水平軸潮流能槳葉水動力性能實驗系統設計

林　躦, 張　利,2, 張惠娣, 陳俊華

(1. 浙江大學 寧波理工學院, 浙江 寧波　315100;2. 太原科技大學 機械工程學院, 山西 太原　030024)

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水平軸潮流能槳葉水動力性能實驗系統設計

林躦1, 張利1,2, 張惠娣1, 陳俊華1

(1. 浙江大學 寧波理工學院, 浙江 寧波315100;2. 太原科技大學 機械工程學院, 山西 太原030024)

在分析現有水平軸潮流能發(fā)電水輪機設計特點的基礎上,設計了1 kw水平軸潮流能捕獲槳葉水動力性能實驗系統。該實驗系統由造流子系統、潮流能捕獲子系統、傳動子系統、測控子系統和負載組成。該系統可模擬2 m/s以下潮流,能實現不同尖速比、槳葉安裝角、槳葉翼型等多種水動力性能測試研究。該系統應用了無線airMAX技術,能夠無線遠程控制和數據采集,實現了整個系統的流程化管理和監(jiān)控。在1.5 m/s模擬潮流下,利用該系統對槳葉的捕能效率進行測試,測試表明系統運行穩(wěn)定、工作可靠、控制方便。該實驗系統奠定了槳葉翼型設計、驗證槳葉性能等方面的基礎。

水平軸； 槳葉； 潮流能； 水動力性能； 實驗系統

潮流能就是海水的水平運動所具有的動能。潮流能具有很強的規(guī)律性和可預測性,具有能量密度大、利用方便等特點[1]。我國潮流能資源豐富,據評估,中國沿岸潮流能平均功率約有14萬MW[2]。潮流能是一種清潔可再生能源,對改變能源結構、緩解能源危機、開發(fā)無人荒島等具有重要意義。

潮流能的主要應用方式是發(fā)電。水平軸潮流能發(fā)電系統以其自啟動性能好、效率高、便于直驅傳動和開展各種控制方法等優(yōu)點應用最為廣泛[3]。水輪機對于整個發(fā)電系統至關重要,水輪機的捕能效率直接決定系統的發(fā)電量。槳葉是水輪機捕獲潮流能的直接載體,水輪機的水動力學性能也主要體現在槳葉上[4]。水平軸潮流能發(fā)電槳葉的設計目前主要借鑒風力發(fā)電葉片的設計準則,沒有統一的設計理論和方法[5-7]。由于水力發(fā)電自身的特點,槳葉的最終水動力性能還需要實驗驗證。另外，水動力學性能經驗公式和數值模擬大都建立在理想化的假設基礎上,計算結果也需要實驗驗證[8],加之海上實驗成本高、環(huán)境惡劣,因此建立槳葉的水動力學性能實驗測試平臺對驗證數值模擬結果、指導槳葉設計和海上實驗具有重要意義。

潮流能發(fā)電相關實驗平臺一般建立在實驗水池基礎上,國內實驗水池集中在科研單位和高等院校,大多是大型的船模實驗池或多功能綜合水池,側重于艦船制造技術的研究、海洋水動力模擬或者整個發(fā)電系統的研究,建設規(guī)模大、建設與運行成本高[9-10],而關于便捷有效的槳葉水動力性能測試裝置的報道還比較少。本文以較少的成本對槳葉的水動力性能測試實驗裝置進行了設計和研制,并進行了槳葉的捕能效率測試實驗,對系統的工作性能進行驗證。

1　實驗系統設計及工作原理

實驗系統由造流子系統、潮流能捕獲子系統、傳動子系統、測控子系統、負載組成,總體方案框圖見圖1。其工作原理:造流子系統在測控子系統控制下產生模擬潮流,潮流能捕獲子系統捕獲潮流能,并通過傳動子系統帶動負載,由負載進行耗能和轉矩的調節(jié),同時測控系統對傳動系統的各種參數進行測量,進行槳葉的水動力性能測試。

