一種涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置的研究分析

王世明, 吳帥橋, 田 卡, 白連平

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一種涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置的研究分析

王世明1, 吳帥橋1, 田 卡1, 白連平2

(1. 上海海洋大學工程學院, 上海201306; 2. 北京信息科技大學自動化學院, 北京 100192)

為解決海洋波浪能和潮流能耦合利用的問題, 提升浪流發電裝置的發電效率, 上海海洋大學課題組設計了一種新型涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置。主要對軸流泵的工作原理進行理論分析, 闡述將軸流泵排水原理應用于浪流發電裝置捕獲浪流能的可行性, 基于軸流泵葉片設計原理, 設計出一種可以雙向捕獲浪流能的葉片。經數據仿真和水槽實驗進行驗證, 得出涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置可以在浪流流速=0.5 m/s工況下浪即可啟動, 滿足低流速啟動要求, 發電效率最高為23.7%。

軸流泵; 浪流能; 海洋能; Fluent仿真; 真水槽實驗

浪流能發電技術是近年來全球海洋可再生能源研究的熱點問題, 是應對能源短缺的一個重要解決手段。海洋波浪能是一種分布廣泛、清潔、可再生能源, 有很大的利用價值。目前國外波浪能發電技術已非常接近于應用化水平, 如英國的Peamis(海蛇)波浪能發電裝置, 該裝置已經基本實現商業運行。輪機式浪流發電裝置因獲能效率較高、可靠性較高, 現已成為國內外重點研究對象。水輪機一般分為豎直軸和水平軸, 豎直軸輪機發電效率高、無需換向, 但結構復雜、對主軸的強度要求較高, 限于材料的限制, 在潮流發電中豎直軸水輪機很少被選用[1-3]。水平軸輪機開發較為成熟, 現多用于潮流能發電, 但水平軸水輪機大多要經過復雜的換向機構才能高效地捕獲海洋能, 因結構復雜維護成本也較高[4-6]。

基于現有豎直軸、水平軸輪機的優缺點, 上海海洋大學課題組設計一種涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置, 其額定功率設計為40 W, 水輪機主要由葉輪、三相異步永磁電機、涵道3部分構成。浪流力推動葉片旋轉, 旋轉葉片將浪流的動能轉換為機械能, 從而實現海洋潮流能和波浪能的捕獲。葉輪采用軸流泵的原理進行設計, 可雙向捕獲潮流能和部分波浪能, 無需復雜的換向裝置。本文對軸流泵排水理論進行分析, 闡述涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置的理論基礎; 基于軸流泵葉片設計方法, 對涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置葉片參數進行設計; 運用Fluent軟件對葉輪進行水動力分析, 對比分析水槽實驗獲得實驗數據、仿真數據和理論數據。

1 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置理論分析

1.1 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置模型

涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置結構圖如圖1。兩部功率為20 W的永磁電機同軸對稱放置, 面向涵道開口處由導流罩將電機密封, 另一端采用動密封, 且軸端伸出連接雙向葉輪。葉輪采用軸流泵葉輪設計思路設計[7-8], 葉片安放角為42°, 水流方向上葉輪結構對稱。將葉輪置于兩永磁發電機中間, 與其發電機軸端相連接。用6個支撐板將兩部發電機固定于涵道內。浪流可從涵道兩端雙向推動葉輪旋轉, 葉輪旋轉帶動發電機輸入軸旋轉發電。從入水口看, 葉輪旋轉方向始終為順時針方向旋轉, 旋轉方向和有關。

1.2 理論分析

軸流泵是一種將機械能轉換為水流的動能的裝置, 其分類有離心泵、混流泵、軸流泵、漩渦泵。在軸流泵中, 水流進水與出水方向沿軸線方向, 即液體流出葉輪的方向平行于軸線。軸流泵的重要參數揚程(m)表示了軸流泵的推力, 其表達如式(1), 將浪流發電裝置的出口靜壓力(Pa)、進口靜壓力(Pa)、出口液體的速度(m/s)、進口液體的速度(m/s)帶入式(1)中, 得到浪流發電裝置出口水流高度(m), 如式(2)。將式(2)帶入式(3)中可理論計算出浪流發電裝置的輸出功率(kW)。

(2)

(5)

式中:為迎流面積(m2);為水流速()。

(7)

根據軸流泵葉片參數設計經驗公式, 計算出浪流發電機葉片的主要參數, 葉輪直徑、輪轂比、葉柵稠密度、葉片數、葉片翼型厚度。

以為基變量, 取=0.35 m,=2 s, 運用matlab數據分析軟件, 計算出,, 見表1。

表1 理論計算數據

2 基于fluent流場仿真分析

2.1 控制方程

由于輪機在水中進行旋轉運動, 水會出現紊動現象, 需要考慮湍流的影響, 采用模型, 如式(8)。流場的控制方程包括連續方程和動量方程, 可以表達成如下形式:

2.2 計算域網格劃分

計算域設定為矩形, 由外部靜止域和葉輪區域旋轉域組成, 設定計算域左邊為速度入口, 右邊為壓力出口。外部靜止區域劃分為矩形網格, 內部旋轉區域加密處理, 整個技術區域網格劃分如圖2所示。

2.3 數據仿真結果分析

以為基變量,設為0.35 m,=2 s, 仿真數據結果見表2, 從數據可以看出,穩定在25.7 %左右; 在＞2 m/s工況下,會大幅降低。在運算過程中, 觀察仿真流速圖的動態變化, 可以看出在＜1.8 m/s工況下, 葉輪尾部水流的尾流場成規則的旋轉狀態, 在＞1.8 m/s工況下, 尾流場成不穩定的流動狀態, 不規則的尾流場使得葉輪的綜合受力發生變化, 葉輪轉速的增量變小, 使得降低。仿真的數據結果低于理論計算的結果。

