王孝義,李磊,孫承坤,于曉峰,劉聰,張玉華

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽馬鞍山 243002)

潮流能作為一種能量密度高、存儲量大的清潔可再生能源,已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1]。垂直軸水輪機(jī)作為一種潮流能轉(zhuǎn)換裝置因其便于維護(hù),結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)受到人們越來越多的關(guān)注[2]。

垂直軸水輪機(jī)研究主要圍繞Savonius葉輪阻力型水輪機(jī)和Darrieus葉輪升力型水輪機(jī)展開[3-4]。各國研究者探究了葉片形狀[5]、密實(shí)度[6]、葉輪轉(zhuǎn)臂[7]、高柔性葉片[8]等參數(shù)對水輪機(jī)水動力性能的影響規(guī)律。目前研究結(jié)果表明,升力型垂直軸水輪機(jī)具有較高的獲能效率,一般可達(dá)35%左右[9],但是其啟動性能差,尤其是低流速水流下啟動性能更差;阻力型垂直軸水輪機(jī)低流速下具有良好的啟動性能,但是其獲能效率較低,水下實(shí)驗僅為20%左右[10]。我國潮流能儲能豐富,但大多數(shù)流域流速較低[11],難以滿足高獲能效率型水輪機(jī)啟動流速要求,而低流速下可運(yùn)行水輪機(jī)獲能效率不高[12]。因此設(shè)計一款低流速下獲能效率高的水輪機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[13]是安徽工業(yè)大學(xué)仿生研究團(tuán)隊研發(fā)的一種能實(shí)現(xiàn)不對稱運(yùn)動的新型機(jī)構(gòu)。在將半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于仿生飛行和水下推進(jìn)中發(fā)現(xiàn),采用該機(jī)構(gòu)設(shè)計的裝置與流體介質(zhì)之間相互運(yùn)動時表現(xiàn)出良好的流體動力性能[14-15],遂將其引入潮流能發(fā)電領(lǐng)域,設(shè)計出一種升阻復(fù)合新型垂直軸水輪機(jī)——半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)不但具有良好的低流速自啟性能,而且獲能效率高于傳統(tǒng)升力型垂直軸水輪機(jī)。為了獲取半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)水下實(shí)際的水動力性能,本文在設(shè)計制造出雙葉片水輪機(jī)實(shí)驗樣機(jī)的基礎(chǔ)上,搭建了水下實(shí)驗平臺,進(jìn)行半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)水動力性能測試,以驗證前期數(shù)值模擬的可靠性,檢驗新型水輪機(jī)優(yōu)缺點(diǎn),為后期改進(jìn)設(shè)計和實(shí)際應(yīng)用提供有效支撐。

1 雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)工作原理及其實(shí)驗樣機(jī)

圖1為半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理圖,其中動輪直徑為定輪的兩倍,半轉(zhuǎn)構(gòu)件與動輪固連。當(dāng)系桿以角速度ω轉(zhuǎn)動時,半轉(zhuǎn)構(gòu)件以角速度ω/2轉(zhuǎn)動,且兩者方向相同。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系桿轉(zhuǎn)動一圈,半轉(zhuǎn)構(gòu)件轉(zhuǎn)動半圈的運(yùn)動效果,將該運(yùn)動機(jī)構(gòu)稱為半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

圖1 半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

將半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于潮流能發(fā)電領(lǐng)域,系桿對稱演化為轉(zhuǎn)臂,半轉(zhuǎn)構(gòu)件演化為葉片,衍生設(shè)計雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)(以下簡稱水輪機(jī))如圖2a)所示,其中定輪與機(jī)架固連,輸出軸與上轉(zhuǎn)臂固連,定輪與動輪之間采用惰輪過渡。為提高葉片運(yùn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度,轉(zhuǎn)臂選用上下布置的形式。

