王世明，楊志乾，田 卡，呂 超

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

雙向直驅(qū)式潮流能發(fā)電輪機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究

王世明，楊志乾，田 卡，呂 超

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

針對(duì)潮流能雙向來流的特點(diǎn)及當(dāng)前潮流能發(fā)電輪機(jī)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，提出了一種新型的雙向直驅(qū)式發(fā)電輪機(jī)。葉片基本翼型為S型，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，得到相應(yīng)的計(jì)算公式，結(jié)合葉片翼型厚度和形狀約束，求解出各個(gè)截面的形狀，并三維建模形成一種新型“S”翼型輪機(jī)。輪機(jī)兩端安裝具有防水性能的永磁發(fā)電機(jī)，外側(cè)增設(shè)雙向?qū)Я髡?，?gòu)成雙向直驅(qū)式發(fā)電輪機(jī)裝置模型。在水槽實(shí)驗(yàn)中，首先找出不同的模擬流速下獲取功率的最佳負(fù)載阻值，在此基礎(chǔ)上收集了轉(zhuǎn)速及功率數(shù)據(jù)，繪制尖速比-獲能系數(shù)關(guān)系曲線圖和流速—獲能系數(shù)關(guān)系曲線圖，可以論證尖速比的取值對(duì)獲取最佳功率的重要性，同時(shí)該翼型輪機(jī)具有良好的空載啟動(dòng)性能及雙向吸收來流的能力，2 m/s流速下獲能效率最大值接近40%。

S翼型；直驅(qū)式；水槽實(shí)驗(yàn)；獲能效率；尖速比

Abstract: Aiming at the characteristics of two-way flow of tidal current, the research status and the existing problems of current tidal turbine, a new bidirectional direct-drive power turbine is proposed. The basic airfoil of the blade is S-shaped. By analyzing its force, the corresponding formula is obtained, and based on the thickness and shape constraint of the blade airfoil, the shape of each section is calculated, then a new ‘S’ airfoil turbine is formed by 3D modeling. A permanent magnet generator with waterproof performance is installed at the two sides of the turbine, and a bidirectional shroud is added to the outside of the turbine to form a bidirectional direct-drive power turbine model. In the flume experiment, the optimal load resistance of the power is obtained under different simulated flow velocities. On this basis, the rotational speed and power data are collected, thus drawing the curves of tip speed ratio - power coefficient and flow velocity - power coefficient. The figure shows the importance of the numerical value of the tip speed ratio to get the best power, and the airfoil has good ability of no-load start-up and bidirectional absorption flow. The maximum efficiency of the power turbine is close to 40% at 2 m/s.

Keywords: S airfoil; direct-drive; flume experiment; power coefficient; tip speed ratio

潮流能是指海水在天體引潮力的作用下所產(chǎn)生的水平方向的流動(dòng)能量，與流速的平方和流量成正比。潮流隨海面周期性的改變大小和方向，潮流的變化平穩(wěn)且有規(guī)律?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，要求潮流能發(fā)電輪機(jī)具有雙向吸收流體能量的功能。目前，國內(nèi)外主要采用水平軸式發(fā)電輪機(jī)和垂直軸式發(fā)電輪機(jī)。

為了獲得良好的能效，水平軸式發(fā)電輪機(jī)采用變槳機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、增設(shè)尾翼、雙轉(zhuǎn)子等來適應(yīng)雙向潮流，但在變換葉片或裝置方向時(shí)，出現(xiàn)對(duì)流問題，造成效率受損，而雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在潮流換向時(shí)，另一端葉輪閑置，增加成本且浪費(fèi)。垂直軸式發(fā)電輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與流向無關(guān)且不需換向機(jī)構(gòu)，葉片延展可以是直葉型或者彎曲葉型，也可設(shè)計(jì)成變槳距角和定槳距角結(jié)構(gòu)[1-2]。但其轉(zhuǎn)換效率低于水平軸式輪機(jī)，近年來獲能裝置形式已呈現(xiàn)出一定的趨向性，大部分采用水平軸輪機(jī)，現(xiàn)有的18個(gè)并網(wǎng)原型機(jī)中有11個(gè)水平軸[1]。因此，采用水平軸式輪機(jī)，提出一種新型的雙向直驅(qū)式發(fā)電輪機(jī)(圖1)，葉片基本翼型為S型，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向獲取能量，通過水槽實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證該發(fā)電輪機(jī)雙向吸收潮流的可行性，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率也相當(dāng)可觀。

圖1 雙向直驅(qū)式發(fā)電輪機(jī)示意Fig. 1 Schematic diagram of bidirectional direct-drive power turbine

1 輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)

