性葉片為三角形，具有自適應(yīng)性，能充分利用升力效應(yīng)和阻力效應(yīng)，葉片采用柔性材料制成，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易維護(hù)。由于利用的是葉片升力和阻力，因此該水輪機(jī)的啟動流速比較低，但是由于其轉(zhuǎn)速較低，所以需要較大的增速機(jī)構(gòu)。

圖8 柔性葉片水輪機(jī)

3 垂直軸潮流水輪機(jī)研究方法進(jìn)展

目前垂直軸潮流水輪機(jī)水動力性能研究方法，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的理論依據(jù)可以分為三類:第一類是基于動量定理的方法，第二類是基于旋渦理論的方法，第三類是基于求解N－S方程的CFD方法。

3.1 基于動量定理的方法

1974年，Templin提出了基于動量定理的單盤面單流管模型［11］(Single Stream －Tube Model)，用來計算豎軸風(fēng)力機(jī)的流體動力特性，該模型是后來各種動量定理流管模型的基礎(chǔ)。其基本思路為:沿流向作一個流管包圍整個葉片運(yùn)動盤面(Actuator Disk)，假設(shè)誘導(dǎo)速度沿盤面均勻分布，將所有葉片經(jīng)過流管上游半?yún)^(qū)和下游半?yún)^(qū)的作用力之和作為該流管上的外力，應(yīng)用動量定理建立聯(lián)系這一外力和流管動量變化的方程式，從而求解出誘導(dǎo)速度，然后計算轉(zhuǎn)子的流體動力。

為了改善Templin的單盤面單流管模型，20世紀(jì)70年代中后期發(fā)展起來了許多復(fù)合流管模型。其中著名的有1975年Strickland提出的單盤面多流管模型［12］(Multiple Stream －Tube Model)、1982年，Paraschivoiu提出的雙盤面多流管模型［13］(Double － Multiple Stream － Tube Model)，以及1990年，Sharpe提出的一種雙盤面多流管模型［14］。

針對動量定理流管模型的修正方法也很多，較早的有Paraschivoiu等人對流管擴(kuò)張效應(yīng)的修正［15－16］。其它的修正方法有對計算中采用的翼型升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)實(shí)驗值的修正，例如對葉片動態(tài)失速的修正以及考慮葉片展弦比影響 的 修 正。Paraschivoiu 和 Desy［15－17］以 及Camporeale 和 Magi［18］在其計算中都采用了 Gormont的 Boeing－ Vertol動態(tài)失速模型［19］，來修正葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù);Paraschivoiu，et al［20］分析了葉片展弦比和動態(tài)失速對性能計算的影響等等。2006年汪魯兵在其博士論文中對流管模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究，給出雙盤面－多流管模型以及擴(kuò)張流管模型的進(jìn)一步探討［21］。

基于動量定理的流管模型在垂直軸水輪機(jī)水動力性能計算中的應(yīng)用已經(jīng)表明，在密實(shí)度和速比不大的情況下，該方法能夠方便快捷的預(yù)報水輪機(jī)的總體能量利用率和推力等性能。但是這種方法也有一些不足，首先不太適用于計算較高速比、較大密實(shí)度和載荷情況下的水輪機(jī)性能。在許多情況下，當(dāng)速比增大到一定值時，動量方程就會發(fā)散，而得不出解。

3.2 基于旋渦理論的方法

1978年，Wilson提出了 Vortex Sheet模型［22－23］，來求解 Giromill風(fēng)力機(jī)的流體動力性能。這是一種固定渦模型(Fixed－Wake Vortex Model)。這一模型是后來許多旋渦理論模型的基礎(chǔ)。

1979年，Strickland等人提出了V－DART模型［24］。V－DART模型是在1975年 Larsen的計算模型［25］、1976 年 Fanucci和 Walters的模型［26］以及 Holmes的模型［27］和 1978年 Nguyen的模型［28］的基礎(chǔ)上發(fā)展和完善起來的一種自由渦模型(Free－Wake Vortex Model)，它的主要改進(jìn)有:(1)通過和升力系數(shù)相聯(lián)系的Kutta條件，將葉片失速考慮進(jìn)計算模型，使得葉片載荷計算更準(zhǔn)確;(2)葉片展向分段的計算方法使得該模型可以用于三維計算和具有曲線形狀葉片的豎軸風(fēng)力機(jī)的流體動力計算;(3)不再固定尾渦的形狀，是一種非定常計算模型。

