荊豐梅，張亮，張鵬遠(yuǎn)，肖立家

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.大唐山東發(fā)電有限公司，山東青島266061)

我國海岸線長、海島眾多(面積在500 m2以上的海島有6 921個(gè))，是我國重要的國土資源和海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)場所，但是多數(shù)島嶼存在無電或缺電的現(xiàn)狀.隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，包括潮流能在內(nèi)的海洋能將陸續(xù)被開發(fā)和利用，將對(duì)彌補(bǔ)能源短缺，緩解環(huán)境污染起到重要作用.我國沿海具有豐富的可再生潮流能資源，潮流電站將面對(duì)海島和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，有廣闊的應(yīng)用前景［1-4］.

由于潮流流速的大小隨著太陽、月亮與地球三者之間的位置的不同而不停的變化，雖然其變化規(guī)律已知，但是潮流流速有很長一段時(shí)間處于較低水平，這樣就直接導(dǎo)致了潮流水輪機(jī)發(fā)電功率較小以及可發(fā)電時(shí)間有限的問題.

目前潮流水輪機(jī)導(dǎo)流罩的研究尚處于起步階段.阿根廷的ISEP小組提出在垂直軸水輪機(jī)加裝導(dǎo)流罩方法［5］.此方法使轉(zhuǎn)子附近水域的流速增大，在相同輸出功率的情況下，轉(zhuǎn)軸的尺寸變小，從而使傳動(dòng)裝置的尺寸減小，進(jìn)而降低成本.由于轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體速度的自我調(diào)節(jié)，使得水輪機(jī)對(duì)于控制系統(tǒng)的依賴性大大降低.Ponta等［6］對(duì)一個(gè)擴(kuò)散器形狀的水道進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，水道的形狀改造可以提高能量輸出以及對(duì)低流的聚能作用.劉斌等［7］應(yīng)用非定常渦面元法對(duì)加裝導(dǎo)流罩水輪機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行理論計(jì)算，并分析水動(dòng)力機(jī)理，得出導(dǎo)流罩幾何參數(shù)和安裝位置對(duì)于輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響規(guī)律.孫科等［8］研究了帶“后門”的垂直軸水輪機(jī)導(dǎo)流罩.

基于對(duì)垂直軸潮流水輪機(jī)導(dǎo)流罩研究的啟發(fā)，本文采用數(shù)值計(jì)算(CFD)方法對(duì)一種新型水平軸潮流能發(fā)電水輪機(jī)增速導(dǎo)流罩進(jìn)行研究，計(jì)算導(dǎo)流罩不同參數(shù)對(duì)其性能的影響，依據(jù)計(jì)算規(guī)律設(shè)計(jì)新型導(dǎo)流罩，并通過水池模型試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 增速導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)流罩工作原理

增速導(dǎo)流罩的基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要參數(shù)包括凸緣高度h、凸緣安裝角度θ、導(dǎo)流罩?jǐn)U張角φ和長度L，葉輪直徑D，水流速度U，方向如圖所示.其工作原理是在擴(kuò)張角和后面凸緣的擾動(dòng)下，導(dǎo)流罩后面會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)［9］，低壓區(qū)域會(huì)對(duì)導(dǎo)流罩內(nèi)部流體產(chǎn)生一個(gè)抽吸作用，從而使更多的流體流入導(dǎo)流罩，進(jìn)而起到使流體加速的作用.

圖1 導(dǎo)流罩示意Fig.1 Diagram of the diffuser

1.2 CFD 數(shù)值模擬

基于FULENT軟件，采用CFD方法［10-11］對(duì)影響導(dǎo)流罩性能的主要參數(shù)進(jìn)行理論研究，在理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)增速導(dǎo)流罩進(jìn)行設(shè)計(jì).

模型為軸對(duì)稱形，所以計(jì)算中可簡化為二維模型以提高計(jì)算速度［12-14］.采用ICEM軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.湍流模型選用SST，導(dǎo)流罩定義為無滑移壁面，入口速度分布模擬無窮遠(yuǎn)處來流速度，U∞=1.2 m/s，出口采用開敞邊界條件.

計(jì)算中主要監(jiān)測了導(dǎo)流罩內(nèi)部流速沿流體流動(dòng)方向和沿導(dǎo)流罩徑向的變化，從而評(píng)測裝置的加速性能.

圖2、3給出了CFD計(jì)算的流場速度分布云圖和壓力分布云圖，從圖中可以清晰看出導(dǎo)流罩內(nèi)部流場的速度明顯高于外部流場，內(nèi)部流場壓力明顯低于外部壓力，說明該導(dǎo)流罩對(duì)流體起到加速作用.

圖2 CFD計(jì)算速度分布云圖Fig.2 Diagram of velocity distribution(CFD)

圖3 CFD計(jì)算壓力分布云圖Fig.3 Diagram of pressure distribution(CFD)

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)不同的影響參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，凸緣可以明顯提高導(dǎo)流罩的加速性能.裝置的加速性能隨著凸緣高度h的增加而增加，但到達(dá)0.5D后，繼續(xù)增加h對(duì)導(dǎo)流罩加速性沒有影響，如圖4所示.

凸緣安裝角θ為另一個(gè)影響因素，其變化對(duì)導(dǎo)流罩加速性能影響不是很大，如圖5所示.但是安裝角對(duì)裝置阻力的影響很大，所以在保證加速性能的前提下，加大安裝角，可減小整個(gè)裝置所受阻力.

