高成昊，鄭 源，李東闊

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 創(chuàng)新研究院，南京 210098)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，化石燃料日益短缺，能源問題逐步成為全球性問題[1]。可再生能源逐漸成為研究的焦點(diǎn)，海洋能是可再生能源的重要組成，也漸漸受到人們的廣大關(guān)注。地球上的波浪能儲存量巨大，全球的理論可開發(fā)量級為109 kW，擁有廣闊的開發(fā)前景和價(jià)值[2]。波浪能與其他海洋能相比，具有對環(huán)境影響小，能量密度大且能以機(jī)械能儲存等優(yōu)點(diǎn)，是品位最高的海洋能[3]。

波浪發(fā)電是將波浪的動(dòng)能與勢能通過能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為電能[4]。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生機(jī)械能的形式，波浪轉(zhuǎn)換裝置主要分為機(jī)械液壓式、越浪式和振蕩浮子式等。李志祥優(yōu)化了波浪發(fā)電裝置的能量獲取系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出能提高越浪性的雙層系統(tǒng)[5]；黃燕在國內(nèi)首次提出了漂浮式蝶形越浪式波能發(fā)電裝置的新構(gòu)想，并將水輪機(jī)與波能發(fā)電裝置結(jié)合[6]；劉婭君為波能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)出了低水頭水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，為波浪能利用提供技術(shù)支持[7]。水輪機(jī)是越浪式波浪發(fā)電裝置的核心，但他們重點(diǎn)關(guān)注的是整個(gè)波浪發(fā)電系統(tǒng)，對應(yīng)用于波浪發(fā)電的水輪機(jī)研究偏少，沒有研究影響水輪機(jī)工作性能的參數(shù)，故本論文對水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

國內(nèi)應(yīng)用于波浪發(fā)電裝置的水輪機(jī)大多為軸流式和雙擊式，韓光華對應(yīng)用于越浪式波能發(fā)電裝置的軸流式水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)[8]，張玉全通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方式研究了軸流式水輪機(jī)在越浪式波浪能發(fā)電裝置的應(yīng)用，并提高了該裝置的效率[9]。然而關(guān)于貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用較少，相比于軸流式水輪機(jī)，豎井貫流式水輪機(jī)設(shè)有敞開并兼作流道的豎井，發(fā)電機(jī)等大部件安裝在豎井的殼內(nèi)，具有水力性能較好，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[10]。因此，完善波浪發(fā)電系統(tǒng)豎井貫流式水輪機(jī)的研究對提高波能發(fā)電量具有重要意義。

本文結(jié)合山東青島某波浪發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出適用于波浪發(fā)電的貫流式水輪機(jī)，通過理論分析與數(shù)值模擬優(yōu)化，最終開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、高效的低水頭豎井貫流式水輪機(jī)，來達(dá)到充分利用波浪能的目的。

1 波浪發(fā)電系統(tǒng)介紹

1.1 波浪發(fā)電系統(tǒng)簡介

波浪發(fā)電系統(tǒng)由兩種平臺組成，分別為波浪提水平臺與波浪發(fā)電平臺。如圖1所示，波浪提水平臺即波浪提水裝置包括：浮具、連桿、活塞、浮具中心樁腿、控制系統(tǒng)、壓力儲水箱等。浮具中心樁腿中的鋼管樁豎直穿過海底泥沙層直達(dá)海底基巖，浮具中心樁腿上設(shè)置有一個(gè)以其為運(yùn)動(dòng)軌道的倒圓臺形浮具，浮具下方通過一根圓筒形的連桿連接環(huán)形活塞，連桿內(nèi)壁上排布有多圈環(huán)狀的抵具，確保在浪涌沖擊下，浮具仍能以中心樁腿為軌道上下順暢運(yùn)動(dòng)。其工作原理為：浮筒裝置利用波浪能的高低位差，帶動(dòng)浮筒上下運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)化為水的勢能，完成第一次能量轉(zhuǎn)換，并將水流儲存在儲水箱中。