圖1　系統總體方案框圖

整個系統以70 m長、4 m寬的“L”形實驗水池為基礎;造流子系統采用伺服電機拖動捕能裝置相對水流運動實現模擬潮流；潮流能捕獲子系統采用水平軸、懸浮、無導流罩葉輪式結構；傳動子系統采用鏈傳動加上齒輪增速結構,負載由發(fā)電機和功率電阻組成；測控子系統主要實現系統轉矩、轉速等參數的測量、傳輸和顯示，及拖曳系統的控制。整個系統的詳細設計方案如圖2所示。

圖2　系統詳細設計方案

1.1水輪機主體結構設計

水輪機是水平軸潮流能發(fā)電系統的能量捕獲裝置,本實驗系統采用技術比較成熟的風車式結構,由槳葉和輪轂組成,如圖3所示。借鑒風力機設計理論[11],水輪機采用三槳葉結構,輪轂由前壁面和安裝面組成,為了減少對潮流的影響,前壁面采用圓錐曲線外形。槳葉根部通過金屬凸緣與輪轂固定,金屬凸緣開有圓弧槽,在中心定位下,可相對安裝面轉動,以簡單的方式實現安裝角手動調整,輪轂通過法蘭盤與主軸聯接。

圖3　水輪機主體結構示意圖

1.2傳動子系統設計

考慮到水輪機的懸臂結構,系統運行時水輪機受到振動沖擊,以及實驗后期需要頻繁地更換槳葉和調整槳葉的安裝角,水輪機懸臂采用可拆卸結構，并固定在具有緩沖作用的拖曳小車上。傳動系統采用鏈傳動，把水下水輪機的低速大轉矩機械能，傳到水上的傳動部分,最終通過增速機轉換成高速、低轉矩的機械能傳遞給發(fā)電機,然后由功率電阻耗能和調節(jié)轉矩。傳動子系統的主體及測控子系統放在水面以上,克服了傳統結構的傳動系統密封等較高的維護費用。同時為了補償各傳動部件的不對中和提高傳動效率,水上轉子-軸承支撐系統、轉矩轉速傳感器、增速機和發(fā)電機均安裝在一個支撐系統上[12]。各旋轉部件之間采用具有位移和角度補償功能的柔性聯軸器連接。系統采用1∶4的平行軸式單級行星增速機,該增速機具有承載能力高、效率高、質量輕、結構緊湊等優(yōu)點。轉矩傳感器安裝在增速機之前,增速機和發(fā)電機一并作為負載,以減少增速機和發(fā)電機自身功耗對轉矩測量的影響,提高轉矩測量精度。

1.3測控子系統設計

1.3.1測控子系統硬件設計

測控子系統硬件(包括負載)由轉矩/轉速測量傳感器、低速發(fā)電機、網絡多功能數據采集卡、功率電阻、無線AP、視頻計算機、總控服務器等組成,實物如圖4所示。轉矩測量通過應變式轉矩傳感器實現,該傳感器能同時測量傳動軸的轉速,因而能方便地求出水輪機的捕獲功率。發(fā)電機選用的是低速水平軸三相永磁同步發(fā)電機,該發(fā)電機啟動力矩小,額定輸出功率為1 kW,額定轉速為360 r/min,效率大于90%,工作壽命大于20 a。功率電阻作為發(fā)電機的負載,同時起到調節(jié)轉矩的作用。水輪機的捕獲機械功率表達式為

式中:P是水輪機輸出功率(W)；T是傳動系統增速機前的輸出轉矩(N·m)；n是傳動系統增速機前輸入轉速(r/min)。

圖4　測控系統硬件實物圖

由上式可知,實際捕獲功率可由轉矩和轉速求出,系統的輸出轉矩可通過改變接入電路功率電阻的阻值進行調節(jié)。可變功率電阻由多個不同阻值的電阻串聯在一起,每個電阻由繼電器控制,繼電器通過多功能數據采集卡由總控服務器控制,即可實現多種阻值。

