雙機組十字叉型立軸潮流能水輪機性能分析

王 凱，孫 科，李 巖，張 亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

雙機組十字叉型立軸潮流能水輪機性能分析

王 凱，孫 科，李 巖，張 亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

為研究傳統(tǒng)H型立軸水輪機的一種改進形式即雙機組十字叉型立軸潮流能水輪機這種新型水輪機的水動力性能，采用ANSYS-CFX模擬水輪機不同的運行工況，對比分析雙機組十字叉型水輪機和單機組H型水輪機的水動力性能.結(jié)果表明:雙機組水輪機比單機組水輪機效率提高將近10%；對于漲潮和落潮兩種不同運行工況，雙機組水輪機的效率變化不大；十字叉型水輪機的推力、側(cè)向力和力矩平均值和H型水輪機相等，但其波動幅值遠(yuǎn)小于H型水輪機的波動幅值，這對水輪機的結(jié)構(gòu)安全、疲勞壽命會產(chǎn)生有益的影響.因此雙機組十字叉型水輪機比H型單機組水輪機有明顯優(yōu)勢，既能提高水輪機發(fā)電效率，又能保證水輪機運行壽命.

潮流能立軸水輪機；雙機組；十字叉型；水動力性能；效率；波動幅值

目前傳統(tǒng)石化能源占世界能源的主要部分，但是按照目前的開采速度，未來幾十年后中國將無石化能源可用.許多國家正在尋找干凈的可再生能源，海洋可再生能源中的潮流能以其穩(wěn)定，密度大，可預(yù)測的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注[1-3].

潮流能水輪機是主要的潮流能開發(fā)裝置，結(jié)構(gòu)形式依據(jù)主軸與來流方向的關(guān)系分為水平軸式和立軸式，主軸平行于來流方向的為水平軸式，主軸垂直于來流方向的為立軸式.相對于水平軸水輪機，立軸水輪機有以下特點：1)葉片結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，制作成本低；2)發(fā)電系統(tǒng)和增速系統(tǒng)可以安裝在水面以上，降低水下密封難度；3)工作速比較低，噪音小[4-5].

立軸水輪機按其工作原理分類有阻力型和升力型兩種，前者以葉片受到的流體阻力為主要驅(qū)動力；而后者主要靠葉片受到的升力推動水輪機轉(zhuǎn)動.由于阻力型水輪機啟動流速較低，同時工作效率也較低，所以更適用于低流速的海域.升力型立軸水輪機由于工作速比和工作效率都較高，因此在潮流發(fā)電方面研究和采用的更多的是升力型水輪機[6-8].過去幾十年里，研究人員對單機組水輪機、多機組水輪機、其他不同形式的水輪機都做了一系列研究.李志川[9]做了一系列立軸水輪機的實驗來研究密實度、葉片數(shù)、偏角和弦長對水輪機水動力性能的影響，并且和CFD結(jié)果對比分析.結(jié)果顯示SST湍流模型能夠提高計算精度而且當(dāng)Y+≤20時，網(wǎng)格對計算結(jié)果幾乎沒有影響，同時也證明了固定偏角的自啟動性能差，自由變偏角的自啟動性能好而且能量利用率更高； Calisal等[10-11]研究了來流角、相對位置和旋轉(zhuǎn)方向?qū)﹄p機組水輪機的水動力性能影響， 結(jié)果顯示雙機組水輪機的效率比兩個單機組的效率高； Yang等[12]研究了一種特殊的水輪機(Hunter turbine)的三維效應(yīng)，比較了二維和三維的計算結(jié)果.結(jié)果表明，隨著展弦比增大，二維結(jié)果和三維結(jié)果之間的差距逐漸變小，而且三維轉(zhuǎn)矩的波動也會隨之減小； Akimoto等[13]對浮式立軸螺旋狀水輪機進行了研究分析，這是一種新型的立軸水輪機，它的主軸可以隨著來流方向擺動，這就大大降低了對浮式平臺的結(jié)構(gòu)強度和質(zhì)量的要求，該水輪機能大幅度降低浮式水輪機的成本，突出其較高的經(jīng)濟效益.

本文對傳統(tǒng)的單機組H型立軸潮流能水輪機進行了改進，使單層葉片變?yōu)殡p層葉片，并使兩層葉片的位置角相差90°，即十字叉型立軸水輪機，并將單機組改為雙機組對轉(zhuǎn)形式.本文利用CFD方法計算了雙機組十字叉型立軸水輪機的水動力性能，并將結(jié)果和傳統(tǒng)的單機組H型水輪機水動力性能對比分析，驗證雙機組十字叉型水輪機在水動力性能方面的優(yōu)點.

