浮筒式波浪能發(fā)電裝置中軸流式水輪機能量特性研究

張步恩，鄭 源，張玉全，何中偉，高成昊

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

浮筒式波浪能發(fā)電裝置中軸流式水輪機能量特性研究

張步恩，鄭 源，張玉全，何中偉，高成昊

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

當(dāng)今世界，全球資源嚴(yán)重匱乏，環(huán)境日益惡化，波浪能作為一種清潔、可再生海洋能源，有利于貫徹我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。文中針對南海某海域，根據(jù)國家海洋局提供的波浪周期和波高數(shù)據(jù)，通過計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬，研究不同時期波浪周期和波高的變化對軸流式水輪機效率的影響。計算結(jié)果表明，因波浪參數(shù)變化，浮筒式波浪能發(fā)電裝置水頭變化范圍為11～17 m，優(yōu)選設(shè)計水頭為13 m。通過改變水輪機葉片安裝角度，優(yōu)化水輪機效率，并對水輪機轉(zhuǎn)輪及出水流道流動特性進行研究。最終得出：在優(yōu)選設(shè)計水頭為13 m時，水輪機在葉片相對安放角為-4°，最高效率達85.67%，水輪機轉(zhuǎn)輪及出水流道流態(tài)平直，水輪機工作性能穩(wěn)定，滿足浮筒式波能發(fā)電裝置工作要求。文中研究工作，為優(yōu)化浮筒式波能發(fā)電平臺及提高平臺投資回報率奠定理論基礎(chǔ)。

浮筒式波浪能發(fā)電；計算流體力學(xué)；軸流式水輪機；能量特性

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，以煤炭、天然氣、石油等為原料的傳統(tǒng)電力開發(fā)造成了大量的環(huán)境污染污染，危害民眾，同時石油等非再生能源日趨枯竭，形勢嚴(yán)峻。為實現(xiàn)我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，解決能源問題是必經(jīng)之路。面臨能源的巨大挑戰(zhàn)，急需開發(fā)環(huán)境友好型的可再生新能源。

海洋面積占地球總面積的71%，不僅擁有豐富的水產(chǎn)、石油等資源，更蘊藏著巨大的，潛在的新能源，主要為潮汐能、海流能、波浪能、海水溫差能和海水鹽差能[1]。根據(jù)國際組織IEA-OES能源政策報告估計，全球理論上可利用的海洋能源總量如表1所示[2]，其中波浪能的實際可利用總量約為3×108kW，因此具有廣闊的商用前景。

表1 典型海洋能的資源儲量（單位：kW）

目前，根據(jù)波浪能發(fā)電裝置不同結(jié)構(gòu)形式分類，可以分為有振蕩水柱式、越浪式、閥式等[3]。石晶鑫，李得堂等[4]對振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置進行設(shè)計并做了相關(guān)實驗進行研究，該裝置是波浪能轉(zhuǎn)換為浮筒機械能，再轉(zhuǎn)換為液壓能，最后通過液壓馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)換為電能，通過三級能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率偏低。本文浮筒式波能發(fā)電裝置是新型波浪能發(fā)電裝置，利用波浪能提水，通過水輪機組完成發(fā)電，通過二級能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率高。

劉敏、周大慶等[5]對超低水頭軸流式水輪機進行優(yōu)化，設(shè)計水頭為2.75 m，并對最優(yōu)模型進行實測驗證，結(jié)果表明超低水頭軸流式水輪機最高效率達83.7%，且工作效率穩(wěn)定。奇成光[6]介紹了軸流式水輪機對的一些典型結(jié)構(gòu)，并通過分析表明軸流式水輪機組是一種效率高，適合較低水頭下應(yīng)用的機組。劉婭君[7]對曲面葉片式水輪機和軸流漿葉式水輪機進行物理模型試驗及數(shù)值模擬仿真研究，結(jié)果表明，上述兩種水輪機均可用于水頭發(fā)電，軸流漿葉式水輪機工作性能整體優(yōu)于曲面葉片式。本文浮筒式波能發(fā)電裝置工作水頭范圍在11～17 m，軸流式水輪機的應(yīng)用水頭約3～80 m，過流能力比混流式強，能在較寬的工況范圍內(nèi)穩(wěn)定、高效運行。而貫流式水輪機處于水下時，要求結(jié)構(gòu)封閉，通風(fēng)良好，維護、檢修較為困難[8]。因此，本論文對軸流式水輪機應(yīng)用于浮筒式波浪能發(fā)電裝置中進行研究。

