張云根

（1.福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 三明366000；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都610000）

0 引言

人類進入工業(yè)社會已經有上百年的歷史，作為工業(yè)能源的煤炭、石油、天然氣等化石燃料等不可再生資源日益枯竭，世界各國都發(fā)生了不同程度的能源危機。此外，化石燃料的使用會產生大量的廢氣、廢渣，造成地球生態(tài)環(huán)境破壞，溫室效應明顯。正因為如此，開發(fā)風能、太陽能、潮汐能等可再生資源成為了當前各國的共同研究熱點[1]。

海洋蘊含豐富的風能、潮汐能、波浪能等可再生資源，提高海上可再生資源的利用率有重要的意義。其中，潮汐是一種由于月球引力造成潮水周期性漲落現(xiàn)象，潮汐現(xiàn)象使大量海水具有了可觀的動能和勢能，這些能量具有環(huán)保、可再生等優(yōu)勢，合理的開發(fā)潮汐能有利于緩解世界范圍內的能源短缺，有利于地球生態(tài)環(huán)境的保護。

本文研究的對象是水輪機式潮汐能發(fā)電裝置，由于水輪機葉片受到海水的空化、空蝕作用，造成水輪機葉片結構和表面質量破壞，嚴重威脅水輪機的正常工作。因此，本文設計和研發(fā)了一種水輪機空化監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)的原理[2]。

1 水輪機葉片的空化效應研究

物體在液體中運動時受空化沖擊后，物體表面會產生變形和材料剝蝕，表面材料的金屬晶體結構被扭曲，發(fā)生失效。

水輪機的空化與空蝕現(xiàn)象是造成其失效的主要形式，圖1為輪機葉片空化效應造成的表面材料破壞。

圖1 輪機葉片空化效應造成的表面材料破壞圖

由于輪機葉片在發(fā)電過程中與海水做相對運動，葉片表面的壓強分布用壓強系數(shù)表示，如式（1）：

式中，C0為葉片表面的壓強分布系數(shù)，P為葉片表面壓強（Pa），V0為葉片表面與海水的相對運動速度（m/s），ρl為海水密度（kg/m3），p0為葉片的初始參考壓強（Pa）。

葉片表面最小壓強系數(shù)如式（2）：

pmin為水輪機葉片表面的最小壓強，當葉片表面的壓強低于這個值時，葉片就會發(fā)生空化現(xiàn)象。假設此時參考壓強為定值K，則葉片的空化數(shù)δ如式（3）：

2 基于噪聲監(jiān)測的潮汐能發(fā)電裝置的水輪空化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 潮汐能的特征參數(shù)

為了更好的研究潮汐能發(fā)電裝置的工作原理，設計合理的空化監(jiān)測系統(tǒng)，本文首先對潮汐能的特征參數(shù)進行了研究[3]。

首先沿x、y、z方向，建立潮汐海水的坐標系，然后建立海水的連續(xù)性數(shù)學模型如式（4）：

式中，ρl為海水的密度（kg/m3），Sx、Sy、Sz分別為沿x、y、z方向上海水的可流動面積大?。╩2），v、u、w為潮汐海水沿三個軸的速度分量（m/s）。

潮汐中海水的勢能為：

式中，λ為海水的波峰寬度（m），Hl為海水的波浪高度（m），f為潮汐的頻率（Hz）。

潮汐的海水動能如式（6）：

式中，v、u、w分別為單位海水沿三個坐標軸的速度分量（m/s）。

潮汐能的能譜密度對水輪式發(fā)動機的發(fā)電功率有重要參考價值，能譜密度是指單位時間內單位水體具有的能量，能譜密度越高，單位水體發(fā)出的電量越大。能譜密度計算如式（7）：

式中，p0為潮汐中海水的動態(tài)壓強（Pa），k為能譜密度常數(shù)。

2.2 潮汐能發(fā)電裝置的水輪機模型參數(shù)設計

為了獲取最大的發(fā)電功率，在設計水輪式潮汐能發(fā)電裝置時需要綜合考慮水輪機葉片的直徑、額定功率、轉速等參數(shù)，如下：

（1）水輪機葉片的直徑

水輪機轉輪的直徑設計如式（8）：

式中，d為轉輪直徑（m）；P0為輪機的額定功率（W）；ηo為發(fā)電裝置的發(fā)電效率；L0為輪機尾水管的直徑（m）；Q0為海水在最高潮水位置的勢能（J）。

水輪機的額定轉速、額定效率η0如式（9）（10）：

式中，Np為水輪機功率（kW），H為水頭（m），ηf為發(fā)電機的能量轉化率，ηh為裝配誤差造成的能量轉化率損耗，d為輪機葉輪的直徑（m）。

2.3 基于噪聲的潮汐能發(fā)電裝置水輪空化監(jiān)測系統(tǒng)流程

水輪機葉片的空化狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的實質是通過傳感器等技術對水輪機葉片進行檢測，掌握水輪機葉片受空化效應產生的損害程度，及早發(fā)現(xiàn)故障，并對水輪機葉片的使用壽命進行預測[4]。

由于水輪機葉片發(fā)生空化和空蝕現(xiàn)象后，在運行過程中會產生大量的噪聲，通過檢測這些噪聲信號就可以有效的對水輪機運行狀態(tài)進行監(jiān)測。本文基于噪聲信號監(jiān)測的原理設計了水輪機空化狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 基于噪聲采集的水輪機空化現(xiàn)象監(jiān)測流程

2.4 基于LabVIEW水輪機噪聲數(shù)據(jù)處理與采集

噪聲信號采集模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的重點，本系統(tǒng)設計了一種基于LabVIEW軟件平臺的信號采集模塊。LabVIEW軟件平臺是美國NI公司研發(fā)的一種虛擬儀器開發(fā)平臺，對改善噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集精度，提高可靠性有重要意義。

圖3為基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)的噪聲信號采集模塊程序。

圖3 基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)的噪聲信號采集模塊程序圖

3 結論

水輪式潮汐能發(fā)電裝置可以有效地將潮汐中的動能和勢能轉化為電能，有利于可持續(xù)發(fā)展。本文主要研究了水輪式潮汐能發(fā)電裝置的轉輪葉片，由于空化和空蝕效應導致轉輪葉片發(fā)生材料侵蝕等現(xiàn)象。本文設計了一種基于噪聲信號監(jiān)測的水輪機空化監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)視水輪機空化和空蝕情況。