1 數(shù)值模擬

1.1 理論基礎(chǔ)

定義速度來流方向為X軸正向.水輪機的能量利用率是能量轉(zhuǎn)化的最重要指標(biāo)，水輪機受到的推力、側(cè)向力是衡量水輪機水動力性能的重要指標(biāo).

為方便分析，定義量綱一的量參數(shù)如下：

式中：R為葉輪半徑，m；D為葉輪直徑， m；H為葉輪展長，m；ρ為來流密度，kg/m3；Fx為葉輪推力，N；Fy為葉輪側(cè)向力，N；VA為來流速度，m/s；Q為葉輪轉(zhuǎn)矩，Nm.

1.2 有效性驗證

為驗證所采用的CFD方法的可行性，將CFD的計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比分析.哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽做了一系列的立軸潮流能實驗研究，循環(huán)水槽工作段：長×寬×深為(8.0 m×1.7 m×1.5 m)，工作流速：0.2～2.0 m/s無級連續(xù)可調(diào).循環(huán)水槽如圖1(a)，水輪機安裝在一載體平臺上，載體平臺安裝在循環(huán)式水槽的工作段，將水輪機置于水槽槽道中，如圖1(b)所示，改變水槽流速可以研究水輪機在不同流速下的水動力性能.

圖1 立軸潮流能水輪機實驗

水輪機直徑為0.8 m，弦長為0.12 m，來流速度為2.0 m/s，使用翼型為NACA0018對稱翼型，展長0.6 m(如圖2所示).CFD計算網(wǎng)格模型可以分為兩部分，即旋轉(zhuǎn)域和外域，外域的網(wǎng)格在計算過程中靜止不動，旋轉(zhuǎn)域繞自身中心做旋轉(zhuǎn)運動，兩域的交界面運動采用滑移網(wǎng)格的方法，可以使旋轉(zhuǎn)域在旋轉(zhuǎn)過程中不改變其網(wǎng)格質(zhì)量.為進一步提高計算精度，葉片表面第1層網(wǎng)格高度為1.0×10-4m，Y+<20.計算模型設(shè)置如下：入口設(shè)置為速度入口，選用湍流模型(SST)，出口設(shè)置為壓力出口，外域的側(cè)面采用滑動墻面(slip wall)設(shè)定(在壁面剪應(yīng)力是0，τ=0，壁面附近的流體速度并不受壁摩擦的影響)，這種墻面設(shè)定也可以有效地提高計算速度及精度，葉片表面無滑移，每一時間步長選擇葉片旋轉(zhuǎn)1°所需要的時間.為了使模型計算充分收斂，選取水輪機旋轉(zhuǎn)20圈作為總的計算時間.

實驗中測量了兩葉片立軸水輪機的效率-速比曲線，將其與CFD方法計算值對比分析(如圖3所示)，可以看出速比在2.5左右時，水輪機都達(dá)到了效率最大點，但是CFD計算值明顯高于實驗值，這是因為三維效應(yīng)、臂效應(yīng)、自由面等因素影響所致.文獻(xiàn)[14]研究了立軸水輪機的三維效應(yīng)和臂效應(yīng)對水輪機效率的影響，研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)水輪機的展徑比(展長/半徑)小于2.0時，三維效應(yīng)尤其明顯.本實驗中的展徑比為1.5，所以三維效應(yīng)對水輪機的影響巨大，文獻(xiàn)[14]還通過實驗證明在展徑比1.5時，三維效應(yīng)會降低水輪機的效率達(dá)19.5%.臂效應(yīng)同樣會影響水輪機的輸出功率，在文獻(xiàn)[14]的實驗中，臂效應(yīng)降低了0.1的水輪機效率值，達(dá)到了水輪機總效率的20%.在文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)論基礎(chǔ)上，對本文的計算結(jié)果進行修正(如圖3所示).修正后的結(jié)果和實驗值能夠高度吻合，其中少量的差異是由水輪機自由液面、實驗條件等因素所致.這一結(jié)論證明了CFD方法計算立軸潮流能水輪機水動力性能的準(zhǔn)確性和適用性.

