黃方平， 陳洪波， 張 利， 林 躦

(浙江大學(xué) a.寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；b.機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

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潮流能捕獲槳葉綜合實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

黃方平a， 陳洪波b， 張 利a， 林 躦a

(浙江大學(xué) a.寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；b.機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

在研究潮流能槳葉和實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2 kW潮流能捕獲槳葉綜合實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，主要由潮流模擬裝置、潮流能捕獲裝置、傳動(dòng)裝置、測控裝置組成。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可模擬2 m/s以下的潮流運(yùn)動(dòng)，測試不同流場下槳葉的捕能效率。設(shè)計(jì)并制作了不同設(shè)計(jì)流速的兩種槳葉實(shí)物，進(jìn)行測試比較，同時(shí)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到槳葉捕能性能的綜合評判。實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，控制方便。

潮流能； 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)； 槳葉； 水動(dòng)力性能

0 引 言

我國潮流能資源豐富，據(jù)評估，中國沿岸潮流能平均功率約有14萬MW[1]。潮流能具有強(qiáng)規(guī)律性、可預(yù)測性、能量密度大、利用方便等特點(diǎn)[2]。潮流能作為一種清潔可再生能源，對改變能源結(jié)構(gòu)、緩解能源危機(jī)，開發(fā)開放海域荒島等具有重要意義。

目前潮流能的主要開發(fā)應(yīng)用方式是發(fā)電，潮流能發(fā)電系統(tǒng)具有自啟動(dòng)性能好、便于直驅(qū)傳動(dòng)和開展各種控制方法等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。槳葉是潮流能捕獲的關(guān)鍵部件，對于整個(gè)潮流能發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要，槳葉的捕能效率直接決定系統(tǒng)的發(fā)電量。潮流能捕獲槳葉設(shè)計(jì)目前主要借鑒風(fēng)力發(fā)電槳葉的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，尚無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理論和方法[5-7]。同時(shí)，由于潮流發(fā)電具有自身的特性，設(shè)計(jì)槳葉的綜合性能需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外水動(dòng)力學(xué)性能經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬大都建立在理想化的假設(shè)基礎(chǔ)上，其計(jì)算結(jié)果也需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[8]，而捕能系統(tǒng)海上實(shí)驗(yàn)成本高、環(huán)境惡劣，因此建立槳葉的綜合性能實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)對驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果、指導(dǎo)槳葉設(shè)計(jì)和海上實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

目前，國內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)水池大都集中在科研單位和高等院校，主要為大型的船模實(shí)驗(yàn)池或多功能綜合水池，側(cè)重的是艦船制造技術(shù)的研究、海洋水動(dòng)力模擬或者整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的研究，建設(shè)規(guī)模大、運(yùn)行成本高[9-10]。本文對潮流能捕獲槳葉的綜合性能測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，同時(shí)進(jìn)行了槳葉的綜合捕能效率測試實(shí)驗(yàn)，對槳葉的綜合性能進(jìn)行了評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。其工作原理為：潮流模擬裝置在測控裝置控制下產(chǎn)生給定速度的模擬潮流，潮流能捕獲裝置(通常為槳葉)捕獲潮流能，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)工作帶動(dòng)負(fù)載，由負(fù)載進(jìn)行耗能和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。同時(shí)測控系統(tǒng)對傳動(dòng)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行測量，進(jìn)行槳葉的水動(dòng)力性能綜合測試。

圖1 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)以70 m長，4 m寬的“L”形實(shí)驗(yàn)水池為基礎(chǔ)，詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。潮流模擬裝置(圖2中的4～8、18組成)通過控制主機(jī)遠(yuǎn)程控制臺(tái)達(dá)PLC和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，繼而控制伺服電機(jī)由鏈傳動(dòng)拖動(dòng)小車平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與水流相對運(yùn)動(dòng)來模擬潮流運(yùn)動(dòng)；潮流能捕獲裝置(圖2中的1～3組成)采用水平軸、懸浮、無導(dǎo)流罩葉輪式結(jié)構(gòu)，潮流能捕獲裝置即槳葉為被測對象，設(shè)計(jì)理論較為復(fù)雜，這里不再贅述；傳動(dòng)裝置(圖2中的9～15組成)采用鏈傳動(dòng)加上傳統(tǒng)的齒輪增速機(jī)構(gòu)；測控裝置(圖2中的12、16、17、19組成)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量、傳輸和顯示及拖曳系統(tǒng)的控制。

