垂直軸潮流能水輪機研究與利用現狀

張 亮，李志川，張學偉，侯衛松，馬 勇

(哈爾濱工程大學海洋可再生能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

在能源緊缺和環境惡化雙重壓力下，各國政府對包括潮流能在內的海洋能源利用的科技問題給予了前所未有的高度重視和大力支持，潮流能已成為能源開發技術領域最為活躍的分支。潮流水輪機是潮流發電系統的核心組成部分。其中水平轉軸式和垂直轉軸式占了絕大部分。Khan等人［1］對現有76個潮流發電裝置進行統計，其中采用垂直軸式的裝置占了33%，并指出垂直軸式潮流水輪機得到人們越來越多的關注。

文中首先介紹了垂直軸式潮流水輪機的優缺點，然后總結了垂直軸水輪機國內外利用現狀，對垂直軸水輪機研究方法進展情況做了綜述和評價，最后指出目前垂直軸水輪機開發利用所需要解決和突破的技術難點和問題。

1 垂直軸潮流水輪機優缺點

在潮流能開發與利用中，水輪機的結構形式在很大程度上決定著水輪機的能量利用率與水動力性能的優劣，因此，開發出一種能量利用率高、水動力性能優良的水輪機結構形式就成為該領域的研究重點，尤其是設計研發階段。若潮流能水輪機葉輪的旋轉軸與水流方向垂直，則稱之為垂直軸式潮流水輪機。垂直軸水輪機的主要優點有:

1.1 設計簡單

作為一項新興技術，設計的簡單與否以及系統的成本是決定它成功與否的重要因素，與水平軸式相比，垂直軸式水輪機葉片結構更加簡單，成本更低。

1.2 不需要換向

由于垂直軸水輪機旋轉方向不受來流方向影響，因此不需要換向機構，也使系統更加簡單。

1.3 發電機的連接

垂直軸水輪機發電機可以放在軸的一端，從而使發電機處于水面之上，這樣大大降低了水下密封的難度和成本。

1.4 噪音小

由于垂直軸水輪機工作轉速較低，因此不容易產生空化，比水平軸水輪機產生的噪音小，這樣有利于保護海洋生物的棲息地。

垂直軸水輪機的主要缺點有:低起動轉矩，對于不同的設計，起動性能通常都較差，這就需要有特殊的輔助起動設計，例如通過電機拖動，但是變偏角式垂直軸水輪機可以有效改善起動性能;效率較低，垂直軸水輪機效率要低于水平軸水輪機;載荷脈動，由于結構形式決定，垂直軸水輪機葉片會受到周期性載荷，同時主軸轉矩也是脈動的，因此容易使葉片和主軸容易產生疲勞問題。

2 垂直軸潮流水輪機利用現狀

2.1 國外利用現狀

歐美國家對海洋能開發利用重視較早，對垂直軸潮流能水輪機研究從未間斷。圖1所示的是加拿大Blue Energy Technology公司［2］研發的Davis Hydro Turbine。該水輪機采用的是四個固定偏角葉片，葉片連接于轉軸上，并通過齒輪箱驅動發電機進行發電。而整個轉子安裝于一個錨固于海底的永久性水泥沉箱中。另外該沉箱的特殊構型可以加速水流，提高水輪機的效率。并且使得耦合器、發電機及電力控制系統處于一個干燥的環境中。同時采用的大多數組件都是現有的，使得建造、安裝和維修變得很具有經濟性。該公司在1984年設計建造了100 kW樣機，但由于導流罩設計問題，制約實際發電量沒有超過70 kW。

意大利 Ponte di Archimede S.p.A(PDA)公司設計的 Kobold水輪機［3］，如圖2所示，2005年在意大利墨西拿海峽建成漂浮式電站，水輪機采用的是變偏角式，水輪機直徑6m，高5m，電站發電接入當地電網，這是世界上第一個接入電網的垂直軸潮流能水輪機，測得該水輪機能量利用率在0.23左右。

加拿大New Energy Corporation公司設計的EnCurrent垂直軸潮流發電系統［4］，葉輪結構形式與Blue Energy公司設計相似，采用的是固定偏角4葉片，如圖3所示，此潮流發電系統采用的是雙體船形式漂浮結構，該公司的5 kW和25 kW機型已經在加拿大和美國有多個成功應用案例。目前該公司正在開發250 kW機型。

