張步恩，鄭 源，張玉全，何中偉，高成昊

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

浮筒式波浪能發(fā)電裝置中軸流式水輪機(jī)能量特性研究

張步恩，鄭 源，張玉全，何中偉，高成昊

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

當(dāng)今世界，全球資源嚴(yán)重匱乏，環(huán)境日益惡化，波浪能作為一種清潔、可再生海洋能源，有利于貫徹我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。文中針對(duì)南海某海域，根據(jù)國(guó)家海洋局提供的波浪周期和波高數(shù)據(jù)，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬，研究不同時(shí)期波浪周期和波高的變化對(duì)軸流式水輪機(jī)效率的影響。計(jì)算結(jié)果表明，因波浪參數(shù)變化，浮筒式波浪能發(fā)電裝置水頭變化范圍為11～17 m，優(yōu)選設(shè)計(jì)水頭為13 m。通過改變水輪機(jī)葉片安裝角度，優(yōu)化水輪機(jī)效率，并對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及出水流道流動(dòng)特性進(jìn)行研究。最終得出：在優(yōu)選設(shè)計(jì)水頭為13 m時(shí)，水輪機(jī)在葉片相對(duì)安放角為-4°，最高效率達(dá)85.67%，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及出水流道流態(tài)平直，水輪機(jī)工作性能穩(wěn)定，滿足浮筒式波能發(fā)電裝置工作要求。文中研究工作，為優(yōu)化浮筒式波能發(fā)電平臺(tái)及提高平臺(tái)投資回報(bào)率奠定理論基礎(chǔ)。

浮筒式波浪能發(fā)電；計(jì)算流體力學(xué)；軸流式水輪機(jī)；能量特性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以煤炭、天然氣、石油等為原料的傳統(tǒng)電力開發(fā)造成了大量的環(huán)境污染污染，危害民眾，同時(shí)石油等非再生能源日趨枯竭，形勢(shì)嚴(yán)峻。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，解決能源問題是必經(jīng)之路。面臨能源的巨大挑戰(zhàn)，急需開發(fā)環(huán)境友好型的可再生新能源。

海洋面積占地球總面積的71%，不僅擁有豐富的水產(chǎn)、石油等資源，更蘊(yùn)藏著巨大的，潛在的新能源，主要為潮汐能、海流能、波浪能、海水溫差能和海水鹽差能[1]。根據(jù)國(guó)際組織IEA-OES能源政策報(bào)告估計(jì)，全球理論上可利用的海洋能源總量如表1所示[2]，其中波浪能的實(shí)際可利用總量約為3×108kW，因此具有廣闊的商用前景。

表1 典型海洋能的資源儲(chǔ)量（單位：kW）

目前，根據(jù)波浪能發(fā)電裝置不同結(jié)構(gòu)形式分類，可以分為有振蕩水柱式、越浪式、閥式等[3]。石晶鑫，李得堂等[4]對(duì)振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，該裝置是波浪能轉(zhuǎn)換為浮筒機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為液壓能，最后通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，通過三級(jí)能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率偏低。本文浮筒式波能發(fā)電裝置是新型波浪能發(fā)電裝置，利用波浪能提水，通過水輪機(jī)組完成發(fā)電，通過二級(jí)能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率高。

劉敏、周大慶等[5]對(duì)超低水頭軸流式水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)水頭為2.75 m，并對(duì)最優(yōu)模型進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明超低水頭軸流式水輪機(jī)最高效率達(dá)83.7%，且工作效率穩(wěn)定。奇成光[6]介紹了軸流式水輪機(jī)對(duì)的一些典型結(jié)構(gòu)，并通過分析表明軸流式水輪機(jī)組是一種效率高，適合較低水頭下應(yīng)用的機(jī)組。劉婭君[7]對(duì)曲面葉片式水輪機(jī)和軸流漿葉式水輪機(jī)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬仿真研究，結(jié)果表明，上述兩種水輪機(jī)均可用于水頭發(fā)電，軸流漿葉式水輪機(jī)工作性能整體優(yōu)于曲面葉片式。本文浮筒式波能發(fā)電裝置工作水頭范圍在11～17 m，軸流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭約3～80 m，過流能力比混流式強(qiáng)，能在較寬的工況范圍內(nèi)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。而貫流式水輪機(jī)處于水下時(shí)，要求結(jié)構(gòu)封閉，通風(fēng)良好，維護(hù)、檢修較為困難[8]。因此，本論文對(duì)軸流式水輪機(jī)應(yīng)用于浮筒式波浪能發(fā)電裝置中進(jìn)行研究。