圖2 兩葉片立軸潮流能水輪機實驗?zāi)Ｐ团c網(wǎng)格模型

Fig.2 Experiment model and grid model of two-blade vertical tidal current turbine

圖3 水輪機效率曲線對比

1.3 十字叉型和H型水輪機

傳統(tǒng)的立軸潮流能水輪機屬于H型葉片，如圖4(a)所示，每個水輪機組由兩個葉片組成.十字叉式立軸潮流能水輪機，水輪機葉片分為上、下兩層，每層各兩個葉片，如圖4(b)所示.本文分別研究單機組H型和雙機組十字叉型立軸潮流能水輪機的水動力性能，并進行對比分析得出雙機組十字叉型水輪機的性能優(yōu)點.兩種形式的水輪機具體參數(shù)見表1.

圖4 不同形式的立軸潮流能水輪機

表1 H型及十字叉型水輪機參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 對轉(zhuǎn)方向?qū)Τ绷髂芩啓C的效率影響

在實際海況中，潮流能水輪機在運行過程會經(jīng)歷漲潮和落潮，潮漲潮落會使水流方向發(fā)生變化，而水輪機運行工程中的旋轉(zhuǎn)方向是不變的，所以水輪機的旋轉(zhuǎn)會分為兩種方式.本文模擬來流方向不變，水輪機的兩種旋轉(zhuǎn)方式，這兩種方式分別對應(yīng)實際海況中的漲潮和落潮.圖5(a)中，沿來流方向看，兩個機組向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)海水漲潮時水輪機旋轉(zhuǎn)工況，稱為內(nèi)對轉(zhuǎn).圖5(b)中對應(yīng)海水落潮時水輪機旋轉(zhuǎn)工況，稱為外對轉(zhuǎn).

圖5 雙機組水輪機對轉(zhuǎn)方式

本文利用CFD軟件計算了不同速比下的水輪機旋轉(zhuǎn)效率，并將單個水輪機旋轉(zhuǎn)工況和雙機組內(nèi)對轉(zhuǎn)、外對轉(zhuǎn)的效率曲線進行了對比.如圖6(a)所示，雙機組水輪機的效率明顯高于單機組水輪機效率，特別是在高速比情況下，效率提高更加明顯.而且內(nèi)對轉(zhuǎn)和外對轉(zhuǎn)的效率曲線基本重合，即雙機組內(nèi)對轉(zhuǎn)和外對轉(zhuǎn)對水輪機組效率影響不大.此外，單機組與雙機組對轉(zhuǎn)葉輪在速比2.0～2.5時，能量利用率都達(dá)到較大值，此時雙機組能量利用率比單機組提高了將近10%.

圖6 不同工況水輪機水動力性能比較

圖6(b)為單機組、內(nèi)對轉(zhuǎn)和外對轉(zhuǎn)的單個葉片的力矩曲線對比圖.單個葉片的力矩直接影響著整個水輪機的總力矩，從而決定了水輪機的功率輸出.從圖中可以明顯看出，雙機組水輪機葉片力矩在位置角90°～270°之間明顯高于單機組葉片，而90°～270°是水輪機功率的最主要輸出區(qū)間.在其他位置角時，葉片力矩趨于0，對水輪機功率輸出貢獻(xiàn)值幾乎為0.從表2中可以看出，雙機組的葉片力矩平均值比單機組平均值提高了9%左右，從而提高了雙機組總功率，這一結(jié)果和圖 6(a)結(jié)果相吻合.

圖7、8為單機組和雙機組內(nèi)對轉(zhuǎn)、外對轉(zhuǎn)的速度云圖和速度矢量圖.從圖7、8中可以看出，由于雙機組水輪機在運行過程中相互影響，使水輪機組間的水流速度增大，使經(jīng)過這一區(qū)域的葉片表面相對速度增大，從而增大了葉片的力矩也提高了水輪機功率.

表2 不同工況的水輪機葉片力矩統(tǒng)計值

圖7 水輪機速度云圖

圖8 水輪機速度矢量圖

圖9，10是水輪機壓力云圖和渦量圖. 從圖9中可以看出，和單機組水輪機相比，雙機組水輪機不論是內(nèi)對轉(zhuǎn)還是外對轉(zhuǎn)，兩個水輪機之間受到的壓力均增大.從圖10中可以看出，單機組水輪機葉片旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生尾渦，脫落的尾渦隨著水流向下游自由運動擴散.而雙機組水輪機葉片產(chǎn)生的脫落渦在向下游擴散過程中會遇到相鄰機組葉片產(chǎn)生的脫落渦，使兩個水輪機之間的水流復(fù)雜.圖10(b)，(c)中，由于雙機組對轉(zhuǎn)方向的不同，脫落渦之間的相互影響也存在差異.所以雙機組水輪機尾渦的脫落和擴散會影響到相鄰水輪機組的葉片，從而使經(jīng)過這一區(qū)域的葉片受力隨之增大.