1.1建立實(shí)驗(yàn)翼型模型

影響翼型性能最大的是中弧線(或中線)的形狀、翼型厚度和翼型厚度的分布。中弧線是翼型上弧線與下弧線之間的距離中點(diǎn)的連線。NACA5數(shù)字翼型系列旨在提高最大升力系數(shù)，降低最小阻力系數(shù)，獲取較高的升阻比，因此將最大彎度向前偏移，且中弧線有拐點(diǎn)。該翼型系列的氣動(dòng)性能優(yōu)于其他系列，采用NACA5數(shù)字翼型系列作為水輪機(jī)葉片的基礎(chǔ)，通過Fluent流體軟件分析翼型，結(jié)果如圖2所示，影響翼型流體動(dòng)力性能的弧線主要在前半段，實(shí)際與認(rèn)識(shí)理論相符合。基于該點(diǎn)事實(shí)，截取翼型前半段，復(fù)制前半段反向搭接，再平滑處理搭接處，形成新的S型葉片翼型。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)翼型的弦長為120 mm,最大彎度為0.06，最大相對(duì)厚度為0.062，位置在1/4翼弦處。

圖2 翼型壓力云圖Fig. 2 Pressure cloud of airfoil

圖3 翼型截面Fig. 3 Airfoil section

1.2葉片水動(dòng)力分析

該葉片的水動(dòng)力分析與其他水平軸式水輪機(jī)葉片分析理論相似，因而可借鑒葉素—?jiǎng)恿?BEM)理論對(duì)葉片進(jìn)行分析。葉片均勻分布在輪轂上，且每個(gè)葉片運(yùn)動(dòng)特征相同，可以分析單個(gè)葉片來替代輪機(jī)上所有的葉片水動(dòng)力性能，單個(gè)葉片的速度矢量及翼型的受力分析如圖4所示。當(dāng)水流流過翼型表面，葉片翼型上下表面的產(chǎn)生的壓力差形成扭力，帶動(dòng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。輪機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，水流的軸向速度需考慮輪機(jī)的干擾，同時(shí)需考慮輪機(jī)尾流旋轉(zhuǎn)的影響，因而引入軸向速度誘導(dǎo)因子a和周向角速度誘導(dǎo)因子b。假設(shè)流場均勻，每個(gè)葉片均勻受到流體的作用，葉素與葉素之間不相互干涉。

圖4 翼型受力分析示意Fig. 4 Force analysis of airfoil

入流角：

式中：I=α+β,α為攻角，β為弦長r處的扭角。

將合速度U對(duì)葉素產(chǎn)生的升力FL和阻力FD分解為垂直于旋轉(zhuǎn)平面的軸向力FY和平行于旋轉(zhuǎn)平面的周向力FX，在輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減小軸向力FY，增大周向力FX，來獲取更大扭矩。

獲能系數(shù)：

式中：n為輪機(jī)轉(zhuǎn)速，ρ為海水密度，S為輪機(jī)迎流面積。

1.3葉片建模

輪機(jī)翼型確定后，參考風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)思路，就需要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定每個(gè)截面的弦長和扭角，以相對(duì)厚度為0.12～0.19和翼型形狀函數(shù)控制系數(shù)為約束條件，進(jìn)行翼型的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]。選擇半徑r測算步進(jìn)長度為6 mm，計(jì)算結(jié)果為13個(gè)翼型形狀截面，在UG三維軟件中，多樣條曲線連接各個(gè)截面形成實(shí)驗(yàn)葉片形狀。選取三段重要部分測算后的翼形截面形狀供比較如圖5所示。

圖5 葉片模型Fig. 5 Blade model

2 水槽實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，增設(shè)雙向?qū)Я髡?，其設(shè)計(jì)思路參考文獻(xiàn)[6]，目的是增加水輪機(jī)的工作效率。輪機(jī)葉片采用多截面法及變化扭角進(jìn)行修正，使得理論獲能效率最大。輪機(jī)葉片采用對(duì)稱安裝，葉片數(shù)量選擇基于葉片密實(shí)度對(duì)效率的影響[7]。葉尖速比作為輪機(jī)動(dòng)力性能的重要參數(shù)，基于參考文獻(xiàn)[8]選擇設(shè)計(jì)尖速比為5.5。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab. 1 Experimental prototype parameters

發(fā)電輪機(jī)裝置實(shí)驗(yàn)是在東海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心水槽上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水槽尺寸為200 m×6 m×5 m(長×寬×高)，行車可模擬0.1～4 m/s的往復(fù)穩(wěn)定流速。實(shí)驗(yàn)前，將獲能系數(shù)CP作為輪機(jī)效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于式(5)，實(shí)驗(yàn)需測量的參數(shù)為輪機(jī)吸收功率P、輪機(jī)轉(zhuǎn)速n、流速V。實(shí)驗(yàn)方案布置及裝置安裝如圖6、圖7(a)所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)方案布置示意Fig. 6 Experimental plan layout diagram