1 初始設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文浮筒式波能發(fā)電裝置是新型波浪能發(fā)電裝置，如圖1所示，平臺(tái)由提水部分和發(fā)電部分組成。提水部分是包括浮具中心樁腿，浮具，活塞，連桿，空氣壓縮控制系統(tǒng)等。波浪引起浮具的上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)浮具向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞同向運(yùn)動(dòng)，單向閥8右開左閉，海水進(jìn)入液壓缸體內(nèi)；當(dāng)浮具向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞隨之向下運(yùn)動(dòng)，單向閥右閉左開，海水進(jìn)入平臺(tái)壓力儲(chǔ)水罐內(nèi)。通過空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使儲(chǔ)水罐中壓力增大，迫使儲(chǔ)水罐中的水位不變，通過隨波浪運(yùn)動(dòng)的浮具充進(jìn)儲(chǔ)水罐中的水，只能通過輸水鴨嘴向上傳輸，形成水頭，通過發(fā)電部分轉(zhuǎn)化為電能。其中，空氣壓縮控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)水罐的液面高度以保持一定水頭[9]。此時(shí)，完成第一次能量轉(zhuǎn)換。發(fā)電部分是在儲(chǔ)水槽保持一定水頭時(shí)，水流由儲(chǔ)水罐流過水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，完成發(fā)電，如圖2，進(jìn)而完成第二次能量轉(zhuǎn)換。

圖1 示意圖

1.2 波浪參數(shù)

由于各個(gè)海域的波浪參數(shù)變化較大，不可能用同一尺寸的浮具適應(yīng)各個(gè)海域的波浪參數(shù)。本文以我國(guó)南海某海域參數(shù)為例，如表2所示，研究分析不同時(shí)期波浪周期和波高的變化，對(duì)軸流式水輪機(jī)水動(dòng)力性能及產(chǎn)電量的影響。

表2 南海某海域的全年平均波浪周期和平均波高

由波浪參數(shù)和相應(yīng)平臺(tái)參數(shù)，根據(jù)勢(shì)能公式(1):

式中：m為浮筒裝滿水的質(zhì)量，kg；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，N/kg；h為波高，m。

當(dāng)利用高處蓄水池中的水勢(shì)能發(fā)電時(shí)，則水輪機(jī)工作時(shí)，由式(2)可知，水輪機(jī)水頭為：

式中：Z1為上蓄水池中水位高度，m；Z2為水輪機(jī)出口高度，m。

忽略引水建筑物中的水力損失，水勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的水流出力，可得式（3）：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，N/kg；Q為流量，m3/s；t為時(shí)間，s；H為水頭，m。

浮筒式波浪能發(fā)電平臺(tái)能穩(wěn)定保證水頭不變，因此根據(jù)每個(gè)月的波浪參數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)的平臺(tái)尺寸，由公式(1)～(2)可得水頭的變化，如表3所示。

表3 不同月份水頭變化表

浮筒式波浪能發(fā)電裝置通常能夠提供的水頭范圍為11～17 m，平均流量在1～4 m3/s，額定出力為300 kW。

1.3 水輪機(jī)參數(shù)

本文中軸流式水輪機(jī)的初步設(shè)計(jì)是按比轉(zhuǎn)速和統(tǒng)計(jì)資料估算水輪機(jī)的基本參數(shù)?，F(xiàn)行我國(guó)軸流式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速與實(shí)用水頭關(guān)系[10]如式(4)所示。

式中：ns為比轉(zhuǎn)速，m·kW；H為實(shí)用水頭，m。

當(dāng)水頭為13m時(shí)，可得水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為648m·kW。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)速是CFD仿真計(jì)算的重要參數(shù)，依據(jù)式(5)，可得水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的估算為：

式中：Hr為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，m；Pr為水輪機(jī)的額定出力，kW；ns為比轉(zhuǎn)速，m·kW。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1的估算，依據(jù)式(6)可得：

式中：Q11為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)單位流量，m3/s；Hr為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，m；Pr為水輪機(jī)的額定出力，kW；ηT為水輪機(jī)效率，參考同類型水輪機(jī)選取。

