共水平軸雙葉輪海流機水動力學性能的實驗研究

程友良，雷　朝，戴崢崢，陳健梅，吳百公

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071000；2.沈陽風電設備發展有限責任公司，遼寧 沈陽 110100；3.東北師范大學 物理學院，吉林　長春　130024）

共水平軸雙葉輪海流機水動力學性能的實驗研究

程友良1，雷朝1，戴崢崢2，陳健梅3，吳百公3

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071000；2.沈陽風電設備發展有限責任公司，遼寧 沈陽 110100；3.東北師范大學 物理學院，吉林長春130024）

針對水平軸單葉輪海流機在低流速時啟動性能差、獲能少的缺點，采用共水平軸同向旋轉雙葉輪水輪機進行了水動力學性能的水槽試驗。由實驗結果研究了共水平軸單葉輪和雙葉輪水輪機的功率特性和啟動特性，分析了不同上、下游葉輪安裝角和葉輪軸向間距對葉輪啟動水流速度以及發電機獲得功率的影響，并對單葉輪和雙葉輪水輪機的運行情況進行了比較。結果表明，共水平軸雙葉輪水輪機的啟動水流速度較單葉輪低很多，而且能從水流中獲得更多的能量。因此，共水平軸雙葉輪水輪機能改進一般水平軸單葉輪水輪機難以啟動和獲能少的不足，更適合于我國低海流流速的實際海況。

海流能；共水平軸；海流機；水動力學性能；實驗研究

我國的海流能資源極為豐富，中國沿岸130個水道的理論平均功率為14 GW。海流的能量來源于太陽輻射，海洋吸收太陽輻射，因海水受熱不均而形成溫度、密度梯度，從而產生海水的流動。作為一種長期穩定和高度可預測的能量資源，海流能具有很大的開發潛力。國家已經出臺了一系列鼓勵海洋能開發利用的政策措施［1-3］。

目前海流能的利用研究還處于初級階段，大多海流能渦輪機設備仍處于樣機和示范工程，商業化程度較低［4］。海流能渦輪機大體可分為水平軸式、垂直軸式、振蕩水翼、渦激震蕩、壓電式等［5］。由于水平軸海流渦輪機的設計與水平軸風力渦輪機的設計原理相似，而風力渦輪機的技術相對成熟，可以應用于水平軸海流渦輪機的設計，所以目前的大功率海流渦輪機基本上采用水平軸的方式［6］。

A.S.Bahaj等人利用水槽測試了不同海流流速情況下800 mm直徑海流渦輪機的功率特性和推力特性。實驗測得20°葉輪安裝角，水流速度為1.73 m/s，葉輪尖速比為6時功率系數能達到46%［7］。但是這種葉輪啟動時的水流流速較大。為了解決葉輪在低流速海流中難以啟動的問題，國內東北師范大學張雪明教授課題組［8］實驗研究了共水平軸自變距雙葉輪的啟動特性和獲能情況，葉輪采用實度很大的葉片，研究結果顯示，單電機共水平軸雙透平在安裝角為18°時的啟動水流速度約為0.1 m/s。由于上游葉輪的實度太大，嚴重影響到下游葉輪能量的獲取。葉輪安裝角為4°時的最大能量捕獲系數僅為22%。

為了減弱下游葉輪受到上游尾流的影響，使共水平軸雙葉輪能從水流獲取更多的能量，本文采用了一種新型的共水平軸雙葉輪，它不僅能在低海流流速下啟動并從海流中獲取更多的能量，而且能減小葉輪的軸向推力。

為了研究這種新型共水平軸雙葉輪水輪機在實際流場中的水動力學性能，課題組在東北師范大學水槽實驗室進行了單葉輪水輪機和共水平軸雙葉輪水輪機的模型試驗，對兩種形式葉輪在不同來流速度下的能量獲取情況進行了研究。通過改變共水平軸雙葉輪前后葉輪的安裝角和兩葉輪的軸向間距，研究了共水平軸雙葉輪在不同工況下獲得的發電機功率大小。

1　實驗概述

1.1試驗水槽介紹

東北師范大學清潔能源技術實驗室水槽具體參數：長度2 000 mm；寬度600 mm；高度1 500 mm。試驗區間尺寸：長度500 mm；寬度400 mm；高度400 mm。水槽整體裝置如圖1所示。驅動電機的功率為1.5 kW。電機調頻范圍：0～50 Hz。產生的水流速度范圍為0～0.6 m/s。水槽可由調頻器進行水流流速調節，電機調頻器頻率對應的水槽水流速度如表1所示。

