潮汐機組雙向發電性能數值模擬研究

楊春霞，鄭 源

（河海大學　能源與電氣學院，江蘇　南京　211100）

潮汐機組雙向發電性能數值模擬研究

楊春霞，鄭 源*

（河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100）

為了提高潮汐機組雙向發電的綜合性能，研究了采用單側、雙側導葉兩種形式對貫流式潮汐機組水力性能的影響。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型，采用SIMPLIC算法，分別對采用單側導葉、雙側導葉方案的水輪機全流道進行了三維定常數值模擬，分析了正向、反向發電時水輪機的內部流動狀況。對不同導葉開度下水輪機的水頭、流量和力矩等參數進行計算。結果表明，采用雙側導葉時，雖然正向發電效率有所降低，但反向發電的效率大大提高。

潮汐機組；單側導葉；雙側導葉；數值模擬

潮汐能作為蘊藏在海洋中的一種可再生資源，蘊藏量非常巨大，世界海洋能蘊藏量約為20億kW，可開發利用的容量達8億kW，是可開發水電站容量的1/5，因此，潮汐能的開發潛力巨大。潮汐能是可再生、無污染的潔凈能源，與常規水電能源發電站相比，潮汐發電沒有水力發電帶來的淹沒損失和水土流失，運行中不消耗燃料，也沒有核電站可能產生的輻射污染。建設潮汐電站，不需要移民，不淹沒土地，還可以結合潮汐發電發展圍墾、水生養殖和海洋化工等綜合利用項目，開發優勢明顯。目前，世界上潮汐能資源較豐富的國家幾乎都在進行開發利用研究[1]。

貫流式水輪機因其過流量大、轉速高、效率高，且高效區寬、結構緊湊、布置簡單等優點而成為開發低水頭潮汐資源的一種最經濟、適宜的水輪機形式。本文擬開發研究一種新型低水頭大流量雙向貫流式機組，在水頭為2.5 m時，單機出力為150 kW，轉輪直徑為1.6 m。葉片數為3，導葉數為15。原型水輪機的主要工作參數為：額定水頭2.5 m，最大水頭3.65 m，最小水頭2.0 m，平均水頭2.5 m，設計單位流量2.0 m3/s。

采用CFD理論[2-4]進行流動計算，計算分析采用單側導葉、雙側導葉對水輪機水力性能的影響。計算了不同導葉開度下水輪機的水頭、流量和力矩等參數，并計算出水輪機的效率和出力。

1　數值模擬

1.1幾何模型

圖1為低水頭大流量貫流式水輪機組的整體流道示意圖。由圖可見，在轉輪的兩邊分別有活動導葉1和活動導葉2。正向發電時，活動導葉2全開，通過調節活動導葉1的開度來調節通過水輪機的流量；反向發電時，活動導葉1全開，通過調節活動導葉2的開度來調節通過水輪機的流量。數值模擬計算區域為圖1所示的水輪機整體流道。

圖1　雙側導葉貫流式水輪機整體流道示意圖

1.2數值模擬方法

考慮到流動為三維不可壓縮粘性流體，數值計算采用連續性方程和Navier-Stokes[5]方程為控制方程，即：

1.3算法及邊界條件

計算區域為進水流道、導葉段、轉輪室和出水流道。網格采用適應性強的四面體非結構化網格。采用壓力進口和壓力出口邊界條件。速度項、湍動能項和湍動能粘度系數項采用二階迎風格式進行離散。速度和壓力方程用SIMPLEC算法耦合[6-8]。在固壁區采用無滑移邊界條件，在近壁區采用標準壁面函數。

2　雙向發電性能數值模擬

2.1單側導葉和雙側導葉時正向發電性能

圖2為單側導葉豎井貫流式水輪機全流道示意圖。導水機構是水輪機的一個重要部件，導葉是過流部件中的主要部分，水流經過導葉后形成一定的環量，同時還可以均勻分布，最終軸對稱地旋轉著進入轉輪。常規的水輪機只有一側導葉，表1給出了單側導葉和雙側導葉時水輪機的正向發電性能計算結果。由表1可見，只有一側導葉（安放在豎井末端）時，正向發電效率較高，水力性能較好。采用雙側導葉時，通過水輪機的流量降低，效率和出力也都下降。可見，對于正向發電而言，采用單側導葉具有較好的發電性能。

圖2　單側導葉豎井貫流式水輪機全流道示意圖

表1　單側導葉和雙側導葉正向發電情況數值計算結果

圖3和圖4分別為單側導葉和雙側導葉正向發電時軸面流速分布圖，由圖可見，兩種情況下，進水流態沿豎井呈對稱分布，且水流未受到導葉及水輪機葉輪擾動及環量的影響，流動穩定。流速比較均勻地進入轉輪，流線平順，沒有產生局部漩渦等不良流態。

圖3　單側導葉水輪機正向發電時流速分布圖

圖4　雙側導葉水輪機正向發電時流速分布圖

2.2單側導葉和雙側導葉時反向發電性能

反向發電時豎井段為出水流道，表2給出了單側導葉和雙側導葉時水輪機的反向發電性能計算結果。由表2可見，只有一側導葉（安放在豎井末端）時，反向發電的效率較低，只有71.55%。采用雙側導葉時，通過水輪機的流量有所降低，但是反向發電效率大幅提高，達到80.66%，出力也有所提高。可見，對于反向發電而言，采用雙側導葉具有較好的性能。