在平臺壓力儲水罐之下，波浪提水平臺與波浪發(fā)電平臺相連接。由圖1可以看出，波浪發(fā)電平臺主要包括波浪發(fā)電水輪機(jī)和廠房。發(fā)電裝置在儲水槽保持一定水頭時(shí)，水流由儲水罐流過水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，完成發(fā)電，進(jìn)而完成第二次能量轉(zhuǎn)換。本套系統(tǒng)加入空氣壓縮控制系統(tǒng)，可根據(jù)波浪情況調(diào)整儲水箱的液面高度，保持儲水箱中水頭和流量的穩(wěn)定。

1.2 波浪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

本文的波浪發(fā)電系統(tǒng)在正常情況下，浮具利用海洋中的波浪能，將水提取到壓力儲水箱中。表1為某地實(shí)際測量的全年逐月平均周期和波高情況，此地年平均波高為1.4 m，年平均波高周期為4.7 s，現(xiàn)將平均波高和周期作為設(shè)計(jì)工況。

1-浮具；2-連桿；3-活塞；4-浮具中心樁腿；5-控制系統(tǒng)；6-單向止回閥；7-壓力儲水箱；8-波浪發(fā)電平臺圖1 波浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 某地全年逐月平均波高和周期

浮筒的慣性質(zhì)量達(dá)到5.9 萬kg的數(shù)量級，浮筒隨波浪上下運(yùn)動(dòng)，在1.4 m的年平均波高下，浮筒向上提升1.4 m的過程中積累的勢能為：5.9×104×9.81×1.4=8.1×105W。

波峰過后浮筒向下壓海水入等效高位水箱的過程中，若忽略壓水過程中的損耗，5.9 萬kg浮筒1.4 m高處的勢能，轉(zhuǎn)化成15 m水頭等效高位水箱中5.5 m3海水的勢能；5.9 萬kg的浮筒在1.4 m的年平均波高下，在每個(gè)波浪周期5 s內(nèi)壓5.5 m3水到15 m高處。如果將此水量均勻地引至水輪機(jī)，則設(shè)計(jì)工況下，水輪機(jī)平均流量為1.1 m3/s。表2為在波浪提水平臺作用下，某地全年逐年月平均水頭和流量，由表可知水頭范圍為13.3～16.5 m范圍內(nèi)。

表2 波浪提水平臺轉(zhuǎn)換后全年逐月平均水頭和流量

本文所設(shè)計(jì)波浪發(fā)電系統(tǒng)平臺，為與海上風(fēng)電進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電，要求水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與海上風(fēng)力機(jī)相匹配，采用豎井貫流式水輪機(jī)。該水輪機(jī)具有水力性能較好，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，故本文采用豎井貫流式水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文研究對象為豎井貫流式水輪機(jī)，該水輪機(jī)包括：進(jìn)水流道、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪段和出水流道。水輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)水頭Hd=15 m，設(shè)計(jì)流量Qd=1.1 m3/s，轉(zhuǎn)速n=850 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑D=0.8 m。為減少水流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的撞擊損失，將豎井側(cè)面設(shè)計(jì)成流線型。圖2為開發(fā)設(shè)計(jì)的低水頭豎井貫流式水輪機(jī)。

圖2 豎井貫流式水輪機(jī)流道三維圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程及網(wǎng)格劃分

考慮到流動(dòng)介質(zhì)為三維不可壓縮黏性流體，故數(shù)值計(jì)算分別采用連續(xù)性方程和N-S方程[11]。

連續(xù)方程：

?(ui)/?xi=0

(1)

N-S方程：

(2)

本文計(jì)算區(qū)域?yàn)椋哼M(jìn)水流道、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪段和出水流道，其中轉(zhuǎn)輪段為旋轉(zhuǎn)區(qū)，其他區(qū)域?yàn)榉切D(zhuǎn)區(qū)。采用ICEM CFD軟件對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對支撐、葉片以及輪轂這些較為復(fù)雜的過流部件表面進(jìn)行加密，以減少數(shù)值模擬的誤差?？紤]到豎井貫流式水輪機(jī)的復(fù)雜性，故采用自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到一定量級之后，再增加網(wǎng)格數(shù)目對計(jì)算結(jié)果沒有顯著影響，效率的相對差值在1%以內(nèi)，而增加網(wǎng)格的數(shù)目對計(jì)算機(jī)的要求也會越高，最終各計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量如表3所示。

