王世明, 吳帥橋, 田 卡, 白連平

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一種涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置的研究分析

王世明1, 吳帥橋1, 田 卡1, 白連平2

(1. 上海海洋大學工程學院, 上海201306; 2. 北京信息科技大學自動化學院, 北京 100192)

為解決海洋波浪能和潮流能耦合利用的問題, 提升浪流發(fā)電裝置的發(fā)電效率, 上海海洋大學課題組設(shè)計了一種新型涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置。主要對軸流泵的工作原理進行理論分析, 闡述將軸流泵排水原理應(yīng)用于浪流發(fā)電裝置捕獲浪流能的可行性, 基于軸流泵葉片設(shè)計原理, 設(shè)計出一種可以雙向捕獲浪流能的葉片。經(jīng)數(shù)據(jù)仿真和水槽實驗進行驗證, 得出涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置可以在浪流流速=0.5 m/s工況下浪即可啟動, 滿足低流速啟動要求, 發(fā)電效率最高為23.7%。

軸流泵; 浪流能; 海洋能; Fluent仿真; 真水槽實驗

浪流能發(fā)電技術(shù)是近年來全球海洋可再生能源研究的熱點問題, 是應(yīng)對能源短缺的一個重要解決手段。海洋波浪能是一種分布廣泛、清潔、可再生能源, 有很大的利用價值。目前國外波浪能發(fā)電技術(shù)已非常接近于應(yīng)用化水平, 如英國的Peamis(海蛇)波浪能發(fā)電裝置, 該裝置已經(jīng)基本實現(xiàn)商業(yè)運行。輪機式浪流發(fā)電裝置因獲能效率較高、可靠性較高, 現(xiàn)已成為國內(nèi)外重點研究對象。水輪機一般分為豎直軸和水平軸, 豎直軸輪機發(fā)電效率高、無需換向, 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對主軸的強度要求較高, 限于材料的限制, 在潮流發(fā)電中豎直軸水輪機很少被選用[1-3]。水平軸輪機開發(fā)較為成熟, 現(xiàn)多用于潮流能發(fā)電, 但水平軸水輪機大多要經(jīng)過復(fù)雜的換向機構(gòu)才能高效地捕獲海洋能, 因結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護成本也較高[4-6]。

基于現(xiàn)有豎直軸、水平軸輪機的優(yōu)缺點, 上海海洋大學課題組設(shè)計一種涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置, 其額定功率設(shè)計為40 W, 水輪機主要由葉輪、三相異步永磁電機、涵道3部分構(gòu)成。浪流力推動葉片旋轉(zhuǎn), 旋轉(zhuǎn)葉片將浪流的動能轉(zhuǎn)換為機械能, 從而實現(xiàn)海洋潮流能和波浪能的捕獲。葉輪采用軸流泵的原理進行設(shè)計, 可雙向捕獲潮流能和部分波浪能, 無需復(fù)雜的換向裝置。本文對軸流泵排水理論進行分析, 闡述涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置的理論基礎(chǔ); 基于軸流泵葉片設(shè)計方法, 對涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置葉片參數(shù)進行設(shè)計; 運用Fluent軟件對葉輪進行水動力分析, 對比分析水槽實驗獲得實驗數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)。

1 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置理論分析

1.1 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置模型

涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。兩部功率為20 W的永磁電機同軸對稱放置, 面向涵道開口處由導流罩將電機密封, 另一端采用動密封, 且軸端伸出連接雙向葉輪。葉輪采用軸流泵葉輪設(shè)計思路設(shè)計[7-8], 葉片安放角為42°, 水流方向上葉輪結(jié)構(gòu)對稱。將葉輪置于兩永磁發(fā)電機中間, 與其發(fā)電機軸端相連接。用6個支撐板將兩部發(fā)電機固定于涵道內(nèi)。浪流可從涵道兩端雙向推動葉輪旋轉(zhuǎn), 葉輪旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機輸入軸旋轉(zhuǎn)發(fā)電。從入水口看, 葉輪旋轉(zhuǎn)方向始終為順時針方向旋轉(zhuǎn), 旋轉(zhuǎn)方向和有關(guān)。