圖9 水輪機壓力云圖

圖10 水輪機渦量圖

2.2 十字叉型和H型水動力性能對比

推力、側(cè)向力和力矩是立軸水輪機最主要的水動力參數(shù)，通過對比十字叉型和H型立軸水輪機在最優(yōu)速比下的3個水動力參數(shù)，可以找出十字叉型水輪機的優(yōu)點.

如圖11所示為H型和十字叉型的立軸潮流能水輪機的力矩、推力和側(cè)向力的對比曲線.從圖中可以明顯看出，十字叉型水輪機的受力平穩(wěn)，波動幅值較小，有益于水輪機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐疲勞特性.以水輪機推力為例，從表3中看出，兩種水輪機的推力平均值都相同，但H型水輪機的波動幅值達(dá)231.586 kN，而十字叉型水輪機的推力幅值為11.071 kN，十字叉型水輪機的波動幅值大大減小.這是因為十字叉型立軸潮流能水輪機的葉片分為上、下兩層，兩層葉片位置角相差90°，從圖12中可以看出，上層葉輪和下層葉輪受到的推力曲線也相差90°相位角.當(dāng)上層葉輪受到最大的推力時，下層葉輪此時的推力為最小，所以總的兩層葉輪推力變化較穩(wěn)定，波動幅值也會相應(yīng)變小.而且從表3還可以看出，H型和十字叉型水輪機的力及力矩的平均值相等，所以十字叉型水輪機可以在保證輸出功率不變的情況下減小力及力矩的波動幅值，這有利于葉輪的結(jié)構(gòu)強度，確保其長久運行.

圖11 十字叉型和H型水輪機對比

表3 H型和十字叉型水輪機水動力參數(shù)值

圖12 十字叉型水輪機上、下兩層推力對比

3 結(jié) 論

1)按漲潮和落潮劃分，雙機組水輪機的旋轉(zhuǎn)方式分為兩種：內(nèi)對轉(zhuǎn)和外對轉(zhuǎn).這兩種對轉(zhuǎn)方式對水輪機總的功率輸出幾乎沒有影響，即漲潮和落潮時水輪機組的發(fā)電功率基本相同.

2)不論是內(nèi)對轉(zhuǎn)還是外對轉(zhuǎn)，雙機組水輪機比單機組水輪機效率提高了將近10%，可以有效地提高水輪機的年發(fā)電量.

3)通過對比H型水輪機和十字叉型水輪機的水動力性能，兩種形式的水輪機受到的推力、側(cè)向力和力矩的平均值相等；十字叉水輪機型能夠在不影響輸出功率的情況下，大大地減少水輪機受到的推力、側(cè)向力及力矩的波動幅值，這對葉輪結(jié)構(gòu)安全和疲勞壽命、電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性等都會產(chǎn)生有益的影響.

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(編輯 張 紅)

Hydrodynamic performance of cross-type vertical axis tidal current twin-turbine

WANG Kai，SUN Ke，LI Yan，ZHANG Liang

(Deepwater Engineering Research Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To study the effect of hydrodynamic performance on the new type vertical axis tidal turbine, using ANSYS-CFX software is adopted to simulate different working conditions for comparing the hydrodynamic performance between cross-type twin-turbine and H-type single turbine. Cross-type vertical axis tidal current twin-turbine is an improved form to traditional H-type turbine. The results show that: the efficiency of twin-turbine is about 10% higher than that of single turbine. The efficiency of twin-turbine changes little for ebbs and flows. The average values of thrust, lateral force and moment are equal between cross-type turbine and H-type turbine, but cross-type turbine’s amplitude of fluctation is far less than that of H-type turbine, which can produce beneficial effects on the structure safety and fatigue life of turbines. Therefore, the cross-type vertical axis tidal current twin-turbine has obvious advantages compared to H-type single turbine in the efficiency and guarantying running life.

vertical axis tidal turbine; twin-turbine; cross-type； hydrodynamic performance; efficiency；amplitude of fluctuation

10.11918/j.issn.0367-6234.201603072

2016-03-14

國家自然科學(xué)基金(51209060, 11572094, 51579055)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20122304120035)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金(2015RQQXJ014)

王 凱(1989—)男，博士研究生； 張 亮(1959—)男，教授，博士生導(dǎo)師

孫 科，sunke@hrbeu.edu.cn

TK730;O352

A

0367-6234(2017)04-0156-06