小型水流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與仿真

，，，

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司 恩施供電公司，湖北 恩施 445000；2.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；3.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

水流能源具有清潔、無污染、可再生等特點(diǎn)，被逐漸開發(fā)并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能等形式。在許多流速較低水域，監(jiān)控、導(dǎo)航設(shè)施都需要一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)維持其正常工作，依靠人工充電比較困難，成本也很高[1-2]。為適應(yīng)低流速水域，以低速啟動(dòng)且輸出較大轉(zhuǎn)矩的水流能發(fā)電機(jī)技術(shù)，是當(dāng)前有待重點(diǎn)研究和開發(fā)的新能源技術(shù)之一[3-6]。文中針對(duì)低流速(≤2 m/s)水域，設(shè)計(jì)開發(fā)達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置，與水庫式和水平式等傳統(tǒng)發(fā)電裝置相比，具有更靈活、更有創(chuàng)新空間和發(fā)電效率更高等優(yōu)點(diǎn)；適用于躉船或航標(biāo)船，對(duì)船舶本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)性影響較小。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給定功率系數(shù)(水能利用系數(shù))CP、葉輪實(shí)度σ,以及葉尖速比λ等參數(shù)，確定垂直軸式水流能發(fā)電裝置葉輪的幾何外形尺寸；然后采用CFD技術(shù)對(duì)該發(fā)電裝置的葉輪的水動(dòng)力學(xué)和整機(jī)性能進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)而對(duì)垂直軸式水流能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，使之盡可能地捕獲更多的能量[7]。

1 發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

利用達(dá)里厄型垂直軸式發(fā)電裝置進(jìn)行水力發(fā)電，主要確定垂直軸式水流能發(fā)電裝置葉片數(shù)、葉輪直徑、葉輪高度、葉片翼型、葉片弦長以及導(dǎo)流裝置[8-10]。

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)水流速度較低水域，利用達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置將水流能轉(zhuǎn)化為電能，為該水域的監(jiān)控、導(dǎo)航設(shè)施或躉船上的電力設(shè)備提供一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)以維持其正常工作，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為功率100 W；水流速度1 m/s；傳動(dòng)效率97%；發(fā)電機(jī)效率98%。

1.2 葉輪設(shè)計(jì)

1)功率。達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置從水流動(dòng)能中捕獲的功率為

(1)

式中:P——發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率，W；

ρ——水的密度，1.0×103 kg/m3；

S——葉輪迎水面積，m3，為葉輪直徑D以及葉輪高度H的函數(shù)；

v——上游流速，m/s；

CP——葉輪功率系數(shù)，由表1中可以查到H型達(dá)里厄型葉輪的功率系數(shù)為0.40，尖速比λ為5～6；

η1——傳動(dòng)效率；

η2——發(fā)電機(jī)的效率。

表1 能量利用系數(shù)CP和葉尖速比λ

2)葉輪的高度。一般情況下，葉輪的高徑比H/D與葉輪高度H，以及葉輪直徑D之間存在的關(guān)系為H/D=0.8～1.2。

3)葉片。選取NACA XYZZ系列翼型。

4)葉片數(shù)。葉片數(shù)N一般在2～5片之間。

5)葉片弦長。葉片弦長L通常為

(2)

式中:R——葉輪半徑，m；

σ——葉輪實(shí)度，一般在0.1～0.6之間，本設(shè)計(jì)取σ=0.6；

N——葉片數(shù)。

6)葉尖速比。λ為葉尖速比，計(jì)算公式為

(3)

式中:n——葉輪轉(zhuǎn)速;

R——葉輪半徑;

v——上游水流速度。

由表1可以查到H型達(dá)里厄型葉輪的葉尖速比為5～6，設(shè)計(jì)中取λ=5.5。

通過以上設(shè)計(jì)步驟和公式，裝置結(jié)構(gòu)見圖1，計(jì)算結(jié)果見表2。

參數(shù)數(shù)據(jù)類型H型葉片翼型NACA系列葉片數(shù)N3葉輪實(shí)度σ=NL/R0.6高徑比H/D1.0直徑D/m1.0高度H/m1.0葉片弦長L/m0.1葉尖速比λ5.5雷諾數(shù)Re3.6×106最大功率系數(shù)CPmax0.40葉輪額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)105

若采用功率為300 W，速比為10，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的微型增速箱，傳動(dòng)效率η1=97%，發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率η2=98%，則該發(fā)電裝置捕獲水流動(dòng)能功率可用式(1)計(jì)算得