表3 各計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)

2.2 邊界條件及求解器

邊界條件采用壓力進(jìn)口與壓力出口，在進(jìn)水流道進(jìn)口斷面給定壓力值。在固壁面采用無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)輪采用轉(zhuǎn)動(dòng)邊界，近固壁面采用對數(shù)式壁面函數(shù)處理法[12,13]。

湍流模型采用sstk-ω模型，為保證核心區(qū)域的計(jì)算效率，在近壁面調(diào)用具有魯棒性捕捉黏性底層流動(dòng)的k-ω模型。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力方程耦合，為保證計(jì)算精度采用二階迎風(fēng)格式，采用隱式求解[14]。

3 轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 葉片翼型優(yōu)化

貫流式水輪機(jī)的葉片是空間扭曲型，在葉片截面形狀及其他過流部件尺寸、參數(shù)不變時(shí)，將葉片的每個(gè)截面繞著z軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，改變?nèi)~片扭曲角重新生成新的葉片三維模型。如圖3所示，本文將葉片截面1依次旋轉(zhuǎn)-2°，-1°，+1°，截面2～5的旋轉(zhuǎn)角度線性增加，進(jìn)而改變?nèi)~片翼型，分別得到翼型(1)、翼型(2)、翼型(3)三種類型翼型。

圖3 葉片截面圖

3.2 不同葉片安放角

不同安放角會影響水輪機(jī)的性能。本文選取葉片初始安放位置為0°，在其他過流部件相同，相同導(dǎo)葉開度下，將葉片按-4°，-2°，0°，+2°和+4°五個(gè)位置安放，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。圖4給出了葉片安放角為-4°，0°，+4°時(shí)的示意圖。

圖4 不同安放角時(shí)單位葉片示意圖

3.3 不同導(dǎo)葉開度

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)的一個(gè)重要部件，其性能的優(yōu)劣關(guān)系到水輪機(jī)的出力及運(yùn)行的穩(wěn)定性，導(dǎo)葉是過流部件中的主要部分，水流在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的損失會影響水輪機(jī)的效率。本文選取導(dǎo)葉初始位置為0°，保持水輪機(jī)其他各過流部件尺寸形狀相同，僅分別調(diào)整導(dǎo)葉開度為-4°，-2°和+2°進(jìn)行計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 不同葉片翼型對水輪機(jī)性能的影響

在相同導(dǎo)葉開度下，不同的葉片扭曲角對水輪機(jī)的效率有一定的影響。通CFD軟件分別對翼型(1)、(2)、(3)這三種情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如表4所示。由表可知不同翼型對水輪機(jī)水力性能有一定影響。隨著葉片扭曲角的增大，效率升高，流量增大。當(dāng)翼型為(3)時(shí)效率最高為84.38%，且其轉(zhuǎn)輪部分水力損失Δh最小為1.14 m。綜合計(jì)算結(jié)果，可初步看出，翼型(3)使水輪機(jī)組有較好的水力性能。

表4 不同翼型計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)輪葉片間的壓力差能直接反映水流對葉片的做功能力。在相同導(dǎo)葉開度下，對以上3種翼型分別提取了轉(zhuǎn)輪葉片壓力面與吸力面的壓力分布圖，如圖4、5所示。

由圖5可看出，三種翼型的葉片壓力面靜壓分布比較合理，壓力由進(jìn)水邊向出水邊變化比較均勻?？拷嗇炋幱械蛪簠^(qū)，最高壓力出現(xiàn)在葉片外緣，因而能夠形成較大的力矩，故能促進(jìn)葉片做功。由圖可知，隨著葉片扭曲度的增大，葉片低壓區(qū)面積減小，高壓區(qū)面積增大，壓力升高。翼型(3)有較大的高壓區(qū)和較小的低壓區(qū)，做功能力優(yōu)于翼型(1)、(2)。

