阿基米德螺旋葉片式水力發電設備簡介與展望

張金鳳，喻德輝，方玉建，謝立恒，唐 留

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

古希臘數學家阿基米德利用阿基米德螺旋線發明了阿基米德螺旋管，極大地提高了農業灌溉的效率。在后人改進之后，各種螺旋類裝置應運而生，它們在排水灌溉、物料輸送、心臟移植等領域發揮了重要作用。幾千年的歷史中該螺旋類裝置大都需要驅動機械來提供動力，如以往的風車、蒸汽機和當今的電動機、柴油機[1]。到20世紀末，在可再生能源的開發進程中，阿基米德螺旋裝置又煥發出了新生，歐洲人從阿基米德螺旋泵得到啟示，開發出了一種新型的微型水力發電設備，因其具備諸多獨特的優勢，目前已經廣泛應用于歐洲的低水頭場合。

近年來，這一新型水力發電設備也逐漸出現在了南美洲、澳大利亞和亞洲等地區。我國是小水電大國，小型和微型水利資源極其豐富,但目前各地區的開發程度差別非常大，市場開發空間還很廣闊[2]。并且我國政府十分重視微水電的發展，推廣微水電技術可帶來重大的經濟、環境效益[3]。因此，本文對該螺旋葉片式水力發電設備(以下簡稱ASG)進行了分析介紹，希望有助于該高效、環保的新型水力發電裝置在我國的推廣利用。

1 ASG的結構和參數

阿基米德螺旋葉片式水力發電機主要由阿基米德螺旋轉輪(以下簡稱AST，見圖1)、圓筒槽、變速箱和發電機組成。AST置于圓筒形的水槽中，該水槽可以是環繞螺旋轉輪的圓管，也可以是圍繞螺旋轉輪下半部分的半圓管。AST兩端用軸承支撐固定，使得螺旋葉片外緣與圓管內壁面保留一定的間隙δ。實際中的ASG轉速較低，所以在發電機前通常需要接入變速箱。

圖1 阿基米德螺旋轉輪[6]Fig.1 The Archimedean screw[6]

AST由空心圓管以及垂直纏繞在管上的螺旋葉片構成，其葉片數N可以是一個或多個，且在圓周上均勻分布。d是螺旋轉輪的直徑，dm是圓筒管的外徑，每一個螺旋葉片都有相同的螺距P，螺旋葉片在軸向也是彼此均勻分布，他們的間隔取決于葉片數量，螺旋葉片的總長L是軸線方向上起點到終點的距離[4,5]。AST的主要參數見表1。

表1 阿基米德螺旋轉輪參數Tab.1 Parameters of the Archimedean screw

2 ASG布置方式及分析

目前在實際應用中，ASG主要有2種布置方式，分別是傾斜布置和水平布置，不同的布置方式在結構上也有所差異。

2.1 傾斜布置

傾斜布置如圖2所示，AST軸線與水平成一定角度安裝，水流從圓筒槽上端進入并驅動螺旋葉片，從而帶動軸和發電機旋轉而發電，這是目前較普遍的安裝方式，適合溪水、河流、排水渠道等眾多低水頭場合。值得注意的是，此種布置方式下的空心圓管與螺旋葉片、圓筒槽應有足夠的長度差，以使ASG上端零部件遠離入流水面。另外，下端軸承選用的是水潤滑軸承，不需潤滑油和密封，既環保又減少維護成本。

圖2 傾斜布置Fig.2 Inclined axis turbine

有研究者認為是流經螺旋葉片的水流的重力驅動了AST，并作出假設：如果水的重力全部作用在葉片上并且忽略機械損失，那么水流的能量將全部轉化為電能[7]。后來這種觀點遭到了否定，因為螺旋轉輪中水的重力大部分作用在了固定于地面的圓筒槽上,施加在螺旋葉片上并對其做功的重力幾乎可以忽略。Müller等認為驅動AST的主要是水流的沖擊和靜壓的聯合作用，由于螺旋轉輪中的水流是呈階梯狀流向下端出口的，所以螺旋葉片上下游存在水頭落差，導致上游的靜壓F2大于下游的靜壓F1(見圖3)，從而水流的壓差和沖擊驅動AST旋轉[6,8]。