圖3 EnCurrent水輪機

美國Gorlov Helical Turbine設計的GHT水輪機［5］，如圖4所示，葉片設計成了有一定的扭曲角度的螺旋葉片，這樣克服了垂直軸水輪機兩個最大的弱點，一是使水輪機具有了自啟動能力，二是減小了載荷波動，其設計的1.5 kW模型直徑1 m，葉片弦長140 mm，葉片扭曲角67°，轉子高2.5 m，額定工作流速1.5 m/s。

圖4 GHT水輪機

美國Ocean Renewable Power公司也采用了螺旋葉片方案設計了60 kW的OCGen水輪機［6］，如圖5所示，該水輪機采用橫軸布置方式，并且發電兩側采用了旋向相反的兩個葉輪，這樣又可以抵消螺旋葉輪旋轉產生的軸向力，該水輪機已進行了多次海上試驗。

圖6 OCGen水輪機

2.2 國內利用現狀

上世紀80年代，哈爾濱工程大學率先開始了垂直軸潮流發電水輪機的理論和試驗研究工作，是我國進行潮流能水輪機實驗研究較早的單位。2002年4月，哈爾濱工程大學研制了我國首座70 kW漂浮式潮流實驗電站“萬向 I”［7－8］，如圖 6所示。該裝置的載體為雙鴨首式船型，搭載水輪機、發電裝置和控制系統;錨泊系統包括4只重力錨塊、錨鏈和浮筒組成;水輪機采用立軸可調角直葉片擺線式雙轉子機型，水輪機主軸輸出端安裝液壓及控制系統進行調速，將機械能轉換為穩定的壓力能和穩定的輸出轉動，帶動發電機工作，具有蓄電池充電控制、并網控制和相關的保護功能。在流速2～2.5 m/s時，平均發電功率5～20 kW。

2005年12月，“萬向II”40 kW潮流能發電實驗電站在岱山建成［9］，見圖7。該裝置建于岱山縣高亭鎮與對港山之間的潮流水道中，是一個獨立供電系統，采用彈簧控制葉片偏角H型雙轉子水輪機。載體呈雙導流箱形，由機艙、浮箱、導流罩、沉箱和支腿構成，機械增速系統與發電機組密封于機艙中。電站沉沒于水下，坐在海底上運行發電，避免了潮流發動機組受強臺風襲擊的問題。電力通過海底電纜輸送到岸上，經電能變換與控制等系統穩頻穩壓和儲能供岸上燈塔照明。電站具有下潛和上浮功能便于安裝維護。

2008年，中國海洋大學研制成一種5 kW柔性葉片水輪機潮流發電裝置［10］，如圖8所示，它的基本原理類似帆翼，柔性葉片為三角形，具有自適應性，能充分利用升力效應和阻力效應，葉片采用柔性材料制成，結構簡單，成本低，易維護。由于利用的是葉片升力和阻力，因此該水輪機的啟動流速比較低，但是由于其轉速較低，所以需要較大的增速機構。

圖8 柔性葉片水輪機

3 垂直軸潮流水輪機研究方法進展

目前垂直軸潮流水輪機水動力性能研究方法，根據數學模型的理論依據可以分為三類:第一類是基于動量定理的方法，第二類是基于旋渦理論的方法，第三類是基于求解N－S方程的CFD方法。

3.1 基于動量定理的方法

1974年，Templin提出了基于動量定理的單盤面單流管模型［11］(Single Stream －Tube Model)，用來計算豎軸風力機的流體動力特性，該模型是后來各種動量定理流管模型的基礎。其基本思路為:沿流向作一個流管包圍整個葉片運動盤面(Actuator Disk)，假設誘導速度沿盤面均勻分布，將所有葉片經過流管上游半區和下游半區的作用力之和作為該流管上的外力，應用動量定理建立聯系這一外力和流管動量變化的方程式，從而求解出誘導速度，然后計算轉子的流體動力。

為了改善Templin的單盤面單流管模型，20世紀70年代中后期發展起來了許多復合流管模型。其中著名的有1975年Strickland提出的單盤面多流管模型［12］(Multiple Stream －Tube Model)、1982年，Paraschivoiu提出的雙盤面多流管模型［13］(Double － Multiple Stream － Tube Model)，以及1990年，Sharpe提出的一種雙盤面多流管模型［14］。

針對動量定理流管模型的修正方法也很多，較早的有Paraschivoiu等人對流管擴張效應的修正［15－16］。其它的修正方法有對計算中采用的翼型升力系數、阻力系數和力矩系數實驗值的修正，例如對葉片動態失速的修正以及考慮葉片展弦比影響 的 修 正。Paraschivoiu 和 Desy［15－17］以 及Camporeale 和 Magi［18］在其計算中都采用了 Gormont的 Boeing－ Vertol動態失速模型［19］，來修正葉片升力系數和阻力系數;Paraschivoiu，et al［20］分析了葉片展弦比和動態失速對性能計算的影響等等。2006年汪魯兵在其博士論文中對流管模型進行進一步的研究，給出雙盤面－多流管模型以及擴張流管模型的進一步探討［21］。