將發(fā)電輪機(jī)裝置安裝在行車上，下沉至裝置水平線距水面約0.5 m處，輪機(jī)與防水永磁發(fā)電機(jī)直接鍵連，發(fā)電機(jī)內(nèi)嵌入轉(zhuǎn)速傳感器，通過電纜線輸出三相電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，測試系統(tǒng)1、2將對(duì)稱發(fā)電機(jī)傳出的電流及信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，供記錄。

測試系統(tǒng)包含示波器、3169測試儀、橋式整流器、電壓表及可控電阻儀。示波器將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出近似放波形圖，采樣周期為50 ms，每分鐘輸出波形個(gè)數(shù)即為轉(zhuǎn)速n；3169測試儀可測的三相發(fā)電機(jī)的功率、電壓、電流數(shù)據(jù)，通過功率的疊加即可得到輪機(jī)吸收功率P；橋式整流器將工頻交流電整流為恒壓的直流電，與可控電阻儀形成回路，電壓表所測電壓為回路路端電壓，通過測算回路功率驗(yàn)證吸收功率P的可靠性。

圖7 水槽實(shí)驗(yàn)圖Fig. 7 Flume experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1尖速比λ對(duì)獲能系數(shù)CP的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)測試的系統(tǒng)中負(fù)載阻值的大小，從而可以改變發(fā)電輪機(jī)轉(zhuǎn)速，間接獲得不同的尖速比。定點(diǎn)測試2 m/s流速下，記錄5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω、30Ω阻值狀態(tài)單個(gè)系統(tǒng)的功率P及波形數(shù)n，計(jì)算出尖速比λ及獲能系數(shù)CP，結(jié)果如圖8所示。從圖中可知，在λ=5.4處，效率達(dá)到最大值39.5%，與設(shè)計(jì)值略有偏差可以接受。四葉片S型對(duì)稱輪機(jī)設(shè)計(jì)的最佳尖速比在5～6.5之間，尖速比過低，說明輪機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，出現(xiàn)“小馬拉大車”的現(xiàn)象；尖速比過高，說明轉(zhuǎn)速變快，就出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)尖速比選擇在5.5處較為合理。

圖8 尖速比與獲能系數(shù)關(guān)系曲線Fig. 8 Tip speed ratio - power coefficient diagram

3.2不同流速對(duì)輪機(jī)的獲能效率的影響

選取選擇λ=5.4時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻值25Ω實(shí)驗(yàn)功率數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，按照前進(jìn)(+)和后退(-)兩種運(yùn)動(dòng)方式分開，疊加同一流速下兩個(gè)發(fā)電機(jī)的功率，并帶入到式(5)，計(jì)算得到輪機(jī)的獲能效率，繪制曲線如圖9所示。從圖中可知，行車前進(jìn)和后退輪機(jī)的獲能效率基本一致，旋轉(zhuǎn)方向相反，這與葉片水動(dòng)力分析旋向相同，說明該輪機(jī)具備雙向接收來流的能力，切合潮流特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。隨著流速的增加，最佳尖速比也在發(fā)生變化，因此輪機(jī)獲能效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在流速2 m/s時(shí)，獲能效率最大值接近40%。

圖9 能效和流速關(guān)系曲線Fig. 9 Flow velocity - power coefficient diagram

4 結(jié) 語

基于對(duì)當(dāng)前潮流能發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀的分析，提出一種新型雙向直驅(qū)式發(fā)電輪機(jī)，通過對(duì)該輪機(jī)葉片翼型的構(gòu)造及受力分析，水槽實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，輪機(jī)開始旋轉(zhuǎn)的最低流速為0.2 m/s

2)輪機(jī)裝置的在不同的流速下，最佳尖速比也在發(fā)生變化，設(shè)計(jì)時(shí)的最佳尖速比在5～6.5之間，該方法可以給類似實(shí)驗(yàn)提供理論參考。

3)水槽實(shí)驗(yàn)中，S翼型輪機(jī)捕獲雙向來流能量的效果良好，翼型葉片雖略復(fù)雜，但裝置整體結(jié)構(gòu)簡單、一定程度上降低了成本。

4)模擬流速2 m/s時(shí)，輪機(jī)的獲能效率接近40%。鑒于當(dāng)前我國沿海可開發(fā)潮流能流速大于1 m/s，本輪機(jī)裝置獲能效率可參考范圍0.3～0.4。

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Experimental study on the performances of bidirectional direct-drive power turbine

WANG Shiming, YANG Zhiqian, TIAN Ka, LV Chao

(College of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

P743.1；TK73

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.016

1005-9865(2017)03-0119-06

2016-10-31

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(xiàng)資助項(xiàng)目(SHME2013JS01)；上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃資項(xiàng)目(14XD1424300)；上海市科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)會(huì)助推計(jì)劃資助項(xiàng)目(NY1301HY)；上海教委產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目(15cxy29)

王世明(1964-)，男，山西忻州人，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事海洋可再生能源以及裝備智能控制技術(shù)研究。 E-mail: smwang@ shou.edu.cn

楊志乾。E-mail：m13127950701@163.com