圖3 理想的AST[6]Fig.3 Idealized Archimedean screw[6]

2.2 水平布置

水平布置適合水面較寬、水頭接近0的河流、湖泊等場合，見圖4。

圖4 水平布置[11]Fig.4 Horizontal axis turbine[11]

特別地如果是在沿海區域，那么不論潮漲潮落，AST正轉或反轉都可以為ASG提供發電的能量。這種ASG在結構上省去了圓筒槽，且AST的軸線可以平行或者垂直來流方向，還可以采用多臺ASG串聯或并聯的組合方式來安裝[9-11]。

此外,水平布置時沒有壓差的作用，即只有水流的動能轉化為了電能[12,13]。因為轉化能量的原理不完全相同，所以水平布置的螺旋轉輪應采用不同的設計方法，但目前的設計仍參照傾斜布置的螺旋轉輪，所以水平布置下的轉輪還需更多的研究改進，以充分轉化水流的動能，提高轉化效率[8]。

3 ASG的特性

1993年歐洲公開報道了第1臺阿基米德螺旋葉片式發電機[14]。之后數以百計的ASG在澳大利亞、德國、英國等地區安裝并運行[15]。ASG專門適用于0～10 m的超低水頭，發電功率為1～500 kW，這一新型的微型水力發電設備有許多獨特的優點。

3.1 適應超低水頭和流量不穩定，效率高

ASG最大的優勢是在超低水頭情況下，轉化能量的效率高于傳統的反擊式或沖擊式轉輪，即使在水頭接近0時，它也最易保持高效[16]。同時AST可以在較寬的流量范圍高效的運行。由圖5中曲線1可知：即使在0.2倍最大流量下AST也能保持較高的效率，其最高效率超過了90%，只有Kaplan式轉輪效率略高于AST，但是它運行的流量范圍沒有那么寬。

圖5 不同轉輪的效率曲線[21]Fig.5 Efficiency curves of different turbines[21]

國外對ASG機組效率也有研究報道：Hawle和Pelikan(2012年)對歐洲電站的調查表明：實際應用中ASG機組平均效率為69%，此類發電系統的最高效率超過了75%[17]。Brada(1999年)報道，德國的一個ASG裝置的效率達到了80%[18]。某試驗研究中[11]，最佳入流條件下的ASG效率達到了83%。甚至有變轉速的ASG產品效率可以穩定在80%～85%[19]。袁林娟等人針對國內低水頭微型水輪機效率低下的問題進行了優化設計，樣機試驗結果表明效率提高了23%，達到了76%～80%，比市場上同類機組效率高出40%～50%[20]，可見ASG比起國內低水頭微型水輪機有較高的效率。

3.2 生態與環境友好

近年來為保護魚類，西歐和北美研發出了轉槳式、燈泡式以及貫流式等魚類友好型水輪機，但這只能解決下行魚過壩的問題[22]。而AST轉速低、葉片間的空間大，魚類直接就能夠安全地通過(不論順流還是逆流)。此外，ASG施工不必攔截河道，魚類可以正常的洄游，從而保證了上下游魚類生物的繁衍生息，同時也不會影響到河流排洪、灌溉的作用。余傳萍[23]指出以常規模式開發微型水電站會對農業灌溉和生態環境造成一定的影響，這是制約我國微水電發展的重要因素之一，而如果能在我國推廣ASG就可以較好地解決這個問題。