考慮到葉輪的懸臂結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)葉輪受到振動(dòng)沖擊，以及實(shí)驗(yàn)后期需要頻繁地更換槳葉和調(diào)整槳葉安裝角，葉輪懸臂采用可拆卸結(jié)構(gòu)固定在具有緩沖作用的拖曳小車上。傳動(dòng)系統(tǒng)采用鏈傳動(dòng)把水下葉輪的低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)械能傳到水上的傳動(dòng)部分，最終通過增速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成高速低轉(zhuǎn)矩的機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，然后由功率電阻耗能和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)系統(tǒng)的主體及測控系統(tǒng)放在水面上，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)較高的密封等維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)為了補(bǔ)償各傳動(dòng)部件的不對中，提高傳動(dòng)效率，水上轉(zhuǎn)子-軸承支撐系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、增速機(jī)和發(fā)電機(jī)均安裝在一個(gè)支撐系統(tǒng)上[12]，各旋轉(zhuǎn)部件之間采用具有位移和角度補(bǔ)償功能的柔性聯(lián)軸器連接。系統(tǒng)采用1∶4的平行軸式單級(jí)行星增速器。轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在增速器之前，增速器和發(fā)電機(jī)一并作為負(fù)載，以減少增速器和發(fā)電機(jī)自身功耗對轉(zhuǎn)矩測量的影響，提高轉(zhuǎn)矩測量精度[12]。

1-槳葉；2-輪轂；3-懸臂架；4-工字鋼軌道；5-伺服電機(jī)；6-伺服驅(qū)動(dòng)器；7-PLC；8-無線AP；9-拖曳鏈條；10-軸承座；11-鏈輪；12-扭矩傳感器；13-支撐架；14-增速機(jī)；15-聯(lián)軸器；16-發(fā)電機(jī)；17-測控系統(tǒng)控制箱；18-拖曳小車；19-服務(wù)器；20-傳動(dòng)鏈條；21-主軸；22-水池

圖2 系統(tǒng)組成方案

2 測控裝置設(shè)計(jì)

測控裝置是試驗(yàn)系統(tǒng)最重要的組成部分，由測控裝置硬件、無線傳輸網(wǎng)以及測控裝置軟件等組成，起到調(diào)節(jié)電機(jī)后級(jí)負(fù)載、控制潮流速度以及采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果的作用。

(1) 測控裝置硬件設(shè)計(jì)。測控裝置硬件由動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、發(fā)電機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡、功率電阻、無線AP、視頻計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等組成，原理如圖3所示。

圖3 測控裝置原理圖

轉(zhuǎn)矩測量通過應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)現(xiàn)，該傳感器能同時(shí)測量傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，因而能方便地求出葉輪的捕獲功率。發(fā)電機(jī)選用的是低速水平軸三相永磁同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)啟動(dòng)力矩小，額定輸出功率1 kW，額定轉(zhuǎn)速360 r/min，效率大于90%，工作壽命大于20 a。功率電阻作為發(fā)電機(jī)的負(fù)載，同時(shí)起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的作用。機(jī)械功率表達(dá)式：

式中:P是槳葉輸出功率(W)；T是傳動(dòng)系統(tǒng)輸轉(zhuǎn)矩(N·m)；n是傳動(dòng)系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速(r/min)。

由上式可知，實(shí)際獲得功率可由轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求出，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩可通過改變接入電路功率電阻的阻值調(diào)節(jié)?？勺冸娮栌啥鄠€(gè)不同阻值的電阻串聯(lián)在一起，每個(gè)電阻由一個(gè)繼電器控制，繼電器通過多功能數(shù)據(jù)采集卡與總服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)多種阻值組合。視頻計(jì)算機(jī)對水下高速攝像相機(jī)采集的視頻進(jìn)行存儲(chǔ)等預(yù)處理，數(shù)據(jù)采集卡采集到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過無線AP傳給遠(yuǎn)端服務(wù)器。測控裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 測控裝置實(shí)物圖