表2　單側導葉和雙側導葉反向發電情況數值計算結果

圖5和圖6分別為單側導葉和雙側導葉反向發電時軸面流速分布圖，由圖可見，反向發電時，單側導葉和雙側導葉的進水流線平順，流態較好；但是在豎井的末端，流道的出口都有漩渦產生，流態較差，水力損失較大，從而使得反向發電效率不高。

圖5　單側導葉水輪機反向發電時流速分布圖

圖6　雙側導葉水輪機反向發電時流速分布圖

3　不同導葉開度下計算結果分析

圖7給出了采用單側導葉、雙側導葉正向發電時，數值模擬計算結果。由效率-流量曲線可見，采用單側導葉或雙側導葉時，兩者效率隨流量的變化趨勢相同，都呈現先上升后下降的趨勢，正向發電的最高效率都在85%以上。采用雙側導葉時，其發電效率比采用單側導葉時有所下降。由出力-流量曲線可見，采用單側導葉或雙側導葉時，兩者出力隨流量的變化趨勢相同，最大出力都在150 kW以上。采用雙側導葉時，水輪機出力比采用單側導葉時也有所下降。

圖7　正向發電數值模擬結果

圖8給出了采用單側導葉、雙側導葉反向發電時，數值模擬計算結果。由效率-流量曲線可見，采用單側導葉或雙側導葉時，兩者效率隨流量的變化趨勢相同，都呈現先上升后下降的趨勢。采用雙側導葉時，反向發電效率比采用單側導葉時大幅提高，最高發電效率達81%。由出力-流量曲線可見，采用單側導葉或雙側導葉時，兩者出力隨流量的變化趨勢相同，都呈現先上升后下降的趨勢。采用單側導葉或雙側導葉時，反向發電的最大出力都在150 kW以上。采用雙側導葉時，反向發電的出力大大提高。

圖8　反向發電數值模擬結果和試驗結果對比

綜上所述，采用雙側導葉時，雖然正向發電效率和出力有所降低，但是其反向發電效率大幅提高，且反向發電的出力也有所上升。因此，考慮到水輪機的雙向發電性能，決定采用雙側導葉結構。

4　結論

本文對設計開發出的新型低水頭大流量雙向貫流式潮汐機組在2.5 m水頭下、不同導葉開度時的工況，采用單側導葉和雙側導葉時，分別進行了數值模擬研究。結果表明：

（1）數值模擬結果表明，采用單側導葉時，機組正向發電效率較高，出力較大，效率為90.49%，流量為8.45 m3/s，出力為187.46 kW；反向發電時，機組的效率很低，最高效率只有71.55%，出力為156.88 kW。

（2）采用雙側導葉時，機組正向發電最高效率降低到85.81%，流量為7.98 m3/s，出力為167.94 kW；反向發電的效率大幅提高，最高發電效率為80.66%，流量為8.19 m3/s，出力為162.01 kW。

（3）綜合考慮正向發電和反向發電性能，采用雙側導葉效果較好。

[1]段宏江，張繼成.大型潮汐電站關鍵技術淺析[J].西北水電,2012(s1)：28-33.

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[6]Van Doormal J P,Raithby G D.Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flow[J].Numer Heat Transfer, 1984,7:147-163.

[7]馮衛民,宋立,左磊,等.軸流泵裝置三維非定常湍流流場的數值模擬[J].排灌機械工程學報,2010,28(6):531-536.

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Research on the Numerical Simulation of a Tidal Unit's Bidirectional Power Generating Performance

YANG Chun-xia,ZHENG Yuan
College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,Jiangsu Province,China

In order to improve the bidirectional power generating performance of a tidal unit,study is conbducted on the influence of two forms of design,unilateral and double guide vanes of tubular tidal unit,on the hydraulic performance of the tidal unit.Based on the N-S equations and RNG k-ε turbulence model,the SIMPLIC algorithm is used for 3-D steady numerical simulation of the turbine's whole flow passage,with unilateral and double guide vanes respectively adopted.The internal flow condition is analyzed under the forward and reverse power generating conditions.At the same time,the turbine's water head,flow-rate and moment are calculated under different guide vane openings.The results show that,with double side guide vanes,the efficiency of positive power generation decreases,but the efficiency of reverse power generation improves substantially.

tidal units;unilateral guide vane;double guide vanes;numerical simulation

TK79；P743.3

A

1003-2029（2016）05-0037-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.007

2016-07-10

中央高校基本科研項目資助——潮汐電站中豎井貫流式水輪機的水利優化研究（2015B12514）

楊春霞（1988-），女，講師，主要從事水利水電工程及流體機械研究。E-mail:yangchunxia@hhu.edu.cn

鄭源（1964-），男，教授，博士生導師，主要從事水利水電工程、流體機械研究。E-mail:zhengyuan@hhu.edu.cn