關于螺旋轉輪魚類友好性的研究國外還有較詳細的報道。Kibel(2008年)在英國德文郡對魚類通過某電站螺旋轉輪的情況進行了較全面的分析研究，其結果表明：在所有工況點魚類都可以安全通過[24]。英國環境局建議在ASG系統的入口放置粗格柵，防止較大的魚進入而受到傷害，或者在螺旋葉片前緣安裝橡膠緩沖器[25]。然而Kibel(2009年)的研究發現，AST葉片外緣的速度達到4.5 m/s時，1 kg以下的魚是安全的，不需要在葉片前緣加任何保護措施。他建議，如果沒有放置粗格柵導致1 kg以上的大魚進入，那么為了防止傷害大魚，要么保持外緣速度不超過3.5 m/s，要么在葉片前緣安裝橡膠緩沖器[26]。

3.3 經濟成本低、收益快

作為超低水頭微型水力發電裝置，ASG的土建工程小，通常只需修筑一條混凝土水渠，且AST結構簡單，沒有復雜的轉輪和導葉，所以投資成本低。此外，AST可以順利通過漂浮的雜物，不需要安裝格柵和定期清理，這樣也可以節省人力和清理設備的成本[8]。對此胡霆也有較詳細的介紹：在超低水頭場合常用的是燈泡貫流式水電機組，成本高于25 000 元/kW，若小型化后成本甚至高達35 000 元/kW，而ASG的成本大概在15 000 元/kW左右[27]。

3.4 維修方便、壽命長

AST轉速低、結構簡單，所以穩定性高、不易出現損壞，敞開的結構也便于維修。除了軸承、密封等易損件，機組壽命至少為30 a[28]。

4 水力設計與優化的探討

對水力發電裝置而言，設計高效率轉輪的關鍵是根據外部參數設計出與之匹配的幾何參數，常規水輪機的水力設計就是根據水頭選取合適的比轉速，再確定直徑比和轉輪直徑，最后確定其他的幾何尺寸[29]。而目前AST的設計基本都是參考了阿基米德螺旋泵的設計方法[5,30,31]，即根據外部參數選取轉輪主要參數與轉輪直徑的比值，見表2。此外再參照相關經驗、公式確定葉片厚度以及轉輪外緣與圓筒槽內壁的間隙。

表2 主要參數與轉輪直徑的比值Tab.2 The ratio of the main parameters and the AST’s diameter

雖然這種簡單的經驗設計方法有一定的成效，但并不能作為ASG水力設計的理論依據。因此目前還沒有歸納ASG水力設計的理論，仍缺少完善的水力設計方法。

Müller和Senior[6]指出ASG的效率通常由相關參數和損耗共同決定，相關參數見表1，它包含了螺旋轉輪的水力設計參數和外部參數，目前相關的研究初步總結了它們對效率的影響。

4.1 轉輪水力設計參數

(1)直徑比Dr。根據流量來確定轉輪直徑的大小，在流量充分的情況下直徑的增大可以輸出更多的電能，但是直徑一般不會超過4 m[14],這是因為在焊接葉片和內筒軸時有疲勞限制[32]。如果引進新材料，比如乙烯基酯，那么直徑還可以制造得更大[19]。參考國外的AST模型，直徑比可取0.2～0.55，如果直徑較大，那么直徑比也取較大值。

(2)螺距比Pr。Rorres[33]研究表明螺距比對AST的效率有顯著的影響,Lyons[5]在常見的螺距比范圍內選取了Pr=0.8、1.0和1.4的AST進行研究,結果顯示電能與效率都隨著螺距比的增加而增加。Lyons分析指出，較大的螺距會得到更大的靜壓差，從而產生更大的轉矩，但是螺距較小時泄漏損失也會更小。

(3)轉速n。AST的轉速通常為25～80 r/min，對于泵裝置而言增加轉速可以增加其效率[33]，但是該結論不能直接應用于AST。Müller和Senior認為在理論上轉速與效率無關[6]。Lyons[5]和Nuernbergk[14]研究表明轉速較低時AST的機械損失會較小，即效率會較高，但是當轉速較低時，ASG就需要安裝更復雜的變速箱，這會增加裝置的成本。國外有報道[19]ASG可以設計為變轉速，在不同流量下它可以保持最高效的運行狀態，效率可以穩定在80%～85%，但它的初期成本要高于固定轉速系統[30]。