(2) 無線傳輸網(wǎng)。無線傳輸系統(tǒng)主體由基于airMAX[13]技術(shù)的無線AP組成的無線網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器相連的AP為全向天線Rocket M5，作為數(shù)據(jù)接收和命令發(fā)送主基站，與潮流模擬系統(tǒng)PLC網(wǎng)口相連的AP和測控系統(tǒng)硬件部分的AP分別是定向扇形天線NanoStation LOCO M5和Bullet M5，它們作為數(shù)據(jù)發(fā)送和命令接受端。

(3) 測控裝置軟件設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制室服務(wù)器采用普通PC，軟件用LabVIEW2011設(shè)計(jì)完成。主要實(shí)現(xiàn)對潮流模擬系統(tǒng)拖曳小車速度的控制和模擬小車的動(dòng)態(tài)顯示，以及對發(fā)電機(jī)負(fù)載的調(diào)節(jié)，各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、保存、回讀、實(shí)時(shí)顯示等功能。系統(tǒng)軟件界面如圖5所示。

服務(wù)器通過LabVIEW自帶的OPC模塊實(shí)現(xiàn)與帶網(wǎng)絡(luò)接口的PLC實(shí)時(shí)通訊。上位機(jī)服務(wù)器通過改變PLC的輸入脈沖頻率來改變拖曳電機(jī)的運(yùn)行速度,通過電機(jī)的編碼器把小車的實(shí)時(shí)位置傳回上位機(jī)，在軟件界面上顯示小車的動(dòng)態(tài)位置，以便控制小車。

LabVIEW程序通過無線AP與下位機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)接口的多功能數(shù)據(jù)采集卡連接，上位機(jī)服務(wù)器控制程序?qū)﹄姍C(jī)的負(fù)載(功率電阻)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即控制多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出DO，實(shí)現(xiàn)負(fù)載繼電器的通斷。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等傳感器采集的數(shù)據(jù)也通過數(shù)據(jù)采集卡傳回上位機(jī)，在軟件界面顯示。水下攝像機(jī)采集的視頻通過調(diào)用Windows Media Play ActiveX控件實(shí)現(xiàn)在軟件界面的顯示。

圖5 測控軟件界面

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建和功能

(1) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建。完成總體設(shè)計(jì)方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案后，開始加工和選購各零部件。數(shù)據(jù)采集卡采用美國“MCC”公司具有網(wǎng)絡(luò)接口的E-1608多功能數(shù)據(jù)采集卡；扭矩傳感器采用瑞士Kistler公司的4520A500應(yīng)變式扭矩傳感器，可以同時(shí)測量轉(zhuǎn)速；無線AP選用低功耗、吞吐量100 Mb/s和傳輸距離10 km[13]的美國UBNT公司產(chǎn)品。實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 整個(gè)測試系統(tǒng)實(shí)物圖

(2) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能。綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：①模擬不同速度的潮流，最高達(dá)2 m/s； ②對不同槳葉的捕能效率、輸出功率、推力特性、轉(zhuǎn)矩特性等多種水動(dòng)力性能進(jìn)行驗(yàn)證測試；③進(jìn)行模擬潮流能發(fā)電的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，并為后續(xù)的發(fā)電效率、傳遞效率等研究提供硬件支持。

4 實(shí)驗(yàn)測試

潮流能槳葉能量捕獲實(shí)驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)通過模擬時(shí)變的真實(shí)海況，測試潮流能槳葉在整個(gè)發(fā)電周期的捕能總功率，綜合評價(jià)分析不同槳葉、不同潮流流速下的水動(dòng)力性能。這里選擇了兩種不同的葉片，通過對比實(shí)驗(yàn)，說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測試方法和評價(jià)體系。

(1) 槳葉選擇。為驗(yàn)證整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能，利用Wilson方法[14-15]分別根據(jù)不同設(shè)計(jì)流速設(shè)計(jì)了兩種水平軸潮流能槳葉。基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流速v為1.3,1.5 m/s，額定功率P=1.0 kW，葉輪直徑D=1.5 m，輪轂直徑Dhub=0.3 m，槳葉數(shù)B=3個(gè)，槳葉翼型NACA6412。分別計(jì)算槳葉弦長和扭角分布并經(jīng)過實(shí)體造型和加工，得到的槳葉實(shí)物如圖7所示。

