潮流能發電增速導流罩研究

荊豐梅，張亮，張鵬遠，肖立家

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001;2.大唐山東發電有限公司，山東青島266061)

我國海岸線長、海島眾多(面積在500 m2以上的海島有6 921個)，是我國重要的國土資源和海洋經濟活動場所，但是多數島嶼存在無電或缺電的現狀.隨著國家可持續發展戰略的實施，包括潮流能在內的海洋能將陸續被開發和利用，將對彌補能源短缺，緩解環境污染起到重要作用.我國沿海具有豐富的可再生潮流能資源，潮流電站將面對海島和經濟發達的沿海地區，有廣闊的應用前景［1-4］.

由于潮流流速的大小隨著太陽、月亮與地球三者之間的位置的不同而不停的變化，雖然其變化規律已知，但是潮流流速有很長一段時間處于較低水平，這樣就直接導致了潮流水輪機發電功率較小以及可發電時間有限的問題.

目前潮流水輪機導流罩的研究尚處于起步階段.阿根廷的ISEP小組提出在垂直軸水輪機加裝導流罩方法［5］.此方法使轉子附近水域的流速增大，在相同輸出功率的情況下，轉軸的尺寸變小，從而使傳動裝置的尺寸減小，進而降低成本.由于轉動區域內流體速度的自我調節，使得水輪機對于控制系統的依賴性大大降低.Ponta等［6］對一個擴散器形狀的水道進行研究發現，水道的形狀改造可以提高能量輸出以及對低流的聚能作用.劉斌等［7］應用非定常渦面元法對加裝導流罩水輪機的水動力性能進行理論計算，并分析水動力機理，得出導流罩幾何參數和安裝位置對于輪機水動力性能的影響規律.孫科等［8］研究了帶“后門”的垂直軸水輪機導流罩.

基于對垂直軸潮流水輪機導流罩研究的啟發，本文采用數值計算(CFD)方法對一種新型水平軸潮流能發電水輪機增速導流罩進行研究，計算導流罩不同參數對其性能的影響，依據計算規律設計新型導流罩，并通過水池模型試驗對計算結果進行驗證.

1 增速導流罩設計

1.1 導流罩工作原理

增速導流罩的基本結構形式如圖1所示，主要參數包括凸緣高度h、凸緣安裝角度θ、導流罩擴張角φ和長度L，葉輪直徑D，水流速度U，方向如圖所示.其工作原理是在擴張角和后面凸緣的擾動下，導流罩后面會形成一個低壓區［9］，低壓區域會對導流罩內部流體產生一個抽吸作用，從而使更多的流體流入導流罩，進而起到使流體加速的作用.

圖1 導流罩示意Fig.1 Diagram of the diffuser

1.2 CFD 數值模擬

基于FULENT軟件，采用CFD方法［10-11］對影響導流罩性能的主要參數進行理論研究，在理論研究的基礎上對增速導流罩進行設計.

模型為軸對稱形，所以計算中可簡化為二維模型以提高計算速度［12-14］.采用ICEM軟件進行建模和網格劃分，網格采用結構化網格.湍流模型選用SST，導流罩定義為無滑移壁面，入口速度分布模擬無窮遠處來流速度，U∞=1.2 m/s，出口采用開敞邊界條件.

計算中主要監測了導流罩內部流速沿流體流動方向和沿導流罩徑向的變化，從而評測裝置的加速性能.

圖2、3給出了CFD計算的流場速度分布云圖和壓力分布云圖，從圖中可以清晰看出導流罩內部流場的速度明顯高于外部流場，內部流場壓力明顯低于外部壓力，說明該導流罩對流體起到加速作用.

圖2 CFD計算速度分布云圖Fig.2 Diagram of velocity distribution(CFD)

圖3 CFD計算壓力分布云圖Fig.3 Diagram of pressure distribution(CFD)

1.3 數值計算結果分析

針對不同的影響參數分別進行計算研究發現，凸緣可以明顯提高導流罩的加速性能.裝置的加速性能隨著凸緣高度h的增加而增加，但到達0.5D后，繼續增加h對導流罩加速性沒有影響，如圖4所示.

凸緣安裝角θ為另一個影響因素，其變化對導流罩加速性能影響不是很大，如圖5所示.但是安裝角對裝置阻力的影響很大，所以在保證加速性能的前提下，加大安裝角，可減小整個裝置所受阻力.