由圖6可看出，翼型(1)、(2)葉片吸力面的低壓區(qū)面積大于翼型(3)，說明在進(jìn)口處的沖角較大，水流沖擊吸力面形成漩渦和脫流，造成局部損失。低壓區(qū)面積逐漸減小，水輪機(jī)抗氣蝕能力得到提高，進(jìn)一步說明了轉(zhuǎn)輪葉片翼型為翼型(3)時(shí)，水輪機(jī)的水力性能較好。

4.2 葉片安放角對水輪機(jī)性能的影響

效率和能量損失是衡量水輪機(jī)性能的重要指標(biāo)，表5是通過數(shù)值模擬計(jì)算得到不同葉片安放角計(jì)算結(jié)果。由表可知：①不同葉片安放角對水輪機(jī)的效率有一定影響，其效率隨葉片安放角的增大而升高。其中葉片安放角為+4°時(shí)，效率最高為85.28%。②水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部分水力損失隨著葉片安放角的增大先增大后減小。-4°與+4°的水頭損失相差不大，但+4°的水頭損失較小。③不同葉片安放角對水輪機(jī)過流能力也有一定影響，隨著葉片安放角的增大，過流能力相應(yīng)減小，故+2°和+4°的流量與該水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量較為接近。

圖6是不同葉片安放角的全流道流線圖，由圖6可以看出，四種不同葉片安放角的進(jìn)水流道光滑對稱，水流平穩(wěn)從進(jìn)水流道流入導(dǎo)葉段，流線平滑，無回流和局部漩渦等不良流態(tài)。

圖5 葉片壓力面壓力分布

圖6 葉片吸力面壓力分布

圖7 全流道流線圖

Φ/(°)Δh/mη/%Q/(m3·s-1)-41．09282．251．30-21．11182．671．2301．26783．161．17+21．24283．581．13+41．02985．281．09

在出口段，當(dāng)葉片安放角為-4°時(shí)，流速較低，呈現(xiàn)徑向渦旋；當(dāng)葉片安放角為0°和+2°時(shí)，徑向渦旋得到明顯改善，但是出現(xiàn)明顯漩渦；當(dāng)葉片安放角為+4°時(shí)，無明顯徑向渦旋和漩渦，流態(tài)順暢。故綜合水輪機(jī)效率和轉(zhuǎn)輪部分的水力損失，轉(zhuǎn)輪葉片安放角為+4°時(shí)水輪機(jī)水力性能較好。

4.3 導(dǎo)葉開度對水輪機(jī)性能的影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同導(dǎo)葉開度的計(jì)算結(jié)果如表6所示。由表6可知，不同導(dǎo)葉開度對水輪機(jī)的水力性能有一定影響。隨導(dǎo)葉開度的增大，流量增大，效率先升高后降低，轉(zhuǎn)輪部分水力損失先減小后增大。在導(dǎo)葉開度為-2°時(shí)，效率最高為85.36%，水力損失最小為1.153 m。

表6 不同導(dǎo)葉開度計(jì)算結(jié)果

圖8與圖9分別是導(dǎo)葉葉片壓力面與吸力面壓力分布圖。根據(jù)圖8可知，由進(jìn)水邊到出水邊，壓力逐漸降低，沒有突變。從導(dǎo)葉根部到導(dǎo)葉外緣壓力增加，在進(jìn)口靠近導(dǎo)葉外緣處壓力最大，根部靠近出水邊時(shí)壓力最小。隨著導(dǎo)葉開度的減小，流量逐漸減小，導(dǎo)葉壓力面的壓力整體增大，且分布越來越均勻。故當(dāng)導(dǎo)葉開度為-4°和-2°時(shí)，導(dǎo)葉壓力分布更為均勻合理。