(a) 1.3 m/s

(b) 1.5 m/s

圖7 槳葉實(shí)物圖

(2) 槳葉捕能效率測試。以0.1為間隔改變測試流速從0.8～1.7 m/s，同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使捕能效率最大化。對不同流速下的捕能系數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8所示。

圖8 捕能系數(shù)隨測試流速變化曲線

圖9 實(shí)測功率隨測試流速變化曲線

使槳葉捕能效率盡可能大是槳葉設(shè)計(jì)的目標(biāo)。從圖8可以看出，兩種槳葉的最大捕能系數(shù)約為Cpmax=0.4，測試流速為設(shè)計(jì)流速時(shí)捕能系數(shù)最大，而測試流速遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)流速時(shí)捕能效率低，符合設(shè)計(jì)理論。由圖9可以看出，實(shí)測功率隨測試流速在達(dá)到設(shè)計(jì)流速前以3次方趨勢增加；而超過設(shè)計(jì)流速后，槳葉失速，發(fā)電效率低，發(fā)電功率急劇降低，也符合設(shè)計(jì)理論。因此實(shí)驗(yàn)測試的方法表明了該槳葉的設(shè)計(jì)是有效的，用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能方便地測出了槳葉的實(shí)際捕能效率。除此之外，還可以對該槳葉的推力特性、轉(zhuǎn)矩特性等水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行測試。

5 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)地潮流能特點(diǎn)，潮流能發(fā)電槳葉設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，針對潮流能捕獲槳葉水動(dòng)力性能的測試，對包括潮流模擬裝置、捕能裝置、傳動(dòng)裝置、測控裝置等在內(nèi)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研制，進(jìn)行了槳葉的綜合性能實(shí)驗(yàn)測試，得到如下結(jié)論：

(1)所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，控制方便，可以模擬2 m/s以下潮流速度，葉輪轉(zhuǎn)速0～150 r/min，測控系統(tǒng)額定功率2 kW，可進(jìn)行多種槳葉的水動(dòng)力性能測試；

(2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用無線分布式測控技術(shù)，能夠無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的流程化管理和監(jiān)控，使數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和分析更加方便，提高了實(shí)驗(yàn)測試的有效性；

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行槳葉綜合性能測試，得到的實(shí)測結(jié)果符合槳葉設(shè)計(jì)理論，其實(shí)測數(shù)據(jù)可有效地指導(dǎo)槳葉設(shè)計(jì)。

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Research on the Test System of the Performance of Tidal Energy Blade

HUANGFang-pinga，CHENHong-bob，ZHANGLia，LINZuana

(a. Ningbo Institute of Technology, Ningbo 315100, China; b. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The performance evaluation of the blade capturing tidal energy is always directly tested in offshore field. the method wastes time and labors, and the research based on the pool experimental system is less. On the basis of wide research on the blade capturing tidal energy, this paper designed an experimental test system which can be used to test the blade that can capture 2 kW power flow. It was mainly composed of the power flow simulation device, the tidal energy capture device, the driving device, and the measurement and control device. The experimental system could simulate the flow movement under the 2 m/s, and could be used to test the efficiency of the different flow field. Two kind blades were designed and manufactured based on different design flow rates, and the test data were analyzed. The test system was stable, reliable and easy to control. Compared with the experimental results, the accuracy of the experimental system was demonstrated.

tidal energy; experimental test system; blades; hydrodynamic performance

2015-08-27

國家海洋局海洋可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目(NBME2011CL02)；浙江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(jg2015216)；浙江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ15E05009)；寧波市公益重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2015C110015)；慈溪市重大公關(guān)項(xiàng)目(2013A11)

黃方平(1973-)，男，湖南雙峰人，副教授，主要從事流體傳動(dòng)及海洋機(jī)電裝備技術(shù)研究。

Tel.:13454703259;E-mail:hfp618@163.com

TK 730.7

A

1006-7167(2016)05-0063-04