圖4 凸緣高度h對導流裝置加速性能的影響Fig.4 Influence of h on accelerate performance of the diffuser

圖5 凸緣安裝角θ對導流裝置加速性能的影響Fig.5 Influence ofθ on accelerate performance of the diffuser

如圖6所示導流罩的擴張角φ也是影響加速性能的關鍵參數，擴張角達到4°時加速性能最好，繼續增加擴張角會使加速性能下降.導流罩長度L對加速性能的影響規律為L越大，加速性能越好，如圖7所示;但是裝置越長，加工難度越大，成本越高，不利于工程應用，因而需要在保證經濟性的前提下適當增加導流罩的長度.

圖7 導流裝置長度L對加速性能的影響Fig.7 Influence of L on accelerate performance of the diffuser

基于以上計算研究得出的結論設計水池試驗模型，通過實驗測量導流罩的實際效果，進而驗證數值計算的準確性.

2 水平軸水輪機導流罩模型試驗

2.1 試驗設備

船模水池長108 m、寬7 m、深3.5 m，該水輪機直徑D=0.7m，葉片數n=3;其他主要試驗設備包括采集器、扭矩儀、負載電阻.導流罩模型的基本參數如表1所示.圖8給出實驗用導流罩模型及輔助結構，試驗裝置如圖9所示.

表1 導流罩實驗模型基本參數Table 1 Parameters of model of the diffuser

圖8 導流罩模型及輔助結構示意Fig.8 Structure of diffuser and support elements

圖9 吊裝完畢準備測試的試驗裝置Fig.9 Experiment model for testing

2.2 試驗步驟與方法

該試驗分為2個步驟:1)測出水輪機不帶導流罩時的功率特性曲線;2)測出加裝導流罩后水輪機的功率特性曲線［15］.

試驗過程中水輪機的功率轉化為發電機功率，因而測量發電機的功率可間接得到水輪機的功率.可以通過測量發電機的電壓與電流輸出來得到發電機的功率，但是該方法得出發電機的功率并不很準確，所以試驗過程中將扭矩測量儀安裝在水輪機主軸上，通過測量主軸的轉矩和轉速可間接得出發電機的功率，測量結果較準確.

為了準確地采集試驗數據信號并保證信號在時間上是同步的，試驗中采用專業的數據采集軟件——DHDAS數字信號采集分析系統.如10圖所示，DHDAS系統將所要采集的數據分為2個通道:通道5-2顯示轉軸的轉速，通道5-4顯示轉軸扭矩.

圖10 數據采集系統Fig.10 Data collection system

2.3 試驗結果及分析

分別測量流速U為1.0 m/s和1.2 m/s時水輪機功率，試驗曲線如圖11所示.

圖11 試驗測試曲線Fig.11 Experiment testing results

試驗結果顯示，導流罩使水輪機的發電功率明顯得到提高.在流速為1.0 m/s時，無導流罩水輪機功率最大為53 W;加上導流罩后，同樣流速下功率可以最大達到100 W，功率提高了近1倍.在流速為1.2 m/s時，無導流罩的水輪機功率最大為104W，加上導流罩后可以達到160W.因此，該導流罩對提高水輪機功率的作用是十分明顯的.

試驗過程中，記錄有無導流罩時水輪機空載的啟動流速.在未加導流罩時水輪機啟動流速為0.65 m/s，加上導流罩以后啟動流速降低到0.4 m/s，所以導流罩可以降低水輪機的啟動流速，從而延長一個潮流周期內的發電時間.

導流罩的作用除了可以提高效率外，由于尾部的凸緣受力較大，還會起到自動控制偏角的作用，在來流不穩定時，這種作用是十分有意義的.導流罩還可以起到保護葉片的作用，使水輪機工作時更穩定.

3 結束語

通過對潮流發電增速導流罩的理論與試驗研究，總結出導流罩主要參數包括凸緣高度h、凸緣安裝角度θ、導流罩擴張角φ和長度L對加速性能的影響規律，從而設計出一種經濟有效的新型導流裝置，使水輪機的輸出功率提高了近1倍.同時還降低了水輪機的啟動流速，從而延長一個潮流周期內的發電時間，提高潮流能發電效率.

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