表1　電機調頻器頻率對應的水槽水流速度

圖1　潮流能實驗水槽

驅動電機將電能通過葉輪轉化為水流的動能，由于葉片旋轉推動水流運動時會產生一定的湍流強度。水流湍流強度率定義為［9］：

式中：u，v，w分別為x，y，z方向速度分量；“ˉ”代表平均；σ代表各自速度分量的標準差。實驗用水槽的湍流強度約為10%。

1.2葉片和葉輪參數介紹

水輪機葉輪直徑為290 mm，葉片參數見表2。葉片由有機玻璃經打磨機磨制而成。經測試，結構強度均滿足試驗要求，葉輪實物如圖2所示。共軸兩葉輪的主軸材料選用不銹鋼棒，主軸與兩葉輪輪轂處的連接固定采用在輪轂側方打孔，尖頭螺絲自弓的方式。自弓指從輪轂錐壁上打一個通向輪轂中心的孔，然后用螺絲插入孔中擰緊抵住主軸，從而連接主軸于輪轂，使它們一起做旋轉運動。葉輪通過上緊和松開緊固在葉片根部圓柱上的螺絲來改變葉片的安裝角度。葉輪在水槽中的布置示意圖如圖3所示。

圖2　葉輪實物圖

表2　葉片參數

圖3　葉片布置示意圖

1.3數據采集與控制

實驗所用發電機的磁級對數為9對，線圈匝數為550匝，發電機的內電阻為8.8 Ω。通過把小型交流發電機外接一個8.8 Ω負載后再接入示波器，然后從示波器讀出從發電機感應出的電壓有效值和正弦波的頻率。讀取數據時每個電壓有效值和頻率值都讀取10組值，然后計算10組數據平均值。再利用正弦波的頻率計算出葉輪的瞬時轉速。葉輪瞬時轉速的計算公式為［10］：

式中：f為正弦波的頻率，Hz；ω為葉輪瞬時轉速，rpm；a為發電機的磁極對數。

葉輪尖速比計算公式為［9］：

式中：ω為葉輪瞬時轉速，rad/s；R為葉輪半徑，m；v為來流水流速度，m/s。

發電機功率計算公式［10］：

式中：U為發電機的電壓有效值，V；P為發電機功率，W；b為發電機內阻，取值為8.8 Ω；c為負載電阻，取值為8.8 Ω。

葉輪實度是指葉片在水輪旋轉平面上投影面積的總和與水輪掃掠面積的比值。葉輪實度的計算公式［11］：

式中：S為每個葉片對風向的投影面積；B為葉片數；R為水輪半徑；σ為實度比。

2　實驗結果和分析

2.1安裝角對發電機獲得功率的影響

圖4反映了單葉輪帶動發電機旋轉時水流速度V與發電機功率P之間的關系。從圖可以看出，在相同水流流速下，葉輪轉速穩定后，隨著葉片安裝角度的增大，發電機功率逐漸降低。在水流速度為0.378 m/s，葉片安裝角度為5°葉輪轉速穩定時發電機功率為8.27×10-3W，葉片安裝角度為25°時的發電機功率為1.16×10-3W。固定安裝角的旋轉葉輪，隨著水流速度的增加，發電機功率也跟著增大。當水流速度增大到0.527 m/s，葉片安裝角度為5°時的發電機功率為14.71×10-3W。

圖5是幾種不同安裝角下單葉輪與共軸雙葉輪在不同流速下發電機獲得的功率分布情況的比較。從圖中可以看出，共軸雙葉輪，葉輪間距為0.25倍直徑、兩葉輪安裝角相同（都為10°）時發電機功率比安裝角為5°的單葉輪發電機功率大很多，這說明雙葉輪能從水中獲取更多的能量。共軸雙葉輪，上、下游葉輪安裝角分別為20°和10°時發電機獲得的功率比安裝角為10°的單葉輪發電機獲得的功率要高。以上分析表明共軸雙葉輪機組的發電能力優于單葉輪機組。

圖4　單葉輪發電機功率與葉輪安裝角的關系

圖5　不同水流速度下安裝角對發電機獲得功率的影響

2.2安裝角對葉輪啟動水流速度的影響

單葉輪海流發電機組的實度一般比較小，因此水流作用在葉片上的作用力也較小。這個力在葉片切向產生的分量，即切向力不大。尤其在安裝角比較小的時候（小于10°）。所以作用在葉輪軸上的扭矩很小，導致葉輪在水流速度比較低的情況下無法啟動，帶載能力較低。由表3可知，安裝角小于10°的葉輪啟動性能很差，甚至在水槽的最大流速（0.6 m/s）時也無法啟動。但是，啟動后葉輪的轉速值增加很快。安裝角大于20°以后，雖然能啟動，但是啟動時的水流流速較大。