圖2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

如圖2b)所示,當(dāng)來流以速度U0沿著Y軸負(fù)方向流向水輪機(jī)時,來流作用于葉片會同時產(chǎn)生阻力FD和繞流升力FL。將水輪機(jī)葉片運(yùn)行區(qū)域按照葉片轉(zhuǎn)動與來流的相對方向分為逆流區(qū)和順流區(qū)。在順流區(qū)葉片與來流攻角較大,水輪機(jī)受力以阻力為主;在逆流區(qū)葉片與來流攻角較小,水輪機(jī)受力以升力為主。葉片在不同區(qū)域的受力特點(diǎn)表明半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)有機(jī)融合了升力和阻力兩種特性,因此半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種新型的升阻復(fù)合水輪機(jī)。通過加裝偏航對流裝置可以消除不同來流方向?qū)Π朕D(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)獲能性能的影響。

選取葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)制造實(shí)驗樣機(jī),轉(zhuǎn)臂長度l0=0.085 m,葉片展長C=0.9 m,葉片弦長L=0.2 m,并制造出雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)樣機(jī)如圖3所示。水輪機(jī)主要由轉(zhuǎn)臂、葉片、輸出軸、傳動齒輪和機(jī)架等組成。轉(zhuǎn)臂與輸出軸固連,可繞輸出軸中心軸線轉(zhuǎn)動,葉片1和葉片2相互垂直并分通過軸承連接于轉(zhuǎn)臂兩端。

圖3 水輪機(jī)實(shí)驗樣機(jī)

如圖2b)所示,本文實(shí)驗中水輪機(jī)葉片初始相位為來流正對葉片,來流方向與葉片1垂直、與葉片2平行。當(dāng)來流以速度U0沿Y軸負(fù)方向流向半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī),葉片吸收潮流能形成動力轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動同時實(shí)現(xiàn)葉片自轉(zhuǎn)。

2 水輪機(jī)水動力性能參數(shù)及其實(shí)驗方案

2.1 性能參數(shù)與分析

水輪機(jī)的輸出功率和獲能效率從不同視角表征水輪機(jī)水動力性能的優(yōu)劣。

1)輸出功率和輸入功率

輸出功率P為單位時間內(nèi)水輪機(jī)實(shí)際捕獲一定流速水介質(zhì)的能量，即

(1)

式中:n為輸出軸轉(zhuǎn)速,r/min;M為輸出轉(zhuǎn)矩,Nm。

輸入功率P0為單位時間內(nèi)水介質(zhì)以流速U0流向水輪機(jī)葉輪掃掠面積S(即葉輪工作區(qū)域面積)時可以產(chǎn)生的理論能量，即

(2)

2)獲能效率Cp

獲能效率Cp為輸出功率與輸入功率的比值,其數(shù)值大小表示水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能的強(qiáng)弱,聯(lián)立式(1)與式(2)得

(3)

另一方面,根據(jù)半轉(zhuǎn)葉片端點(diǎn)軌跡[16],則水輪機(jī)葉輪掃掠面積S為

(4)

式中:l0為水輪機(jī)轉(zhuǎn)臂長度,m;C為葉片弦長,m;L為葉片展長,m。

需要指出的是,水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中,瞬時輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是變化的,因而瞬時獲能效率也是變化的。由于水輪機(jī)葉片運(yùn)動的周期性,本文采用平均獲能效率綜合評判水輪機(jī)的能量捕獲與轉(zhuǎn)換能力。平均獲能效率為水輪機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時若干周期內(nèi)輸出功率與輸入功率的比值。計算平均獲能效率時,式(3)中的輸出轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n均采用周期平均值。如無特殊說明,下文中獲能效率均指平均獲能效率。

2.2 實(shí)驗方案

為了綜合測試水輪機(jī)水動力性能,本實(shí)驗主要圍繞以下3個測試重點(diǎn)展開:

1)水輪機(jī)低速自啟性能測試

在0.5 m/s來流速度及低值定負(fù)載下,測試并觀察水輪機(jī)從靜止到穩(wěn)定運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)速變化情況。

2)水輪機(jī)獲能效率測試

水輪機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行后,從0開始逐漸增加水輪機(jī)外部負(fù)載,直至水輪機(jī)停轉(zhuǎn),測試并觀察水輪機(jī)在不同流速、不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速變化情況,從而獲得不同流速下水輪機(jī)獲能效率分布規(guī)律。

3)水輪機(jī)獲能效率穩(wěn)定性測試

在水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)階段,測試水輪機(jī)處于最佳獲能狀態(tài)(獲能效率最高)時的瞬時獲能效率隨時間變化情況。

上述測試需要通過合適的實(shí)驗平臺實(shí)時獲取水流流速U0、水輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n等實(shí)驗參數(shù)。

3 實(shí)驗平臺設(shè)計

圖4所示的實(shí)驗平臺采用“水靜船進(jìn)”的方式模擬來流對水輪機(jī)的作用。水輪機(jī)樣機(jī)固定安裝在浮筒式實(shí)驗船中軸線的船體前端,能夠?qū)崿F(xiàn)來流方向正對葉片。采用無級變速推進(jìn)器推動實(shí)驗船前進(jìn),實(shí)現(xiàn)不同來流速度下水輪機(jī)水動力性能測試。實(shí)驗測控系統(tǒng)與水輪機(jī)輸出軸相連,實(shí)時測量并記錄水輪機(jī)實(shí)驗過程中運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)變化。為排除外界波浪干擾,實(shí)驗選擇在無風(fēng)浪的開闊平靜水域進(jìn)行。

圖4 水輪機(jī)實(shí)驗測試平臺示意圖

值得一提的是,將水輪機(jī)前置固定安裝于實(shí)驗平臺中心軸線上,保證了來流方向始終與水輪機(jī)垂直,消除了不同來流方向?qū)Π朕D(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)獲能性能的影響,因而圖3中的水輪機(jī)樣機(jī)未添加偏航對流裝置。同時對船體進(jìn)行加寬處理,避免船體擾動來流對水輪機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響。

為防止來流速度增大引起實(shí)驗平臺出現(xiàn)俯仰(相當(dāng)于水輪機(jī)實(shí)際浮臺的縱搖)運(yùn)動,進(jìn)而降低水輪機(jī)的獲能效率,必須正確選擇推進(jìn)器螺旋槳的放置深度。如圖5所示,以實(shí)驗平臺中心為原點(diǎn)O,來流方向作為X軸正方向,建立簡化的實(shí)驗平臺俯仰運(yùn)動分析模型。

圖5 實(shí)驗平臺俯仰運(yùn)動分析模型

圖5中：F1為來流對水輪機(jī)的阻力；F2為推進(jìn)器螺旋槳推力；F3為來流對實(shí)驗平臺的阻力；h1為水輪機(jī)安裝深度；h2為推進(jìn)器螺旋槳安裝深度;L1為水輪機(jī)與實(shí)驗平臺水平距離；L2為推進(jìn)器與實(shí)驗平臺水平距離。實(shí)驗平臺設(shè)計與制造時取L1=L2。實(shí)驗過程中,F1產(chǎn)生的阻抗力矩M1與F2產(chǎn)生的推進(jìn)力矩M2相互作用,當(dāng)M1與M2不能完全抵消時將產(chǎn)生一定的俯仰角度α。俯仰角的形成又將導(dǎo)致不均勻浮力及其力矩的生成,進(jìn)而抑制俯仰角的增大。經(jīng)測算并兼顧推進(jìn)器實(shí)際軸長,選取推進(jìn)器螺旋槳放置深度h2=0.35 m。多次實(shí)驗表明該深度能夠保證不同來流速度下,實(shí)驗平臺保持基本水平。

最終搭建實(shí)驗測試平臺及其實(shí)驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 水下實(shí)驗現(xiàn)場圖