1984年，馬慶位提出了一種旋渦理論模型［29］。該模型的基礎(chǔ)是Wilson的Vortex Sheet模型，即用無限葉數(shù)的水輪機(jī)來代替實(shí)際水輪機(jī)，用附著渦層來代替葉片，用和來流方向平行的直線自由渦層來代替尾渦，馬慶位采用該模型對擺線式水輪機(jī)進(jìn)行了研究。

D.Vandenberghe和E.Dick在1987年提出一個與上述方法類似的旋渦模型［30］。在他們的方法中不再將有限葉數(shù)的水輪機(jī)化為無限葉數(shù)的水輪機(jī)來處理，他們將尾流的一定區(qū)域進(jìn)行分格，將位于單元格內(nèi)的尾渦絲離散到單元格的四個節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計算，尾渦絲的位置由它所在點(diǎn)當(dāng)?shù)氐牧黧w速度確定。在計算葉片受力的時候考慮了動態(tài)失速的影響。對于大展弦比葉片風(fēng)力機(jī)的計算是令人滿意的。

2001年，Ponta等提出了一種將自由渦模型和有限元分析結(jié)合起來的分區(qū)計算模型—FEVDTM 模型［31－32］。這種模型對流場分區(qū)計算，在大區(qū)域中采用和Strickland的V－DART模型相似的自由渦模型進(jìn)行計算;而在葉片周圍的小區(qū)域內(nèi)采用有限元方法計算。

2006年汪魯兵首先建立了多葉片非定常運(yùn)動的渦面元法模型［21］。具體給出了模型中源匯、附著渦和尾渦的分布方式以及處理方式，討論了非線性壓力Kutta條件的建立過程，并詳細(xì)介紹了針對該條件的一種簡化求解模型。這一模型能夠在保留上述Kutta條件中所有非線性項的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)顯示線性迭代求解。同時以該模型為基礎(chǔ)，通過對新生自由渦的處理，結(jié)合矩陣分塊算法，提出了一種高效快速的分解迭代格式，改善了收斂性和計算效率，方便了數(shù)值試驗的進(jìn)行和求解參數(shù)的優(yōu)化。

2008年Ye Li基于旋渦理論方法提出了離散渦(Discrete Vortex Model)模型［33］，并且在計算單個水輪機(jī)模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展出計算多個水輪機(jī)相互干擾的模型，并對兩個及以上水輪機(jī)干擾進(jìn)行了研究。

基于旋渦理論的這些方法，是在勢流理論框架下的展開的，因此對于流體粘性作用均采用的是修正方法，但是在水輪機(jī)速比較低時，葉片處于大攻角范圍，流體粘性作用影響較大，這些方法對葉片的受力預(yù)報精度不高。

3.3 基于求解N－S方程的CFD方法

基于求解N－S方程的CFD方法可以有效彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，是物理模型實(shí)驗的有效補(bǔ)充和探索性拓展，更提供了物理模型實(shí)驗無法同時獲得的瞬時流場信息。

隨著計算機(jī)的發(fā)展，CFD方法在垂直軸風(fēng)力機(jī)或水輪機(jī)研究中得到了廣泛的應(yīng)用，2005年，Horiuchi等人［34］使用 STAR－CD模擬二維假設(shè)下的垂直軸風(fēng)力機(jī)速度場，并與試驗值進(jìn)行比較，主要為了迅速的重新設(shè)計機(jī)構(gòu)，并改善其性能。風(fēng)力機(jī)半徑1.25 m，葉片弦長0.15 m，葉片數(shù)三片，翼型為 TWT11215，湍流模型采用 DES(Detached Eddy Simulation)，其指出隨著速比增加(λ≥2.8)，風(fēng)力機(jī)下游流速約為來流速度的0.3倍(u=0.3 V∞)，除此之外，流管的擴(kuò)張角約為14度。

2007 年，Guerri等人［35］使用STAR －CD 模擬二維垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的受力，其湍流模型采用SST k·ω，其指出低速比時，葉片周圍會產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流，此外葉片受力將有助于研究流體與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)間相互的影響(Fluid Structure Interaction)。Lida等人［36］為了解 Darrieus風(fēng)力機(jī)葉片大攻角變化下造成的大尺度失速與湍流尾流間相互作用的影響，采用LES(Large Eddy Simulation)進(jìn)行模擬，其指出高速比下動態(tài)失速的影響較小。Ferreira等人［37］使用Fluent軟件驗證二維模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)的動態(tài)失速現(xiàn)象時，網(wǎng)格、時間步長和湍流模型對計算結(jié)果的影響，并與PIV試驗結(jié)果相互驗證，其指出Laminar模型可模擬出翼前緣的層流分離，但會高估渦的發(fā)展，而一階或二階湍流模型卻會抵消部份翼前緣層流分離的最大法向力，除了流場的信息外Ferreira等人［38］也利用動量理論計算PIV的流場信息求得葉片的的氣動受力。