1 初始設(shè)計

1.1 平臺簡介

本文浮筒式波能發(fā)電裝置是新型波浪能發(fā)電裝置，如圖1所示，平臺由提水部分和發(fā)電部分組成。提水部分是包括浮具中心樁腿，浮具，活塞，連桿，空氣壓縮控制系統(tǒng)等。波浪引起浮具的上下運動，當(dāng)浮具向上運動時，活塞同向運動，單向閥8右開左閉，海水進入液壓缸體內(nèi)；當(dāng)浮具向下運動時，活塞隨之向下運動，單向閥右閉左開，海水進入平臺壓力儲水罐內(nèi)。通過空氣壓縮機控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使儲水罐中壓力增大，迫使儲水罐中的水位不變，通過隨波浪運動的浮具充進儲水罐中的水，只能通過輸水鴨嘴向上傳輸，形成水頭，通過發(fā)電部分轉(zhuǎn)化為電能。其中，空氣壓縮控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)儲水罐的液面高度以保持一定水頭[9]。此時，完成第一次能量轉(zhuǎn)換。發(fā)電部分是在儲水槽保持一定水頭時，水流由儲水罐流過水輪機發(fā)電機組，完成發(fā)電，如圖2，進而完成第二次能量轉(zhuǎn)換。

圖1 示意圖

1.2 波浪參數(shù)

由于各個海域的波浪參數(shù)變化較大，不可能用同一尺寸的浮具適應(yīng)各個海域的波浪參數(shù)。本文以我國南海某海域參數(shù)為例，如表2所示，研究分析不同時期波浪周期和波高的變化，對軸流式水輪機水動力性能及產(chǎn)電量的影響。

表2 南海某海域的全年平均波浪周期和平均波高

由波浪參數(shù)和相應(yīng)平臺參數(shù)，根據(jù)勢能公式(1):

式中：m為浮筒裝滿水的質(zhì)量，kg；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琋/kg；h為波高，m。

當(dāng)利用高處蓄水池中的水勢能發(fā)電時，則水輪機工作時，由式(2)可知，水輪機水頭為：

式中：Z1為上蓄水池中水位高度，m；Z2為水輪機出口高度，m。

忽略引水建筑物中的水力損失，水勢能全部轉(zhuǎn)化為水輪機的水流出力，可得式（3）：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琋/kg；Q為流量，m3/s；t為時間，s；H為水頭，m。

浮筒式波浪能發(fā)電平臺能穩(wěn)定保證水頭不變，因此根據(jù)每個月的波浪參數(shù)，依據(jù)設(shè)計的平臺尺寸，由公式(1)～(2)可得水頭的變化，如表3所示。

表3 不同月份水頭變化表

浮筒式波浪能發(fā)電裝置通常能夠提供的水頭范圍為11～17 m，平均流量在1～4 m3/s，額定出力為300 kW。

1.3 水輪機參數(shù)

本文中軸流式水輪機的初步設(shè)計是按比轉(zhuǎn)速和統(tǒng)計資料估算水輪機的基本參數(shù)。現(xiàn)行我國軸流式水輪機的比轉(zhuǎn)速與實用水頭關(guān)系[10]如式(4)所示。

式中：ns為比轉(zhuǎn)速，m·kW；H為實用水頭，m。

當(dāng)水頭為13m時，可得水輪機比轉(zhuǎn)速為648m·kW。

水輪機轉(zhuǎn)速是CFD仿真計算的重要參數(shù)，依據(jù)式(5)，可得水輪機轉(zhuǎn)速，水輪機轉(zhuǎn)速的估算為：

式中：Hr為水輪機的設(shè)計水頭，m；Pr為水輪機的額定出力，kW；ns為比轉(zhuǎn)速，m·kW。

水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1的估算，依據(jù)式(6)可得：

式中：Q11為水輪機的設(shè)計單位流量，m3/s；Hr為水輪機的設(shè)計水頭，m；Pr為水輪機的額定出力，kW；ηT為水輪機效率，參考同類型水輪機選取。