實(shí)驗通過調(diào)節(jié)磁粉加載器控制負(fù)載(負(fù)載即為輸出轉(zhuǎn)矩)大小,采用多普勒測速儀與扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時采集三維流速、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)數(shù)據(jù)。為保證采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,流速儀采樣頻率與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采樣頻率設(shè)置為15 Hz,單次采樣有效時間大于15 s。

4 實(shí)驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

實(shí)驗平臺運(yùn)行過程不可避免地存在微幅振動,實(shí)測來流速度隨之小幅波動,因此流速計算時選取實(shí)驗船穩(wěn)定運(yùn)行時間段的流速數(shù)據(jù),并采用中心過濾法對實(shí)測流速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)實(shí)驗采集的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和來流速度等參數(shù)數(shù)據(jù)以及水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),通過式(1)～式(3)計算得出水輪機(jī)在該時間段內(nèi)的各項水動力性能參數(shù)。

4.1 水輪機(jī)低速自啟性能分析

圖7為水輪機(jī)在加載0.4 Nm負(fù)載、來流速度為0.5 m/s工況下自啟過程中轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。由圖7可見,水輪機(jī)啟動過程主要分3個階段:初始急加速階段、緩加速階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段。水輪機(jī)在0～4 s處于初始急加速階段,水輪機(jī)在來流作用從靜止開始轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速從0開始呈現(xiàn)快速增長;4～8 s由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加,水輪機(jī)所受阻力做功增大,但來流對水輪機(jī)依舊做有效功,水輪機(jī)進(jìn)入緩加速狀態(tài),水輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持緩慢增長狀態(tài);8 s之后水輪機(jī)已經(jīng)處于當(dāng)前負(fù)載最大轉(zhuǎn)速,處于完全啟動狀態(tài),開始穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 啟動過程轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

4.2 水輪機(jī)獲能效率分析

4.2.1 實(shí)驗結(jié)果分析

表1～表3列出了實(shí)測來流速度分別為0.50 m/s、0.75 m/s和1.00 m/s時水輪機(jī)在不同負(fù)載下運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及其性能表現(xiàn)。由于來流速度無法實(shí)現(xiàn)完全恒定,因此表中實(shí)測流速數(shù)據(jù)有波動。

表1 0.50 m/s來流速度下水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

表2 0.75 m/s來流速度下水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

表3 1.00 m/s來流速度下水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖8為對應(yīng)表1～表3中水輪機(jī)在不同流速下平均獲能效率變化規(guī)律圖。雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)獲能效率隨負(fù)載緩慢增大,到達(dá)極值后,稍微增加負(fù)載水輪機(jī)獲能效率即開始快速下降。不同來流速度條件下,通過調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,水輪機(jī)最大獲能效率均可達(dá)到46%。與同類垂直軸水輪機(jī)獲能效率相比,最大獲能效率提高了43%[12]。

圖8 獲能效率隨負(fù)載變化規(guī)律

4.2.2 水下實(shí)驗與數(shù)值模擬結(jié)果比較

除水下實(shí)驗外,本文還用CFD方法對水輪機(jī)水動力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對文獻(xiàn)[16]的分析模型進(jìn)行了改進(jìn),流動模型使用自由面流的水道流,從而與水輪機(jī)實(shí)際工況更相符。圖9為雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)在不同來流速度下的數(shù)值模擬與實(shí)驗的獲能效率曲線對比。由圖9可見,水下實(shí)驗與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致,均為隨著轉(zhuǎn)矩的增加效率先增后減。但由于實(shí)驗樣機(jī)存在摩擦以及傳動效率的損失,水下實(shí)驗的獲能效率小于數(shù)值模擬的獲能效率。另外,水下實(shí)驗中,當(dāng)負(fù)載阻尼稍大于啟動轉(zhuǎn)矩時,水輪機(jī)葉輪立即停轉(zhuǎn);因此,水下試驗中獲能效率到達(dá)峰值點(diǎn)后隨轉(zhuǎn)矩的增加效率急劇下降?？傮w來說,水下實(shí)驗與數(shù)值模擬的吻合效果較好。數(shù)值模擬結(jié)果與水下實(shí)驗結(jié)果均表明來流速度對雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)最大獲能效率影響較小。