綜上所述，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑估算為1 200 mm，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速估算為1 000 r/min，依據(jù)優(yōu)選水頭計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)水頭選為13 m。

2 數(shù)值模擬

本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS Fluent對(duì)不同情況下流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算域包括進(jìn)口流道、導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪區(qū)和出水流道。計(jì)算網(wǎng)格采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)共約20～50萬。為提高計(jì)算精度，對(duì)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。

計(jì)算基于不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程，湍流計(jì)算采用RNG模型。采用貼體坐標(biāo)下的有限體積法和非交錯(cuò)網(wǎng)格對(duì)上述方程進(jìn)行空間離散，時(shí)間離散采用二階完全隱式格式。壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。SIMPLEC算法，實(shí)現(xiàn)壓力和速度變量的分離求解。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件為自由流，在進(jìn)水流道和導(dǎo)葉，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪和尾水管間設(shè)置交界面，計(jì)算中先進(jìn)行三維定常湍流計(jì)算，并將得到的定常流場(chǎng)結(jié)果作為非定常湍流計(jì)算的初始流場(chǎng)。定常湍流計(jì)算采用多參考系模型，而非定常湍流計(jì)算采用滑移網(wǎng)格模型。

3 結(jié)果與分析

分別選擇11 m和13 m水頭為最優(yōu)工況仿真計(jì)算，得出在不同月份，不同水頭情況，水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，流量和效率的變化，如表4～表5所示。

表4 11 m水頭計(jì)算仿真結(jié)果

表5 13 m水頭計(jì)算仿真結(jié)果

根據(jù)表4和表5，可以得到在n，D一定情況下，水頭H和效率η的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 效率-水頭關(guān)系圖

由圖3可知，在選擇11 m水頭為最優(yōu)工況時(shí)，隨著水頭的增大，流量增大，但是在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，效率下降明顯。低水頭時(shí)，效率降低的趨勢(shì)較強(qiáng)，高水頭時(shí)，下降趨勢(shì)減緩。在選擇13 m水頭為最優(yōu)工況時(shí)，隨著水頭的增大，流量增大。低水頭時(shí)，效率先升高后降低，高水頭時(shí)，效率下降趨勢(shì)明顯。相比選擇11 m水頭為設(shè)計(jì)水頭時(shí)，高效率區(qū)范圍變寬，效率浮動(dòng)變小。但在高水頭時(shí)，效率降低明顯，未達(dá)到發(fā)電裝置平臺(tái)最大化收益的要求。

4 優(yōu)化及流動(dòng)特性分析

由上述結(jié)果與分析可知，優(yōu)選13 m為設(shè)計(jì)水頭時(shí)，高效率區(qū)相比選擇11 m水頭為設(shè)計(jì)水頭是變寬，但仍未達(dá)到發(fā)電裝置平臺(tái)工作要求。因此，在優(yōu)選13 m為設(shè)計(jì)水頭時(shí)，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。4.1不同葉片角度計(jì)算結(jié)果分析

如圖3所示，本文對(duì)水輪機(jī)不同葉片安裝角度，即+4°，0°，-4°，進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖3 不同葉片角度對(duì)比圖

優(yōu)化結(jié)果如表6所示：

表6 優(yōu)化仿真結(jié)果

由表6可以得出，對(duì)應(yīng)葉片角度分別為-4°，+4°時(shí)，效率變化曲線如圖4所示。

圖4 效率—水頭變化曲線圖

由上可知，在相同轉(zhuǎn)速情況下，葉片角度的變化引起水輪機(jī)不同的變化情況。在以13 m為最優(yōu)設(shè)計(jì)工況時(shí)，效率隨水頭的增大先升高再降低，效率最高點(diǎn)出現(xiàn)在葉片角度為-4°時(shí)，水輪機(jī)最高效率可達(dá)85.67%。但在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉片角度為+4°時(shí)，水輪機(jī)效率上下浮動(dòng)范圍相比-4°的更小。由于在葉片角度為-4°時(shí)，17 m水頭全年只出現(xiàn)在10月份、11月份、1月份3個(gè)月，其余9個(gè)月水輪機(jī)都工作在高效率區(qū)，相比葉片角度在0°和+4°時(shí)，效率更高，因此，確定葉片安放角度為-4°。