綜上所述，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑估算為1 200 mm，水輪機轉(zhuǎn)速估算為1 000 r/min，依據(jù)優(yōu)選水頭計算結(jié)果，設(shè)計水頭選為13 m。

2 數(shù)值模擬

本文應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件ANSYS Fluent對不同情況下流動情況進行數(shù)值模擬，計算域包括進口流道、導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪區(qū)和出水流道。計算網(wǎng)格采用適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)共約20～50萬。為提高計算精度，對轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉區(qū)進行了網(wǎng)格加密。

計算基于不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程，湍流計算采用RNG模型。采用貼體坐標(biāo)下的有限體積法和非交錯網(wǎng)格對上述方程進行空間離散，時間離散采用二階完全隱式格式。壓力項采用二階中心差分格式，其他項采用二階迎風(fēng)差分格式。SIMPLEC算法，實現(xiàn)壓力和速度變量的分離求解。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，設(shè)置進口邊界條件為壓力進口，出口邊界條件為自由流，在進水流道和導(dǎo)葉，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪和尾水管間設(shè)置交界面，計算中先進行三維定常湍流計算，并將得到的定常流場結(jié)果作為非定常湍流計算的初始流場。定常湍流計算采用多參考系模型，而非定常湍流計算采用滑移網(wǎng)格模型。

3 結(jié)果與分析

分別選擇11 m和13 m水頭為最優(yōu)工況仿真計算，得出在不同月份，不同水頭情況，水輪機在額定轉(zhuǎn)速時，流量和效率的變化，如表4～表5所示。

表4 11 m水頭計算仿真結(jié)果

表5 13 m水頭計算仿真結(jié)果

根據(jù)表4和表5，可以得到在n，D一定情況下，水頭H和效率η的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 效率-水頭關(guān)系圖

由圖3可知，在選擇11 m水頭為最優(yōu)工況時，隨著水頭的增大，流量增大，但是在偏離設(shè)計工況時，效率下降明顯。低水頭時，效率降低的趨勢較強，高水頭時，下降趨勢減緩。在選擇13 m水頭為最優(yōu)工況時，隨著水頭的增大，流量增大。低水頭時，效率先升高后降低，高水頭時，效率下降趨勢明顯。相比選擇11 m水頭為設(shè)計水頭時，高效率區(qū)范圍變寬，效率浮動變小。但在高水頭時，效率降低明顯，未達到發(fā)電裝置平臺最大化收益的要求。

4 優(yōu)化及流動特性分析

由上述結(jié)果與分析可知，優(yōu)選13 m為設(shè)計水頭時，高效率區(qū)相比選擇11 m水頭為設(shè)計水頭是變寬，但仍未達到發(fā)電裝置平臺工作要求。因此，在優(yōu)選13 m為設(shè)計水頭時，對水輪機進行優(yōu)化。4.1不同葉片角度計算結(jié)果分析

如圖3所示，本文對水輪機不同葉片安裝角度，即+4°，0°，-4°，進行優(yōu)化分析。

圖3 不同葉片角度對比圖

優(yōu)化結(jié)果如表6所示：

表6 優(yōu)化仿真結(jié)果

由表6可以得出，對應(yīng)葉片角度分別為-4°，+4°時，效率變化曲線如圖4所示。

圖4 效率—水頭變化曲線圖

由上可知，在相同轉(zhuǎn)速情況下，葉片角度的變化引起水輪機不同的變化情況。在以13 m為最優(yōu)設(shè)計工況時，效率隨水頭的增大先升高再降低，效率最高點出現(xiàn)在葉片角度為-4°時，水輪機最高效率可達85.67%。但在偏離設(shè)計工況時，葉片角度為+4°時，水輪機效率上下浮動范圍相比-4°的更小。由于在葉片角度為-4°時，17 m水頭全年只出現(xiàn)在10月份、11月份、1月份3個月，其余9個月水輪機都工作在高效率區(qū)，相比葉片角度在0°和+4°時，效率更高，因此，確定葉片安放角度為-4°。