基于動量定理的流管模型在垂直軸水輪機水動力性能計算中的應用已經表明，在密實度和速比不大的情況下，該方法能夠方便快捷的預報水輪機的總體能量利用率和推力等性能。但是這種方法也有一些不足，首先不太適用于計算較高速比、較大密實度和載荷情況下的水輪機性能。在許多情況下，當速比增大到一定值時，動量方程就會發散，而得不出解。

3.2 基于旋渦理論的方法

1978年，Wilson提出了 Vortex Sheet模型［22－23］，來求解 Giromill風力機的流體動力性能。這是一種固定渦模型(Fixed－Wake Vortex Model)。這一模型是后來許多旋渦理論模型的基礎。

1979年，Strickland等人提出了V－DART模型［24］。V－DART模型是在1975年 Larsen的計算模型［25］、1976 年 Fanucci和 Walters的模型［26］以及 Holmes的模型［27］和 1978年 Nguyen的模型［28］的基礎上發展和完善起來的一種自由渦模型(Free－Wake Vortex Model)，它的主要改進有:(1)通過和升力系數相聯系的Kutta條件，將葉片失速考慮進計算模型，使得葉片載荷計算更準確;(2)葉片展向分段的計算方法使得該模型可以用于三維計算和具有曲線形狀葉片的豎軸風力機的流體動力計算;(3)不再固定尾渦的形狀，是一種非定常計算模型。

1984年，馬慶位提出了一種旋渦理論模型［29］。該模型的基礎是Wilson的Vortex Sheet模型，即用無限葉數的水輪機來代替實際水輪機，用附著渦層來代替葉片，用和來流方向平行的直線自由渦層來代替尾渦，馬慶位采用該模型對擺線式水輪機進行了研究。

D.Vandenberghe和E.Dick在1987年提出一個與上述方法類似的旋渦模型［30］。在他們的方法中不再將有限葉數的水輪機化為無限葉數的水輪機來處理，他們將尾流的一定區域進行分格，將位于單元格內的尾渦絲離散到單元格的四個節點上進行計算，尾渦絲的位置由它所在點當地的流體速度確定。在計算葉片受力的時候考慮了動態失速的影響。對于大展弦比葉片風力機的計算是令人滿意的。

2001年，Ponta等提出了一種將自由渦模型和有限元分析結合起來的分區計算模型—FEVDTM 模型［31－32］。這種模型對流場分區計算，在大區域中采用和Strickland的V－DART模型相似的自由渦模型進行計算;而在葉片周圍的小區域內采用有限元方法計算。

2006年汪魯兵首先建立了多葉片非定常運動的渦面元法模型［21］。具體給出了模型中源匯、附著渦和尾渦的分布方式以及處理方式，討論了非線性壓力Kutta條件的建立過程，并詳細介紹了針對該條件的一種簡化求解模型。這一模型能夠在保留上述Kutta條件中所有非線性項的基礎上實現顯示線性迭代求解。同時以該模型為基礎，通過對新生自由渦的處理，結合矩陣分塊算法，提出了一種高效快速的分解迭代格式，改善了收斂性和計算效率，方便了數值試驗的進行和求解參數的優化。

2008年Ye Li基于旋渦理論方法提出了離散渦(Discrete Vortex Model)模型［33］，并且在計算單個水輪機模型的基礎上，發展出計算多個水輪機相互干擾的模型，并對兩個及以上水輪機干擾進行了研究。

基于旋渦理論的這些方法，是在勢流理論框架下的展開的，因此對于流體粘性作用均采用的是修正方法，但是在水輪機速比較低時，葉片處于大攻角范圍，流體粘性作用影響較大，這些方法對葉片的受力預報精度不高。

3.3 基于求解N－S方程的CFD方法

基于求解N－S方程的CFD方法可以有效彌補上述兩種方法的不足，是物理模型實驗的有效補充和探索性拓展，更提供了物理模型實驗無法同時獲得的瞬時流場信息。

隨著計算機的發展，CFD方法在垂直軸風力機或水輪機研究中得到了廣泛的應用，2005年，Horiuchi等人［34］使用 STAR－CD模擬二維假設下的垂直軸風力機速度場，并與試驗值進行比較，主要為了迅速的重新設計機構，并改善其性能。風力機半徑1.25 m，葉片弦長0.15 m，葉片數三片，翼型為 TWT11215，湍流模型采用 DES(Detached Eddy Simulation)，其指出隨著速比增加(λ≥2.8)，風力機下游流速約為來流速度的0.3倍(u=0.3 V∞)，除此之外，流管的擴張角約為14度。