視頻計算機對水下高速攝像機采集的視頻進行存儲和預處理,網絡數據采集卡將采集到的轉矩、轉速等參數通過無線AP傳給遠端總控服務器。

1.3.2測控子系統無線傳輸網絡結構設計

無線傳輸系統主體是由基于airMAX技術的無線AP組成的無線網絡[13],其結構方案如圖5所示。與服務器相連的AP為UBNT公司的Rocket M5,并配備全向天線；其作為數據接收和命令發(fā)送主基站,與造流系統PLC網絡接口相連的AP和測控子系統硬件部分的AP的分別是UBNT 公司的NanoStation LOCO M5和Bullet M5,他們作為數據發(fā)送和命令接受端。airMAX是美國UBNT公司的私有協議,其采用時隙分配法,確保每個用戶都能在準確的時間獲得同等通信的機會,并且還規(guī)定了優(yōu)先級定義,該無線網絡具有穩(wěn)定可靠、成本低、功耗低等特點。

圖5　無線傳輸網絡結構方案

1.4實驗系統軟件設計

本實驗系統控制室服務器采用工業(yè)PC,軟件應用LabVIEW2011設計完成,主要實現對造流系統拖曳小車速度的控制、模擬小車的動態(tài)顯示、對發(fā)電機負載的調節(jié),以及各種實驗數據的采集、保存、回讀、實時顯示等功能。系統軟件界面見圖6。

圖6　測控系統軟件界面

(1) 造流子系統控制。服務器通過LabVIEW自帶的OPC模塊實現與帶網絡接口的PLC實時通信。上位機服務器通過改變PLC的輸入脈沖頻率來改變拖曳電機的運行速度,通過電機的編碼器把小車的實時位置傳回上位機,在軟件界面上顯示小車的動態(tài)位置,以便控制小車。

(2) 測控子系統。上位機LabVIEW服務器程序通過無線AP與下位機的網絡接口多功能數據采集卡連接,上位機控制程序可以對電機的負載(功率電阻)進行調節(jié),即通過控制多功能數據采集卡的數字輸出(DO),實現負載繼電器的通斷。轉矩傳感器采集的數據也通過無線網絡傳回上位機并在軟件界面顯示。水下攝像機采集的視頻通過調用Windows Media Play ActiveX控件實現在軟件界面的顯示。測控子系統的流程圖見圖7。

圖7　測控子系統流程圖

2　實驗系統搭建和功能

2.1實驗系統搭建

完成總體設計方案論證、設計后,開始加工和選購各零部件。數據采集卡采用美國MCC公司網絡接口E-1608多功能數據采集卡；扭矩傳感器采用瑞士Kistler公司4520A500應變式扭矩傳感器,該傳感器能同時測量轉速和扭矩；無線AP選用美國UBNT公司的5.8 GHz的無線產品；最終完成整個系統的安裝、搭建和調試,實驗系統實物圖見8。

圖8　系統實物圖

2.2實驗系統功能

該實驗系統可以進行如下實驗:

(1) 可以模擬最高達2 m/s的潮流；

(2) 針對不同槳葉的捕能效率、輸出功率特性、轉矩特性等多種水動力學性能進行驗證和測試；

(3) 能進行模擬潮流能發(fā)電的系統實驗,并為后續(xù)發(fā)電效率等研究提供實驗設備支撐。

3　實驗測試

3.1槳葉設計

為驗證整個實驗系統的工作性能,利用葉素-動量理論[14]的Wilsion方法設計了一種水平軸潮流能水輪機槳葉,其基本設計參數見表1。槳葉弦長和扭角的分布情況如圖9和圖10所示,圖中橫軸為葉素半徑r,縱軸分別為槳葉弦長、安裝扭角的分布情況。槳葉厚度由根部的18%逐漸過渡到葉尖的14%。經過實體造型、加工后的槳葉如圖11所示。