4.2 流動特性分析

轉(zhuǎn)輪是將水動能轉(zhuǎn)化為機械能的部件，是水力發(fā)電機組中重要組成部分，因此對轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的流動特性的研究至關(guān)重要[11]。在優(yōu)選13 m水頭為設(shè)計最優(yōu)工況，本文對水輪機轉(zhuǎn)輪在水頭分別為11 m，13 m，17 m時，對其流動特性進行分析，如圖5所示。

圖5 各工況流動特性圖

由圖5可知，對各水頭工況進行橫向分析時，當(dāng)配置葉片角度+4°時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速偏低，出口流道呈現(xiàn)徑向渦旋；當(dāng)配置葉片角度0°時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速增大，且出口流道的徑向渦旋得到明顯改善；當(dāng)配置葉片角度-4°時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速增大，出水流道流線順直，只有在偏離最優(yōu)工況，即水頭為17 m時，出口流道流線產(chǎn)生渦旋。對水輪機各葉片角度進行縱向分析時，可以看出，在最優(yōu)工況13 m時，其流線相對于其他工況流線均有明顯改善，且在葉片安裝角度為-4°時，流線最為順直。水輪機在水頭為13 m，葉片安裝角度為-4°時，達到最高效率85.67%。

5 結(jié)論

針對應(yīng)用于浮筒式波浪能發(fā)電裝置的軸流式水輪機，根據(jù)國家海洋局提供的波浪周期和波高數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬各工況，并在優(yōu)選設(shè)計水頭之后，對水輪機效率進行優(yōu)化分析研究，可以得出：

（1）針對11 m水頭為設(shè)計最優(yōu)工況時，隨著水頭增大，效率下降明顯。高效率區(qū)，即效率高于70%的區(qū)域，出現(xiàn)在水頭為11～13 m工況下，全年6個月。針對13 m水頭為設(shè)計最優(yōu)工況時，隨著水頭增大，效率先升高，后下降，高效率區(qū)出現(xiàn)在水頭為11～15 m工況下，全年有9個月，綜合比較，選擇13 m為設(shè)計水頭。

（2）優(yōu)選13 m為設(shè)計水頭，通過調(diào)節(jié)水輪機葉片安裝角度，對水輪機效率進行優(yōu)化，并繪制了效率—水頭變化曲線。經(jīng)綜合分析，在葉片角度為-4°時，裝置水力損失最小，最高效率達85.67%，水輪機轉(zhuǎn)輪及出水流道流態(tài)平直，水輪機工作性能穩(wěn)定，滿足浮筒式波能發(fā)電裝置工作要求。

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Study on the Energy Characteristics of Axial Flow Turbine Applied in a Float Type Wave Energy Converter

ZHANG Bu-en,ZHENG Yuan,ZHANG Yu-quan,HE Zhong-wei,GAO Cheng-hao
College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China

At present,wave energy,as a clean and renewable marine energy,is conducive to the implementation of China's sustainable development strategy,when there is a serious shortage of world resources and a worsening global environment.In this paper,an attempt is made to review the hydrodynamic performances of the axial flow turbine as well as the power generation device through numerical simulation of computational fluid dynamics (CFD),according to the variation of the cycle of wave and height in different periods that is provided by the State Oceanic Administration(SOA)of China.The results of calculation prove that the head of a float type wave energy converter has a change range of 11-17 m due to changing wave parameters,and the design head is preferably 13 m.By changing the angle of the turbine blade,optimizing turbine efficiency,this paper studies the flow characteristics of the turbine runner and the outlet channel.Finally,Results from optimization are the highest efficiency up to 85.67%when the design head is 13 m,with the angle of the turbine blade being-4°.The flow of the turbine runner and the outlet channel is straight,and the performance of the turbine is stable.Through the analysis of the results of numerical simulation,this paper can lay the theoretical foundation for optimizing the platform of floating wave energy generation and improving the investment return rate of the platform.

floating wave energy generation;computational fluid dynamics (CFD);axial flow turbine;energy characteristics

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0014-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.003

2017-04-10

張步恩（1991-），男，博士研究生，主要研究方向為流體機械及工程與海洋能發(fā)電。E-mail：hbsdzbe@163.com