結(jié)果大于100 W，滿足供電要求。

2 水翼葉片動(dòng)力學(xué)及其仿真

達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置的葉片是將水流能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵零部件，其翼型對(duì)發(fā)電效率會(huì)產(chǎn)生比較明顯的影響，因此有必要對(duì)發(fā)電裝置葉片翼型的選型進(jìn)行研究探討[11]。利用Fluent仿真軟件，分析研究不同葉片翼型在相同葉尖速比的升阻比，選擇合適的葉輪翼型；針對(duì)選中的葉輪翼型進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析[12]。

2.1 幾種典型翼型的升阻比

選取NACA XYZZ(X-相對(duì)彎度，Y-最大彎度位置，ZZ-相對(duì)厚度)系列翼型,是美國NACA最早建立的低速翼型，具有較高的升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)。為選擇合理的翼型，以水動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用Fluent軟件對(duì)3種翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412的升阻比進(jìn)行仿真計(jì)算，從而選擇合適的翼型。

選取相同來流速度1.0 m/s，雷諾數(shù)3.6×106，在不同攻角(0～20°)時(shí)，經(jīng)過計(jì)算分析得到3種翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412在不同攻角下的升阻比，見圖2。

圖2 3種翼型的升阻比

由圖2可見，當(dāng)攻角在0°～6°時(shí)，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加而增加；當(dāng)攻角在6°～15°時(shí)，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加先減小后增大，攻角在10°左后時(shí)，出現(xiàn)波谷；然而當(dāng)攻角在15°～20°時(shí)，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加而減小。總體而言，當(dāng)攻角為15°時(shí)，3種翼型的升阻比到達(dá)最大值。比較得到，在攻角相同的情況下，NACA4412的升阻比均要大于其他兩種翼型葉片的升阻比，說明其水動(dòng)力學(xué)性能好于其他兩種，因此選擇NACA4412翼型葉片為本設(shè)計(jì)中的葉片。

2.2 NACA4412葉片水動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 邊界條件

選取來流速度0.5 m/s，雷諾數(shù)3.6×106，攻角為15°，利用Fluent對(duì)NACA4412翼型葉片進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析。

1)劃分網(wǎng)格[13]。選擇網(wǎng)格類型Pave，設(shè)置 Internal Size=0.02，葉片周圍網(wǎng)格采用自適應(yīng)的四邊形網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果：Pave size為0.02，Mesh Faces為18 878。

2)設(shè)置翼型外部流場(chǎng)。流場(chǎng)長度20L(L為葉片弦長)，高度6L。流場(chǎng)速度入口距離翼型左端6L，流場(chǎng)出口距離葉片尾端14L，上下邊緣距離葉片分別為3L，圖3為葉片的網(wǎng)格劃分和邊界條件加載。

圖3 導(dǎo)入Gambit中的幾何翼型

2.2.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過Fluent求解處理器求解計(jì)算得到NACA4412翼型葉片在水流場(chǎng)中的速度分布云圖(見圖4)和壓力分布云圖(見圖5)。

圖4 流場(chǎng)速度分布云圖

圖5 壓力分布云圖

從圖4可見，NACA4412翼型葉片上表面最大速度為0.556 m/s，周圍無分離渦出現(xiàn)，說明其水動(dòng)力性能較好，能很好地將水流能轉(zhuǎn)換成電能。

由圖5可見，在葉片上下表面有兩個(gè)等壓環(huán)，其中下表面的等壓環(huán)壓力值要大于上表面的等壓環(huán)壓力值，其中最大靜壓力為270.243 Pa，最小為-49.657 Pa。上下表面的壓力差是葉片升力的來源，當(dāng)葉片以一定攻角在水中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，升力的分力提供水流能發(fā)電裝置葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

仿真結(jié)果表明，葉片上下表面的壓力差較大，能為水流能發(fā)電裝置葉片提供較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

綜合分析圖4和5，葉片上表面，前沿上部水流速度急劇增大至最大值，葉片上表面的壓力也急劇縮小，此時(shí)極易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在水流發(fā)電機(jī)葉片葉端的高速減壓區(qū)經(jīng)常發(fā)生，使金屬表面上的保護(hù)膜被破壞，從而加快了腐蝕速度。在葉片的設(shè)計(jì)和加工過程中可以采取以下方法減小或避免氣蝕現(xiàn)象[14]：①葉片表面采取流線型設(shè)計(jì)，減小或避免局部渦流和擾動(dòng)現(xiàn)象，從而有效地防止氣泡的產(chǎn)生；②減小葉片表面的粗糙度；③葉片表面進(jìn)行噴涂處理，增加其耐腐蝕性；④選擇高強(qiáng)度、高韌性的金屬材料，能夠有效地提高抗氣蝕能力。