1.2 理論分析

軸流泵是一種將機械能轉(zhuǎn)換為水流的動能的裝置, 其分類有離心泵、混流泵、軸流泵、漩渦泵。在軸流泵中, 水流進水與出水方向沿軸線方向, 即液體流出葉輪的方向平行于軸線。軸流泵的重要參數(shù)揚程(m)表示了軸流泵的推力, 其表達如式(1), 將浪流發(fā)電裝置的出口靜壓力(Pa)、進口靜壓力(Pa)、出口液體的速度(m/s)、進口液體的速度(m/s)帶入式(1)中, 得到浪流發(fā)電裝置出口水流高度(m), 如式(2)。將式(2)帶入式(3)中可理論計算出浪流發(fā)電裝置的輸出功率(kW)。

(2)

(5)

式中:為迎流面積(m2);為水流速()。

(7)

根據(jù)軸流泵葉片參數(shù)設(shè)計經(jīng)驗公式, 計算出浪流發(fā)電機葉片的主要參數(shù), 葉輪直徑、輪轂比、葉柵稠密度、葉片數(shù)、葉片翼型厚度。

以為基變量, 取=0.35 m,=2 s, 運用matlab數(shù)據(jù)分析軟件, 計算出,, 見表1。

表1 理論計算數(shù)據(jù)

2 基于fluent流場仿真分析

2.1 控制方程

由于輪機在水中進行旋轉(zhuǎn)運動, 水會出現(xiàn)紊動現(xiàn)象, 需要考慮湍流的影響, 采用模型, 如式(8)。流場的控制方程包括連續(xù)方程和動量方程, 可以表達成如下形式:

2.2 計算域網(wǎng)格劃分

計算域設(shè)定為矩形, 由外部靜止域和葉輪區(qū)域旋轉(zhuǎn)域組成, 設(shè)定計算域左邊為速度入口, 右邊為壓力出口。外部靜止區(qū)域劃分為矩形網(wǎng)格, 內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域加密處理, 整個技術(shù)區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)仿真結(jié)果分析

以為基變量,設(shè)為0.35 m,=2 s, 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果見表2, 從數(shù)據(jù)可以看出,穩(wěn)定在25.7 %左右; 在＞2 m/s工況下,會大幅降低。在運算過程中, 觀察仿真流速圖的動態(tài)變化, 可以看出在＜1.8 m/s工況下, 葉輪尾部水流的尾流場成規(guī)則的旋轉(zhuǎn)狀態(tài), 在＞1.8 m/s工況下, 尾流場成不穩(wěn)定的流動狀態(tài), 不規(guī)則的尾流場使得葉輪的綜合受力發(fā)生變化, 葉輪轉(zhuǎn)速的增量變小, 使得降低。仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果低于理論計算的結(jié)果。

表2 仿真數(shù)據(jù)

3 水槽實驗分析

3.1 水槽實驗設(shè)計

實驗場地選擇國家海洋局東海標準計量中心水槽, 該水槽長度為200 m、寬度為5 m、水深為5 m, 行車行駛速度范圍為0~4 m/s, 水槽可設(shè)定為0~ 0.5 m, 實驗儀器有3169鉗位功率計, 可測量三相發(fā)電機的三相電壓, 電流, 功率; 低頻示波器; 整流器; 滑動變阻器, 可充當負載。

水槽設(shè)定=0.35 m,=2 s, 行車行駛速度分別設(shè)定為0.5 , 0.8, 1.5, 1.8 , 2 m/s。將兩端電機分別接入電阻器充當負載, 電阻都設(shè)定為20W。3169鉗位功率計。將涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置懸置于行車下, 并且水平置于水面下50 cm處。浪流發(fā)電裝置在行車的牽引下在水面下運動, 能夠模擬出浪流發(fā)電裝置在海浪中的工作狀態(tài)。涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置水下安裝如圖3所示, 3169鉗位功率計記錄發(fā)電機的輸出數(shù)據(jù), 測量數(shù)據(jù)如圖4。

3.2 水槽實驗數(shù)據(jù)分析

在不同工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置的輸出功率變化特性繪制成曲線圖, 如圖5所示。

圖中最高點代表在浪流的一個周期內(nèi)的最高值, 將數(shù)據(jù)整理成表格3。

如圖5所示, 在0.5 m/s工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置即可以啟動, 葉輪能夠保持低速旋轉(zhuǎn),呈現(xiàn)周期性變化。在=1.8 m/s工況下,穩(wěn)定在37 W, 接近額定功率, 并呈現(xiàn)周期性變化。在2 m/s工況下,超過額定功率, 超過部分在電機承受范圍內(nèi)。