表3　單葉輪在水流中的啟動速度

表4顯示了雙葉輪在葉輪間距為0.25D，0.5D，0.75D和1D時，不同安裝角下葉輪的啟動水流流速。從表中可以看出共軸雙葉輪大大降低了葉輪啟動流速。對比表3發現，單葉輪的安裝角和共軸雙葉輪下游葉輪的安裝角相同時，共軸雙葉輪的啟動水流速度比單葉輪低。例如，當單葉輪安裝角為5°和10°時，單葉輪的啟動水流速度都大于0.6 m/s。而共軸雙葉輪β1=β2=5°時的啟動流速為0.507 m/s。當葉輪間距為0.25D，β1=10°，β2=10°時，葉輪的啟動水流速度為0.441 m/s。β1=15°，β2=10°時，葉輪的啟動水流速度為0.378 m/s。對比單葉輪，共軸雙葉輪具有良好的啟動性能。

表4　共水平軸雙葉輪在不同葉輪軸向間距和安裝角時的啟動水流流速

圖6　單葉輪轉速與水流流速的關系

2.3安裝角對葉輪轉速的影響

從圖6中可以看出，在同等水流速度下，單葉輪安裝角為5°時的轉速最高，25°時轉速最低。相同安裝角的單葉輪轉速隨水流速度的增大而增大。以安裝角為5°的單葉輪為例，當水流速度從0.378 m/s增加到0.527 m/s時，葉輪轉速從99.6 rpm增加到158 rpm。當安裝角較小時，葉輪轉速隨水流速度的增加增大得較快。當安裝角較大時，葉輪轉速隨水流速度的增加增大得較慢。例如，在5°時水流速度從0.378 m/s增加到0.527 m/s，轉速增幅為58.4 rpm。而在安裝角為25°時的增幅僅為32 rpm。

圖7　不同水流速度下葉輪安裝角對葉輪轉速的影響

圖7反映了幾種安裝角下的單葉輪和共軸雙葉輪轉速隨水流速度的變化趨勢。可以通過對轉速的比較得出單葉輪和共軸雙葉輪主軸的扭矩分布情況。比較單葉輪安裝角為5°和共軸雙葉輪前后安裝角都為10°時的情況，發現同等水流速度下，單葉輪的轉速高于雙葉輪的轉速，然而，如前所述，功率卻低于雙葉輪的功率。

發電機功率計算公式：

式中：Q為葉輪主軸的扭矩；ω為葉輪轉速；η為發電機效率。

根據發電機功率的計算公式（6），說明雙葉輪主軸上的扭矩大于單葉輪主軸上的扭矩。因此，共軸雙葉輪具有良好的啟動性能，能在很低的水流速度下實現自啟動。這也可以從表3和表4中看出，前后安裝角都為10°的共軸雙葉輪的啟動流速為0.441 m/s，而安裝角為5°的單葉輪的啟動流速大于0.6 m/s。

圖8　不同安裝角對共水平軸雙葉輪轉速產生的影響

從圖8可以看出，當葉輪間距為0.25D，β2=5°時，葉輪轉速由高到低的順序為：β1=10°時的葉輪轉速＞β1=15°時的葉輪轉速＞β1=20°時的葉輪轉速＞β1= 30°時的葉輪轉速；當葉輪間距為0.25D，β2=10°時，β1=25°時的葉輪轉速大于β1=30°時的葉輪轉速。同樣，當葉輪間距為0.25D，β2=15°時，β1=15°時的葉輪轉速大于β1=20°時的葉輪轉速。由此可得，葉輪間距為0.25D的共軸雙葉輪，在相同水流速度和下游葉輪安裝角時，上游葉輪安裝角越小，葉輪轉速越高；反之，上游葉輪安裝角越大，葉輪轉速越低。

2.4水流速度對葉輪TSR的影響

圖9表明了不同安裝角下TSR隨水流速度的變化情況。從圖可知，TSR不僅和葉輪安裝角有關系，而且還與流速有關。在葉輪安裝角較小時，TSR處于較大的值區間（約4～4.5）。隨著安裝角的不斷增大，TSR逐漸減小。例如，5°時TSR約為3.56～4.51，20°時TSR的值在1.64～2.06之間。還可以觀察到，在同一安裝角下，隨著水流速度增加，TSR的整體趨勢是增大的。而且不同安裝角時，TSR的增幅不同。水流速度從0.378 m/s增加到0.527 m/s的過程中，安裝角為10°時的葉輪TSR增幅最大，為0.84。