表2 仿真數據

3 水槽實驗分析

3.1 水槽實驗設計

實驗場地選擇國家海洋局東海標準計量中心水槽, 該水槽長度為200 m、寬度為5 m、水深為5 m, 行車行駛速度范圍為0~4 m/s, 水槽可設定為0~ 0.5 m, 實驗儀器有3169鉗位功率計, 可測量三相發電機的三相電壓, 電流, 功率; 低頻示波器; 整流器; 滑動變阻器, 可充當負載。

水槽設定=0.35 m,=2 s, 行車行駛速度分別設定為0.5 , 0.8, 1.5, 1.8 , 2 m/s。將兩端電機分別接入電阻器充當負載, 電阻都設定為20W。3169鉗位功率計。將涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置懸置于行車下, 并且水平置于水面下50 cm處。浪流發電裝置在行車的牽引下在水面下運動, 能夠模擬出浪流發電裝置在海浪中的工作狀態。涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置水下安裝如圖3所示, 3169鉗位功率計記錄發電機的輸出數據, 測量數據如圖4。

3.2 水槽實驗數據分析

在不同工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置的輸出功率變化特性繪制成曲線圖, 如圖5所示。

圖中最高點代表在浪流的一個周期內的最高值, 將數據整理成表格3。

如圖5所示, 在0.5 m/s工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置即可以啟動, 葉輪能夠保持低速旋轉,呈現周期性變化。在=1.8 m/s工況下,穩定在37 W, 接近額定功率, 并呈現周期性變化。在2 m/s工況下,超過額定功率, 超過部分在電機承受范圍內。

表3 水槽實驗數據

在一個周期內,先上升后下降, 說明涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置吸收了部分波浪能作用。水流經過水輪機后, 會產生旋轉的尾流, 水流的軸線流動和旋轉的尾流相互作用會對葉輪的受力產生影響, 水輪機的轉速會產生快慢變化, 所以功率的周期變化曲線并不是平滑的, 而是呈現波動狀態。

對比理論計算, 模擬計算和水槽實驗3種不同分析數據, 繪制3種不同情況下關系曲線, 如圖6所示。分析圖6可知, 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置在1.8 m/s以下,穩定在23.7 %左右, 接近于理論值26.1 %。當1.8 m/s后, 尾流場不斷地加強, 尾流場對葉輪的受力影響不斷加大,開始明顯降低。

4 結論

本文以為基變量, 對比理論模型計算、基于fluent仿真數據, 水槽實驗數據, 分析數據可知: (1)雙向對稱葉輪和涵道的設計對于涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置的提升很明顯, 在=1.8 m/s工況下, 發電機功輸出功率穩定在41.87 W附近, 在1.8 m/s工況下,超過額定功率, 超過部分在設計承受范圍內。(2)雙向對稱葉輪的設計, 可以使得涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置從正反方向都可捕獲浪流能, 不需要復雜的換向裝置, 且雙向捕獲浪流的效果相同。(3)由呈現周期性變化分析可知, 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置可以吸收部分的波浪能。的理論計算數值和實際測試數值偏差不大, 設計要求基本能夠滿足實際工程要求。(4)在=0.5 m/s工況下, 涵道雙向泵葉輪浪流發電裝置即可啟動, 啟動流速度較低, 能夠滿足較復雜的海況。在1.8 m/s工況下,穩定在23.7 %左右。在>1.8 m/s工況下, 由于葉輪后方尾流場對葉輪的作用力加強, 使得開始下降。

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Study of a Wave-flow Generation Device with ducted bidirectional pump impeller

WANG Shi-ming1, WU Shuai-qiao1, TIAN Ka1, BAI Lian-ping2

(1. College of Engineering Science & Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. College of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

A new type of Wave-flow Generation Device with a ducted bidirectional pump impeller is constructed based on the design principle of the axial-flow pump. In this study, the working principle of the axial-flow pump is analyzed and the back-stepping approach is used to design the device. A comparison with data from theoretical calculations, a numerical simulation, and tank experiments relating to the device shows the power generation efficiency of the device in different working conditions. Results show that the device can be started at a flow rate of 0.5 m/s, its output power is close to rated power at a flow rate of 1.8 m/s, and its energy conversion rate is at its highest of up to 23.7% when the working flow rate is below 1.8 m/s. However, when the working flow rate exceeds 1.8 m/s, the energy conversion rate begins to decline because the increase in the tail flow field strongly increases the reversal force to the pump impeller.

axial-flow pump; wave-flow energy; ocean energy; fluent simulation; tank experiment

p743.2

A

1000-3096(2017)02-0029-06

10.11759/hykx20160828002

2016-08-28;

2016-10-10

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(SHME2013JS01); 上海市2014年優秀技術帶頭人計劃項目(14XD1424300); 上海教委產學研項目(15cxy29); 上海海洋大學青年基金(A1-2035-15-002124)

王世明(1964-), 男, 山西沂州人, 教授, 博士, 主要從事海洋工程的先進設計制造及智能控制, 電話: 15692165065, E-mail: smwang@shou.edu.cn; 吳帥橋(1990-), 男, 吉林通化人, 碩士研究生, 主要研究海洋工程裝備及可再生能源, 電話: 13127828909, E-mail: wushuaiqiao@sohu.com

Aug. 28, 2016

[State Oceanic Administration 2013 Marine Renewable Energy Foundation, No. SHME2013JS01; Shanghai 2014 Outstanding Technology Leader Program, No. 14XD1424300; Shanghai Education Commission Research Project, No. 15cxy29; Shanghai Ocean University Youth Foundation, No. A1-2035-15-002124]

(本文編輯: 劉珊珊)