表3 水槽實驗數(shù)據(jù)

在一個周期內(nèi),先上升后下降, 說明涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置吸收了部分波浪能作用。水流經(jīng)過水輪機后, 會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的尾流, 水流的軸線流動和旋轉(zhuǎn)的尾流相互作用會對葉輪的受力產(chǎn)生影響, 水輪機的轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生快慢變化, 所以功率的周期變化曲線并不是平滑的, 而是呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

對比理論計算, 模擬計算和水槽實驗3種不同分析數(shù)據(jù), 繪制3種不同情況下關(guān)系曲線, 如圖6所示。分析圖6可知, 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置在1.8 m/s以下,穩(wěn)定在23.7 %左右, 接近于理論值26.1 %。當1.8 m/s后, 尾流場不斷地加強, 尾流場對葉輪的受力影響不斷加大,開始明顯降低。

4 結(jié)論

本文以為基變量, 對比理論模型計算、基于fluent仿真數(shù)據(jù), 水槽實驗數(shù)據(jù), 分析數(shù)據(jù)可知: (1)雙向?qū)ΨQ葉輪和涵道的設(shè)計對于涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置的提升很明顯, 在=1.8 m/s工況下, 發(fā)電機功輸出功率穩(wěn)定在41.87 W附近, 在1.8 m/s工況下,超過額定功率, 超過部分在設(shè)計承受范圍內(nèi)。(2)雙向?qū)ΨQ葉輪的設(shè)計, 可以使得涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置從正反方向都可捕獲浪流能, 不需要復(fù)雜的換向裝置, 且雙向捕獲浪流的效果相同。(3)由呈現(xiàn)周期性變化分析可知, 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置可以吸收部分的波浪能。的理論計算數(shù)值和實際測試數(shù)值偏差不大, 設(shè)計要求基本能夠滿足實際工程要求。(4)在=0.5 m/s工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發(fā)電裝置即可啟動, 啟動流速度較低, 能夠滿足較復(fù)雜的海況。在1.8 m/s工況下,穩(wěn)定在23.7 %左右。在>1.8 m/s工況下, 由于葉輪后方尾流場對葉輪的作用力加強, 使得開始下降。

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Study of a Wave-flow Generation Device with ducted bidirectional pump impeller

WANG Shi-ming1, WU Shuai-qiao1, TIAN Ka1, BAI Lian-ping2

(1. College of Engineering Science & Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. College of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

A new type of Wave-flow Generation Device with a ducted bidirectional pump impeller is constructed based on the design principle of the axial-flow pump. In this study, the working principle of the axial-flow pump is analyzed and the back-stepping approach is used to design the device. A comparison with data from theoretical calculations, a numerical simulation, and tank experiments relating to the device shows the power generation efficiency of the device in different working conditions. Results show that the device can be started at a flow rate of 0.5 m/s, its output power is close to rated power at a flow rate of 1.8 m/s, and its energy conversion rate is at its highest of up to 23.7% when the working flow rate is below 1.8 m/s. However, when the working flow rate exceeds 1.8 m/s, the energy conversion rate begins to decline because the increase in the tail flow field strongly increases the reversal force to the pump impeller.

axial-flow pump; wave-flow energy; ocean energy; fluent simulation; tank experiment

p743.2

A

1000-3096(2017)02-0029-06

10.11759/hykx20160828002

2016-08-28;

2016-10-10

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(SHME2013JS01); 上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃項目(14XD1424300); 上海教委產(chǎn)學研項目(15cxy29); 上海海洋大學青年基金(A1-2035-15-002124)

王世明(1964-), 男, 山西沂州人, 教授, 博士, 主要從事海洋工程的先進設(shè)計制造及智能控制, 電話: 15692165065, E-mail: smwang@shou.edu.cn; 吳帥橋(1990-), 男, 吉林通化人, 碩士研究生, 主要研究海洋工程裝備及可再生能源, 電話: 13127828909, E-mail: wushuaiqiao@sohu.com

Aug. 28, 2016

[State Oceanic Administration 2013 Marine Renewable Energy Foundation, No. SHME2013JS01; Shanghai 2014 Outstanding Technology Leader Program, No. 14XD1424300; Shanghai Education Commission Research Project, No. 15cxy29; Shanghai Ocean University Youth Foundation, No. A1-2035-15-002124]

(本文編輯: 劉珊珊)