圖9　來流速度與TSR的關系

2.5葉輪軸向間距對發電機獲得功率的影響

從圖10可以看出，在相同水流速度，β1=β2=10°時，共水平軸雙葉輪軸向間距為0.25倍直徑的發電機獲得功率小于間距為0.5倍、0.75倍和1倍葉輪軸向間距時發電機獲得的功率。而0.5倍、0.75倍和1倍葉輪軸向間距時發電機獲得的功率差別不大。由此可以得出，上、下游葉輪距離太近（＜0.5倍葉輪直徑時），下游葉輪受上游葉輪影響較大。

圖10　葉輪間距對發電機獲得功率隨的影響

從圖11可以看出，在相同水流速度下，β1=β2= 5°時，葉輪間距為0.5倍直徑的發電機獲得功率大于0.25倍直徑的發電機獲得功率；而共軸雙葉輪β1=10°，β2=5°時，葉輪間距為0.5倍直徑時發電機獲得功率不僅大于0.25D，而且也大于0.75D和1D時發電機獲得的功率。β1=β2=10°時，葉輪間距為0.5倍直徑的發電機獲得功率大于0.25倍直徑的發電機獲得功率，但小于0.75D和1D時發電機獲得的功率。這說明不同上、下游葉輪安裝角下能使發電機功率達到最大值的最佳軸向間距是不同的。并不是葉輪軸向間距越大，獲得的發電機功率就越大。

圖11　不同葉輪軸向間距、不同安裝角下的發電機獲得的功率變化

3　結論

（1）通過對單葉輪和共水平軸雙葉輪獲得的發電機功率的對比，發現共水平軸雙葉輪能從海流獲得更多的能量。

（2）通過對相同安裝角下單葉輪和共水平軸雙葉輪的啟動水流速度的比較，發現共水平軸雙葉輪能大大降低葉輪的啟動水流速度，非常適合在我國的低海流流速的海況。

（3）通過對單葉輪和共水平軸雙葉輪不同安裝角下葉輪轉速的比較，發現雙葉輪主軸上的扭矩大于單葉輪主軸上的扭矩。這就保證了共軸雙葉輪比單葉輪在低流速海流中更易啟動。

（4）通過比較不同安裝角下TSR隨水流速度的變化，發現隨著安裝角的不斷增大，TSR逐漸減小。在同一安裝角下，隨著水流速度增加，TSR的整體趨勢是增大的。而且不同安裝角時，TSR的增幅不同。

（5）通過比較共水平軸雙葉輪在不同上、下游葉輪安裝角，不同軸向間距下發電機獲得的功率，發現不同上、下游葉輪安裝角下發電機獲得最大功率的最佳間距是不同的。并不是葉輪間距越大，發電機獲得功率越大。

致謝：感謝東北師范大學張雪明教授在本實驗過程中的指導和幫助。

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Experimental Study on the Hydrodynamic Performance of the Marine Current Turbines with Co-Horizontal Axis and Double Impellers

CHENG You-liang1，LEI Chao1，DAI Zheng-zheng2，CHEN Jian-mei3，WU Bai-gong3
1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei Province，China；
2.Shenyang Wind Power Equipment Limited Liablity Company，Shenyang 110100，Liaoning Province，China；
3.School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，Jilin Province，China

In order to offset the drawbacks of poor start performance and low energy acquisition of the marine current turbine with a horizontal axis and a single impeller under the marine circumstance of low current velocity，the marine current turbine with a co-horizontal axis and double impellers which rotate together in the same direction is studied in the tank for obtaining its hydrodynamic performances.From the experiment results，this paper investigates the power and start characteristics of the above-mentioned two marine current turbines，analyzes the effects of different install angles of the upstream and downstream impellers and the axial distance between the impellers on the start current velocity and power obtained，and compares the operating performances of the single-impeller and double-impeller turbines.The results show that the start current velocity of the marine current turbine with co-horizontal axis and double impellers is much lower than that of the marine current turbine with a single impeller and the former can obtain more energy from currents.Therefore，the marine current turbine with a co-horizontal axis and double impellers is able to improve the disadvantages of difficult start and less obtained energy existing in ordinary turbines with a single impeller，and is more suitable for the practical sea states with low current velocity in China.

marine current energy；co-horizontal axis；marine current turbine；hydrodynamic performance；experimental study

P743.1

A

1003-2029（2016）01-0106-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.017

2015-09-14

海洋可再生能源專項資金資助項目（LNME2013JS01）；水平軸自變距潮流能工程樣機設計定型項目資助（ZJME2013ZB02）

程友良（1963-），男，教授，博導，主要從事流體力學、海洋潮流能和波浪能等的研究。E-mail：ylcheng@live.cn