圖4 凸緣高度h對(duì)導(dǎo)流裝置加速性能的影響Fig.4 Influence of h on accelerate performance of the diffuser

圖5 凸緣安裝角θ對(duì)導(dǎo)流裝置加速性能的影響Fig.5 Influence ofθ on accelerate performance of the diffuser

如圖6所示導(dǎo)流罩的擴(kuò)張角φ也是影響加速性能的關(guān)鍵參數(shù)，擴(kuò)張角達(dá)到4°時(shí)加速性能最好，繼續(xù)增加擴(kuò)張角會(huì)使加速性能下降.導(dǎo)流罩長度L對(duì)加速性能的影響規(guī)律為L越大，加速性能越好，如圖7所示;但是裝置越長，加工難度越大，成本越高，不利于工程應(yīng)用，因而需要在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下適當(dāng)增加導(dǎo)流罩的長度.

圖7 導(dǎo)流裝置長度L對(duì)加速性能的影響Fig.7 Influence of L on accelerate performance of the diffuser

基于以上計(jì)算研究得出的結(jié)論設(shè)計(jì)水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過實(shí)驗(yàn)測量導(dǎo)流罩的實(shí)際效果，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性.

2 水平軸水輪機(jī)導(dǎo)流罩模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

船模水池長108 m、寬7 m、深3.5 m，該水輪機(jī)直徑D=0.7m，葉片數(shù)n=3;其他主要試驗(yàn)設(shè)備包括采集器、扭矩儀、負(fù)載電阻.導(dǎo)流罩模型的基本參數(shù)如表1所示.圖8給出實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)流罩模型及輔助結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)裝置如圖9所示.

表1 導(dǎo)流罩實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突緟?shù)Table 1 Parameters of model of the diffuser

圖8 導(dǎo)流罩模型及輔助結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure of diffuser and support elements

圖9 吊裝完畢準(zhǔn)備測試的試驗(yàn)裝置Fig.9 Experiment model for testing

2.2 試驗(yàn)步驟與方法

該試驗(yàn)分為2個(gè)步驟:1)測出水輪機(jī)不帶導(dǎo)流罩時(shí)的功率特性曲線;2)測出加裝導(dǎo)流罩后水輪機(jī)的功率特性曲線［15］.

試驗(yàn)過程中水輪機(jī)的功率轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)功率，因而測量發(fā)電機(jī)的功率可間接得到水輪機(jī)的功率.可以通過測量發(fā)電機(jī)的電壓與電流輸出來得到發(fā)電機(jī)的功率，但是該方法得出發(fā)電機(jī)的功率并不很準(zhǔn)確，所以試驗(yàn)過程中將扭矩測量儀安裝在水輪機(jī)主軸上，通過測量主軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可間接得出發(fā)電機(jī)的功率，測量結(jié)果較準(zhǔn)確.

為了準(zhǔn)確地采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)并保證信號(hào)在時(shí)間上是同步的，試驗(yàn)中采用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件——DHDAS數(shù)字信號(hào)采集分析系統(tǒng).如10圖所示，DHDAS系統(tǒng)將所要采集的數(shù)據(jù)分為2個(gè)通道:通道5-2顯示轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，通道5-4顯示轉(zhuǎn)軸扭矩.

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.10 Data collection system

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別測量流速U為1.0 m/s和1.2 m/s時(shí)水輪機(jī)功率，試驗(yàn)曲線如圖11所示.

圖11 試驗(yàn)測試曲線Fig.11 Experiment testing results

試驗(yàn)結(jié)果顯示，導(dǎo)流罩使水輪機(jī)的發(fā)電功率明顯得到提高.在流速為1.0 m/s時(shí)，無導(dǎo)流罩水輪機(jī)功率最大為53 W;加上導(dǎo)流罩后，同樣流速下功率可以最大達(dá)到100 W，功率提高了近1倍.在流速為1.2 m/s時(shí)，無導(dǎo)流罩的水輪機(jī)功率最大為104W，加上導(dǎo)流罩后可以達(dá)到160W.因此，該導(dǎo)流罩對(duì)提高水輪機(jī)功率的作用是十分明顯的.

試驗(yàn)過程中，記錄有無導(dǎo)流罩時(shí)水輪機(jī)空載的啟動(dòng)流速.在未加導(dǎo)流罩時(shí)水輪機(jī)啟動(dòng)流速為0.65 m/s，加上導(dǎo)流罩以后啟動(dòng)流速降低到0.4 m/s，所以導(dǎo)流罩可以降低水輪機(jī)的啟動(dòng)流速，從而延長一個(gè)潮流周期內(nèi)的發(fā)電時(shí)間.

導(dǎo)流罩的作用除了可以提高效率外，由于尾部的凸緣受力較大，還會(huì)起到自動(dòng)控制偏角的作用，在來流不穩(wěn)定時(shí)，這種作用是十分有意義的.導(dǎo)流罩還可以起到保護(hù)葉片的作用，使水輪機(jī)工作時(shí)更穩(wěn)定.

3 結(jié)束語

通過對(duì)潮流發(fā)電增速導(dǎo)流罩的理論與試驗(yàn)研究，總結(jié)出導(dǎo)流罩主要參數(shù)包括凸緣高度h、凸緣安裝角度θ、導(dǎo)流罩?jǐn)U張角φ和長度L對(duì)加速性能的影響規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)有效的新型導(dǎo)流裝置，使水輪機(jī)的輸出功率提高了近1倍.同時(shí)還降低了水輪機(jī)的啟動(dòng)流速，從而延長一個(gè)潮流周期內(nèi)的發(fā)電時(shí)間，提高潮流能發(fā)電效率.

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