Hamada等人［39］使用Fluent軟件對垂直軸風(fēng)力機(jī)的強(qiáng)烈的三維效應(yīng)進(jìn)行模擬，其包括翼尖損失(tip lose)、轉(zhuǎn)軸及支臂的影響等。

2008年孫科提出應(yīng)用滑移網(wǎng)格理論研究H型葉輪的動邊界CFD數(shù)值模擬問題［40］。通過對固定偏角、和彈簧控角水輪機(jī)模型的計算研究，表明該方法可以較準(zhǔn)確的預(yù)報H型轉(zhuǎn)子的瞬時載荷和整體性能，與動網(wǎng)格模型相比，減少了網(wǎng)格數(shù)量，確保了網(wǎng)格質(zhì)量，大大節(jié)省了計算時間。

2009 年，Hwang等人［41］應(yīng)用 STAR －CD，采用k·ε湍流模型對擺線式垂直水輪機(jī)進(jìn)行了研究，其分析不同葉片數(shù)、葉片弦長、不同速比、不同翼型及葉片最大偏角對水輪機(jī)的影響，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。并根據(jù)計算結(jié)果對葉片偏角規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化。

4 垂直軸水輪機(jī)研究利用關(guān)鍵技術(shù)問題

目前，垂直軸潮流水輪機(jī)研究利用所需要解決和突破的技術(shù)難點(diǎn)和問題主要有以下幾個方面:

4.1 垂直軸水輪機(jī)準(zhǔn)確可靠的性能預(yù)報方法

準(zhǔn)確的預(yù)報水輪機(jī)的性能和載荷，對于水輪機(jī)設(shè)計十分關(guān)鍵，現(xiàn)有的研究方法仍存在很多不足，主要體現(xiàn)在基于假設(shè)條件較多，考慮因素還不全面，所以完善現(xiàn)有研究方法，準(zhǔn)確預(yù)報水輪機(jī)的性能是目前垂直軸水輪機(jī)研究利用面臨的一個關(guān)鍵技術(shù);

4.2 潮流能發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

潮流能發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計的難點(diǎn)在于多種因素的優(yōu)化綜合。一是系統(tǒng)的性能優(yōu)良，二是系統(tǒng)對海洋環(huán)境的適應(yīng)性、海上運(yùn)輸安裝和維護(hù)的方便性、長期運(yùn)行的可靠性以及推廣應(yīng)用的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。例如，潮流電站載體和發(fā)電機(jī)組的安裝和維護(hù)問題，有效施工的時間(平潮)非常有限，其施工方法、工藝是否有效，施工成本是否經(jīng)濟(jì)，都需要在總體方案設(shè)計中統(tǒng)籌考慮和解決。

4.3 可靠高效垂直軸水輪機(jī)技術(shù)

水輪機(jī)是潮流電站的核心裝置。水輪機(jī)在工作狀態(tài)時，葉輪周期性運(yùn)動本身會產(chǎn)生交變載荷，同時還有可能受到波浪影響，在保證水輪機(jī)具有較高效率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高運(yùn)行的可靠性，需要研究在流和浪的聯(lián)合作用下，水輪機(jī)的水動力載荷和功率特性。

4.4 惡劣海況下電站載體安全與保護(hù)技術(shù)

潮流電站的載體和水輪機(jī)組等主要裝備處于海上或水下。作為海洋結(jié)構(gòu)物，在臺風(fēng)或強(qiáng)流等惡劣海況下必須安全的生存，應(yīng)該有相應(yīng)的安全保護(hù)措施。在高海情條件下，載體和水輪機(jī)所受載荷很大而且載荷變化規(guī)律非常復(fù)雜，給錨鏈系統(tǒng)的設(shè)計帶來較大的困難。

5 結(jié)束語

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，潮流能的開發(fā)利用受到世界各國的重視，垂直軸潮流水輪機(jī)正在朝著大型商業(yè)化發(fā)展，各國都在加緊研發(fā)適于更大功率的垂直軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組方案。我國科研工作者應(yīng)汲取國外研究經(jīng)驗，利用我國現(xiàn)有條件，自主研發(fā)，突破技術(shù)難點(diǎn)，最終開發(fā)出適用于我國海域條件的垂直軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，促進(jìn)我國潮流能的可持續(xù)發(fā)展。

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