圖9 實(shí)驗-數(shù)值模擬對比

需要強(qiáng)調(diào)的是,水下實(shí)驗與數(shù)值模擬結(jié)果均表明,對于雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)而言,每種來流速度都對應(yīng)一種最佳負(fù)載,使得水輪機(jī)獲能效率達(dá)到最大值,本文稱這種流速-負(fù)載組合為水輪機(jī)最佳獲能狀態(tài)。最佳負(fù)載小于極限負(fù)載,不會導(dǎo)致水輪機(jī)停機(jī)。數(shù)值模擬能夠有效的尋找水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中最佳獲能狀態(tài)區(qū)間,用以指導(dǎo)水輪機(jī)高效工作。因此在水輪機(jī)實(shí)際使用中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)來流速度自適應(yīng)地將負(fù)載調(diào)至最佳負(fù)載,以使水輪機(jī)始終處于最佳獲能狀態(tài)。

4.3 水輪機(jī)獲能效率穩(wěn)定性分析

水輪機(jī)工作時,不僅需要有較高的平均獲能效率,還應(yīng)該具有能量輸出穩(wěn)定性。如2.2節(jié)所述,水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中,其瞬時輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是變化的,導(dǎo)致瞬時獲能效率隨之變化。

以1.00 m/s來流速度實(shí)驗為例,7.505 Nm為最佳負(fù)載(見表3),可以獲得46%的平均獲能效率。為深入探究1.00 m/s-7.505 Nm水輪機(jī)最佳獲能狀態(tài)下瞬時獲能效率變化情況,取水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段單個周期內(nèi)的采集數(shù)據(jù),以單個測量點(diǎn)數(shù)據(jù)計算其瞬時獲能效率并繪制瞬時獲能效率變化規(guī)律，如圖10所示。由圖10可知,水輪機(jī)在一個運(yùn)行周期內(nèi)其獲能效率會產(chǎn)生一定的波動。

圖10 水輪機(jī)獲能效率變化規(guī)律

上述結(jié)果表明,半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)在發(fā)電領(lǐng)域雖然平均獲能性能有著較為優(yōu)良的表現(xiàn),但其瞬時獲能效率呈周期性變化,能量輸出穩(wěn)定性還有一定的提升空間。尚需通過進(jìn)一步改進(jìn)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)來改善能量輸出質(zhì)量。

5 結(jié)論

雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種新型升阻復(fù)合型水輪機(jī)。本文通過一定的實(shí)驗平臺和實(shí)驗方案,開展了實(shí)驗樣機(jī)的水下實(shí)驗,結(jié)果表明:

1)水輪機(jī)在低流速下保持良好的啟動特性。啟動過程經(jīng)歷急加速階段、緩加速階段,達(dá)到相應(yīng)負(fù)載下最大轉(zhuǎn)速后進(jìn)入啟動穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段。

2)來流速度對水輪機(jī)獲能效率影響較小。每種來流速度都對應(yīng)一種最佳負(fù)載,使得水輪機(jī)獲能效率達(dá)到最大值;最佳負(fù)載下水輪機(jī)獲能效率可達(dá)46%,比同類垂直軸水輪機(jī)獲能效率提高43%。

3)水輪機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行階段,瞬時獲能效率呈現(xiàn)周期性變化,雙葉片半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)能量輸出穩(wěn)定性還需提高。

目前,課題組正在探索改變半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的葉片數(shù)目和翼型來改善能量輸出穩(wěn)定性,并取得了初步效果。