由圖9可以看出，吸力面與壓力面相比整體壓力較小，在導(dǎo)葉根部靠近輪轂處的壓力最小，而導(dǎo)葉外緣處壓力最大。隨著導(dǎo)葉開度的減小，流量逐漸減少，而在小流量的工況下，導(dǎo)葉開度對改變水流流向能力的影響較大，當(dāng)導(dǎo)葉開度為-4°時(shí)，導(dǎo)葉吸力面出現(xiàn)脫流，出現(xiàn)負(fù)壓，易發(fā)生空化空蝕。結(jié)果表明，導(dǎo)葉開度過大或過小都對水輪機(jī)性能有不利的影響，當(dāng)導(dǎo)葉開度為-2°時(shí)，水輪機(jī)壓力分布更為合理水力損失最小，效率最高達(dá)85.36%。

圖8 導(dǎo)葉壓力面壓力分布

圖9 導(dǎo)葉吸力面壓力分布

4.4 波浪發(fā)電系統(tǒng)性能綜合性能分析

波浪能具有波動(dòng)性大的特點(diǎn)，經(jīng)波浪提水平臺轉(zhuǎn)換后波浪發(fā)電的全年逐月平均水頭在13.0～16.5 m之間浮動(dòng)。將全年逐月平均水頭與波浪發(fā)電水輪機(jī)系統(tǒng)的發(fā)電量匹配發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)水頭15 m時(shí)，水輪機(jī)的最優(yōu)工況流量達(dá)到1.11 m3/s，與本套波浪發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量1.10 m3/s非常接近，水輪機(jī)效率也達(dá)到了85.36%。表7為根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的不同水頭波浪發(fā)電系統(tǒng)平均效率情況。由表可知在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，該水輪機(jī)的全年效率均可達(dá)到83%以上。結(jié)果表明，本套波浪發(fā)電系統(tǒng)的水輪機(jī)全年都可以達(dá)到高效穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10為水輪機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下不同水頭的全流道流線分布圖。由圖可知，水輪機(jī)在該4種水頭下的整體流態(tài)較好，水流沿流道分布均勻，水流從進(jìn)水流道流入，經(jīng)導(dǎo)葉流入葉片，沿葉片均勻流入尾水管，整個(gè)過程無明顯漩渦，流態(tài)順暢。因此本文所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)與發(fā)電提水平臺能夠良好的匹配，讓整套波浪發(fā)電系統(tǒng)在全年的不同水頭中均可高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

表7 不同水頭計(jì)算結(jié)果

圖10 不同水頭全流道流線圖

5 結(jié) 論

結(jié)合山東某地波浪條件的實(shí)際情況，開發(fā)了一種用于波浪發(fā)電的低水頭豎井貫流式水輪機(jī)，選用轉(zhuǎn)輪葉片翼型扭角為+2°，葉片安放角為+4°的水輪機(jī)，當(dāng)導(dǎo)葉開度為-2°時(shí)，該裝置具有較好的水力性能，可得到如下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)出適用于波浪發(fā)電的貫流式水輪機(jī)，該水輪機(jī)具有高出力、高效率、流體流態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，合適海洋能的利用尤其是波浪能源的開發(fā)，并為以后波浪發(fā)電系統(tǒng)的研究提供技術(shù)支持。

(2)采用扭角為+2°的葉片翼型，能明顯提高葉片壓力面與吸力面的壓差，提高葉輪做功能力，改善水輪機(jī)組的性能。

(3)在葉片安放角為+4°時(shí)，該貫流式水輪機(jī)組具有較高的效率，水力損失較小，且全流道無明顯徑向渦旋和漩渦，流態(tài)順暢。

(4)導(dǎo)葉開度過大或者過小都對水輪機(jī)性能有不利的影響，當(dāng)導(dǎo)葉開度為-2°時(shí)，水力損失較小，水輪機(jī)壓力分布更為合理，導(dǎo)葉吸力面無脫流產(chǎn)生，效率最高高達(dá)85.36%。

(5)本文通過分析全年不同水頭波浪發(fā)電系統(tǒng)水輪機(jī)的效率發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)能夠在全年浪浪變化范圍內(nèi)保持高效穩(wěn)定地運(yùn)行，滿足波浪發(fā)電波動(dòng)性大的特點(diǎn)。

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