2007 年，Guerri等人［35］使用STAR －CD 模擬二維垂直軸風力機葉片的受力，其湍流模型采用SST k·ω，其指出低速比時，葉片周圍會產生更強的渦流，此外葉片受力將有助于研究流體與風機結構間相互的影響(Fluid Structure Interaction)。Lida等人［36］為了解 Darrieus風力機葉片大攻角變化下造成的大尺度失速與湍流尾流間相互作用的影響，采用LES(Large Eddy Simulation)進行模擬，其指出高速比下動態失速的影響較小。Ferreira等人［37］使用Fluent軟件驗證二維模擬垂直軸風力機的動態失速現象時，網格、時間步長和湍流模型對計算結果的影響，并與PIV試驗結果相互驗證，其指出Laminar模型可模擬出翼前緣的層流分離，但會高估渦的發展，而一階或二階湍流模型卻會抵消部份翼前緣層流分離的最大法向力，除了流場的信息外Ferreira等人［38］也利用動量理論計算PIV的流場信息求得葉片的的氣動受力。

Hamada等人［39］使用Fluent軟件對垂直軸風力機的強烈的三維效應進行模擬，其包括翼尖損失(tip lose)、轉軸及支臂的影響等。

2008年孫科提出應用滑移網格理論研究H型葉輪的動邊界CFD數值模擬問題［40］。通過對固定偏角、和彈簧控角水輪機模型的計算研究，表明該方法可以較準確的預報H型轉子的瞬時載荷和整體性能，與動網格模型相比，減少了網格數量，確保了網格質量，大大節省了計算時間。

2009 年，Hwang等人［41］應用 STAR －CD，采用k·ε湍流模型對擺線式垂直水輪機進行了研究，其分析不同葉片數、葉片弦長、不同速比、不同翼型及葉片最大偏角對水輪機的影響，并與試驗結果進行了對比。并根據計算結果對葉片偏角規律進行了優化。

4 垂直軸水輪機研究利用關鍵技術問題

目前，垂直軸潮流水輪機研究利用所需要解決和突破的技術難點和問題主要有以下幾個方面:

4.1 垂直軸水輪機準確可靠的性能預報方法

準確的預報水輪機的性能和載荷，對于水輪機設計十分關鍵，現有的研究方法仍存在很多不足，主要體現在基于假設條件較多，考慮因素還不全面，所以完善現有研究方法，準確預報水輪機的性能是目前垂直軸水輪機研究利用面臨的一個關鍵技術;

4.2 潮流能發電系統的總體設計與參數優化技術

潮流能發電系統總體設計的難點在于多種因素的優化綜合。一是系統的性能優良，二是系統對海洋環境的適應性、海上運輸安裝和維護的方便性、長期運行的可靠性以及推廣應用的可擴展性和經濟性。例如，潮流電站載體和發電機組的安裝和維護問題，有效施工的時間(平潮)非常有限，其施工方法、工藝是否有效，施工成本是否經濟，都需要在總體方案設計中統籌考慮和解決。

4.3 可靠高效垂直軸水輪機技術

水輪機是潮流電站的核心裝置。水輪機在工作狀態時，葉輪周期性運動本身會產生交變載荷，同時還有可能受到波浪影響，在保證水輪機具有較高效率的基礎上進一步提高運行的可靠性，需要研究在流和浪的聯合作用下，水輪機的水動力載荷和功率特性。

4.4 惡劣海況下電站載體安全與保護技術

潮流電站的載體和水輪機組等主要裝備處于海上或水下。作為海洋結構物，在臺風或強流等惡劣海況下必須安全的生存，應該有相應的安全保護措施。在高海情條件下，載體和水輪機所受載荷很大而且載荷變化規律非常復雜，給錨鏈系統的設計帶來較大的困難。

5 結束語

隨著全球能源危機和環境問題的日益嚴重，潮流能的開發利用受到世界各國的重視，垂直軸潮流水輪機正在朝著大型商業化發展，各國都在加緊研發適于更大功率的垂直軸水輪機發電機組方案。我國科研工作者應汲取國外研究經驗，利用我國現有條件，自主研發，突破技術難點，最終開發出適用于我國海域條件的垂直軸水輪機發電機組，促進我國潮流能的可持續發展。

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