4.2 外部參數

(1)長度比Lr。在一定范圍內AST越長，水流通過時就會轉化出更多的能量[35]。但是因為系統存在損失，所以AST長度增加到某一值時，效率會達到最大值，AST的長度比Lr可取2～5[36,37]。在特定環境下可以通過改變安裝角度來改變AST的長度。

(2)流量Q。AST適用的流量范圍廣，在0.1～50 m3/s情況下可以高效的運行[11]。對同一AST,流量增加后效率和電能都會增加，并且AST存在一個最大的流量值[5,15]。當流量減小時，效率會顯著降低，因為ASG系統損失所占的比例變大了[5]。但是當流量大幅度的變化時，ASG也可以正常運行，見圖5[21]。

(3)安裝角度θ。安裝角度即AST軸線與水平面的夾角，在一定水頭落差情況下，也可以通過改變AST的長度來改變安裝角度。Muller[6]給出了0°～50°的安裝角度與效率的關系：隨著角度逐漸減小到0°，效率也逐漸增大接近于1，Raza[32]的研究也證實了減小安裝角效率增大的結論。然而，Lyons[5]的研究結論卻相反，他對17.2°～34.7°的5個角度進行了試驗，發現安裝角度較大的條件下效率較高。此外，Wright在28°～35°范圍內對Pr=0.6的AST的試驗研究表明，安裝角度在31°±3°是比較合理的，超過了34°效率會有所下降[38]。所以目前效率和安裝角的研究結論還存在分歧，有待更深入的研究。

5 展 望

5.1 設計理論和方法

目前AST的設計大都參考阿基米德螺旋泵(ASP)的設計以及相關經驗公式，在具體環境下AST的設計還沒有充分的理論來指導，未來應完善AST的理論和設計方法。且傾斜布置時安裝角度的研究結論還存在爭議，關于水平布置的ASG也只有少量的報道，還有待更多的研究。

5.2 研究方法

相比于泵類裝置AST的研究還遠未成熟，相關研究主要基于實地調查、試驗和少量的數值計算。William介紹了AST的三維建模與網格劃分，并運用數值模擬總結了內部流場和壓力分布規律[39]。Jacob利用CFD軟件對封閉管道內不同螺距的AST進行了空化研究，初步總結了空化發生的位置以及條件[40]。運用數值計算可以對AST進行較全面的分析，而且成本較低，所以未來在數值計算方面應投入更多的研究。

5.3 ASG在我國的潛在市場

(1)偏遠、分散地區供電。目前我國仍有相當一部分居民生活在缺電的偏遠、分散地區，電網輸電技術難度大、經濟成本高，而這些區域的微水利資源大都十分豐富，如四川、云南、貴州、江西、廣西、西藏等地區的微水利資源占全國的50%以上，且“三小電”中的微水電是最為經濟可靠的發電方式[41]，如上所述ASG相對于傳統的微型水電技術擁有眾多優勢，若能在這些區域得到應用，不僅能滿足山區人民的用電需求，還有助于當地的經濟發展。

(2)農業設備的配套動力。在我國糧食主產區如東三省，由于農業灌溉的需要已經建有較成熟的水利設施，也配備了現代化的灌溉設備，但是還缺少配套的農用動力[42]，若利用當地的水利設施(如堰壩、水庫生態水放流處等)安裝ASG，便可解決這些農業設備的供電問題，提高農業現代化水平。

(3)城市水處理設備供電。我國最新的環保法為ASG提供了新的市場，如城市地表水處理設備的供電，若對某些河流治理設備專線敷設，成本極高[27]。由于城市河流的水頭很低，流量也不穩定，因此適合用來開發ASG，從而實現就地發電自用，為環保治理設備提供電力供應。

(4)水庫、水電站的能量回收。我國有大量的水庫和水電站，其下游排放的生態水的能量還有待開發利用。若在水庫、水電站下游安裝ASG回收能量，不僅創造了經濟效益，還起到了節能減排、促進生態文明的作用。

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