4.2 流動(dòng)特性分析

轉(zhuǎn)輪是將水動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，是水力發(fā)電機(jī)組中重要組成部分，因此對(duì)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的流動(dòng)特性的研究至關(guān)重要[11]。在優(yōu)選13 m水頭為設(shè)計(jì)最優(yōu)工況，本文對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在水頭分別為11 m，13 m，17 m時(shí)，對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 各工況流動(dòng)特性圖

由圖5可知，對(duì)各水頭工況進(jìn)行橫向分析時(shí)，當(dāng)配置葉片角度+4°時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速偏低，出口流道呈現(xiàn)徑向渦旋；當(dāng)配置葉片角度0°時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速增大，且出口流道的徑向渦旋得到明顯改善；當(dāng)配置葉片角度-4°時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速增大，出水流道流線順直，只有在偏離最優(yōu)工況，即水頭為17 m時(shí)，出口流道流線產(chǎn)生渦旋。對(duì)水輪機(jī)各葉片角度進(jìn)行縱向分析時(shí)，可以看出，在最優(yōu)工況13 m時(shí)，其流線相對(duì)于其他工況流線均有明顯改善，且在葉片安裝角度為-4°時(shí)，流線最為順直。水輪機(jī)在水頭為13 m，葉片安裝角度為-4°時(shí)，達(dá)到最高效率85.67%。

5 結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于浮筒式波浪能發(fā)電裝置的軸流式水輪機(jī)，根據(jù)國(guó)家海洋局提供的波浪周期和波高數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬各工況，并在優(yōu)選設(shè)計(jì)水頭之后，對(duì)水輪機(jī)效率進(jìn)行優(yōu)化分析研究，可以得出：

（1）針對(duì)11 m水頭為設(shè)計(jì)最優(yōu)工況時(shí)，隨著水頭增大，效率下降明顯。高效率區(qū)，即效率高于70%的區(qū)域，出現(xiàn)在水頭為11～13 m工況下，全年6個(gè)月。針對(duì)13 m水頭為設(shè)計(jì)最優(yōu)工況時(shí)，隨著水頭增大，效率先升高，后下降，高效率區(qū)出現(xiàn)在水頭為11～15 m工況下，全年有9個(gè)月，綜合比較，選擇13 m為設(shè)計(jì)水頭。

（2）優(yōu)選13 m為設(shè)計(jì)水頭，通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)葉片安裝角度，對(duì)水輪機(jī)效率進(jìn)行優(yōu)化，并繪制了效率—水頭變化曲線。經(jīng)綜合分析，在葉片角度為-4°時(shí)，裝置水力損失最小，最高效率達(dá)85.67%，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及出水流道流態(tài)平直，水輪機(jī)工作性能穩(wěn)定，滿足浮筒式波能發(fā)電裝置工作要求。

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Study on the Energy Characteristics of Axial Flow Turbine Applied in a Float Type Wave Energy Converter

ZHANG Bu-en,ZHENG Yuan,ZHANG Yu-quan,HE Zhong-wei,GAO Cheng-hao
College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China

At present,wave energy,as a clean and renewable marine energy,is conducive to the implementation of China's sustainable development strategy,when there is a serious shortage of world resources and a worsening global environment.In this paper,an attempt is made to review the hydrodynamic performances of the axial flow turbine as well as the power generation device through numerical simulation of computational fluid dynamics (CFD),according to the variation of the cycle of wave and height in different periods that is provided by the State Oceanic Administration(SOA)of China.The results of calculation prove that the head of a float type wave energy converter has a change range of 11-17 m due to changing wave parameters,and the design head is preferably 13 m.By changing the angle of the turbine blade,optimizing turbine efficiency,this paper studies the flow characteristics of the turbine runner and the outlet channel.Finally,Results from optimization are the highest efficiency up to 85.67%when the design head is 13 m,with the angle of the turbine blade being-4°.The flow of the turbine runner and the outlet channel is straight,and the performance of the turbine is stable.Through the analysis of the results of numerical simulation,this paper can lay the theoretical foundation for optimizing the platform of floating wave energy generation and improving the investment return rate of the platform.

floating wave energy generation;computational fluid dynamics (CFD);axial flow turbine;energy characteristics

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0014-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.003

2017-04-10

張步恩（1991-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程與海洋能發(fā)電。E-mail：hbsdzbe@163.com