表1　槳葉的基本設計參數

圖9　槳葉弦長分布

圖10　槳葉扭角分布

圖11　槳葉實物圖

3.2槳葉捕能效率測試

保持小車運行速度即潮流流速1.5 m/s不變,通過改變功率電阻的阻值,來調節(jié)系統的轉矩,對葉輪在不同尖速比下的捕能系數Cp進行測試,測試結果見圖12。使槳葉捕能系數盡可能大是槳葉設計的目標,從圖12可以看出,該槳葉的最大捕能系數Cpmax=0.38出現在設計葉尖速比λ0=4.7處附近,在該設計尖速比附近捕能系數變得比較平穩(wěn)。測試結果說明了該槳葉的設計是有效的,用該實驗系統方便地測出了槳葉的實際捕能效率。除此之外,還可以對該槳葉的推力特性、轉矩特性等水動力參數進行測試。

圖12　捕能系數隨葉尖速比變化曲線

4　結語

根據潮流能發(fā)電特點和水平軸水輪機設計現狀,針對水平軸潮流能捕獲槳葉水動力性能的測試,對包括捕能機構、機械傳動系統、測控系統等在內的整個實驗系統的設計進行了敘述,在完成整個實驗系統的搭建工作后,又進行了槳葉捕能系數的水動力學性能實驗測試,得到如下結論:

(1) 設計的實驗系統運行穩(wěn)定,工作可靠,控制方便,可以模擬最大潮流速度為2 m/s,水輪機轉速范圍為0～150 r/min,測控系統額定功率1 kW,可進行槳葉多種水動力性能測試實驗；

(2) 該系統基于無線網絡airMAX的分布式測控系統,能夠無線遠程控制和數據采集,實現了測試實驗的流程化管理和監(jiān)控,便于數據的統一存儲和分析,提高了實驗的準確性和效率；

(3) 研究結果可為潮流能開發(fā)提供實驗數據依據,對指導槳葉翼型設計具有重要意義；

(4) 實驗結果表明,該槳葉的設計是有效的,在一定工況下(流速為1.5 m/s)該葉輪的最大捕能效率約是0.38。

References)

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Design of hydrodynamic performance experimental system of horizontal axis tidal current energy blade

Lin Zuan1, Zhang Li1,2, Zhang Huidi1, Chen Junhua1

(1. Ningbo of Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Based on the analysis of the characteristics of the impeller’s design for horizontal axis tidal current energy turbine. a 1 kW hydrodynamic performance test system of horizontal axis tidal current energy blade is achieved. The experimental system consists of the making flow subsystem, tidal current energy capturing subsystem, transmission subsystem, measuring and control subsystem and load resistor. It can simulate maximum 2m/s flow velocity. Many hydrodynamic performance tests are supported in the experimental system such as variable tip speed ratio, mounting angle and wing profile of turbine blade. Using airMAX wireless technology, the experimental system is capable of wireless remote control and data acquisition, and accomplishes procedure management to monitor the entire experimental system. Under 1.5 m/s flow velocity energy capture efficiency of blade was tested, and it is proved that the experimental system is stable, reliable and easy to control. The experimental system has laid the foundation for blade performance test and wing profile design.

horizontal axis; blade; tidal current energy; hydrodynamic performance; experimental system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.025

2015- 08- 22修改日期:2015- 09- 28

浙江省2015年度高等教育教學改革項目(jg2015216)；浙江省教育廳2015年一般科研項目(Y201534780);寧波市自然科學基金項目(2014A610091)；浙江大學寧波理工學院教改項目(NITJG-201310)

林躦(1978—),男,湖北武漢,碩士,講師,從事計算機測控技術、海洋新能源應用等方面的研究.

E-mail:lzuan@nit.zju.edu.cn

P743

A

1002-4956(2016)3- 0096- 05