3 導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)及水流發(fā)電機(jī)整體仿真

利用Fluent的MRF(moving reference frame)模塊，模擬簡化的達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置葉輪和周圍水流速度關(guān)系，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)考察裝有導(dǎo)流裝置的水流能發(fā)電裝置運(yùn)行時(shí)周圍流場(chǎng)的布置情況[15]。

3.1 水流能發(fā)電裝置葉輪流場(chǎng)分析

此發(fā)電裝置選用NACA4412翼型，由3片葉片以120°夾角均勻布置在主軸周圍，轉(zhuǎn)速為105 r/min，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，來流速度1.0 m/s，雷諾數(shù)為3.6×106，攻角15°。利用Fluent中的MRF模塊對(duì)垂直軸式水流能發(fā)電裝置葉輪進(jìn)行流場(chǎng)分析。

1)網(wǎng)格劃分。選擇四邊形網(wǎng)格(uad)分別對(duì)外部圓環(huán)和內(nèi)部小圓進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Internal size為0.2，網(wǎng)格圖見圖6。

圖6 三葉片水流能發(fā)電裝置網(wǎng)格劃分

2)邊界類型和區(qū)域類型。兩圓環(huán)交界處邊界類型設(shè)置為Wall,外部圓環(huán)和內(nèi)部圓環(huán)分別設(shè)置為Fluid1和Fluid2，見表3。

表3 水流能發(fā)電裝置整體仿真邊界條件設(shè)置

經(jīng)過Fluent求解處理器計(jì)算得到流場(chǎng)速度云圖見圖7。可以看出水流能發(fā)電裝置葉片所在區(qū)域的速度較大，向區(qū)域內(nèi)外速度逐漸減小，中心點(diǎn)的速度接近于0；其次，葉片所在區(qū)域的速度變化也較快，說明此水流能發(fā)電裝置葉輪區(qū)域水流速度分布與實(shí)際情況相符。

圖7 水流機(jī)葉輪水流速度流場(chǎng)云圖

3.2 導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真

為了提高水流能的利用率，增大與葉輪接觸區(qū)域的水流速度，在葉輪所在區(qū)域設(shè)置一個(gè)導(dǎo)流罩，以期獲得更大的水流能量和力矩。為了驗(yàn)證導(dǎo)流裝置對(duì)垂直軸式水流能發(fā)電裝置流速及流場(chǎng)的影響，在3.1的基礎(chǔ)之上，利用Fluent中的MRF模塊對(duì)帶有導(dǎo)流罩的垂直軸式水流能發(fā)電裝置進(jìn)行仿真分析，選取來流速度1.0 m/s，雷諾數(shù)3.6×106，水流速度攻角15°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。考慮工程實(shí)際情況，在Fluent中繪制流場(chǎng)幾何圖形，選擇自適應(yīng)四邊形網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖8。

圖8 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

在Fluent中進(jìn)行迭代計(jì)算得到垂直軸式水流能發(fā)電裝置的流場(chǎng)速度云圖，見圖9。

圖9 整體流場(chǎng)速度云圖

從圖9中可以看出，在葉輪與導(dǎo)流裝置的間隙，水流的速度得到了較大的提高，最大值達(dá)到了1.69 m/s，說明導(dǎo)流罩的設(shè)置起到了加速水流的作用。但從其后部的流場(chǎng)分析，導(dǎo)流裝置分散了一定的來流水力動(dòng)能，水流能發(fā)電裝置尾部出現(xiàn)漩渦分離，降低水動(dòng)力性能。

4 結(jié)論

達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置中葉片的翼型對(duì)發(fā)電機(jī)獲能效率有重要影響，合適翼型的葉片能夠明顯地提高其發(fā)電效率；導(dǎo)流裝置的設(shè)置提高了與水流能發(fā)電裝置葉片接觸區(qū)域水流的速度，能夠有效地增加發(fā)電裝置捕獲水流動(dòng)能的效率，但對(duì)流場(chǎng)能量的耗散有一定的影響；利用Fluent數(shù)值計(jì)算方法可以有效地檢驗(yàn)現(xiàn)有達(dá)里厄型垂直軸式水流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)和性能。本文設(shè)計(jì)研究的垂直軸式水流能發(fā)電裝置能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)方案和數(shù)值計(jì)算方法為合理利用低速水流能轉(zhuǎn)化電能提供了參考和理論依據(jù)。

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