雙向直驅式潮流能發電輪機性能實驗研究

王世明，楊志乾，田 卡，呂 超

(上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

雙向直驅式潮流能發電輪機性能實驗研究

王世明，楊志乾，田 卡，呂 超

(上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

針對潮流能雙向來流的特點及當前潮流能發電輪機的研究現狀和存在的問題，提出了一種新型的雙向直驅式發電輪機。葉片基本翼型為S型，并對其進行受力分析，得到相應的計算公式，結合葉片翼型厚度和形狀約束，求解出各個截面的形狀，并三維建模形成一種新型“S”翼型輪機。輪機兩端安裝具有防水性能的永磁發電機，外側增設雙向導流罩，構成雙向直驅式發電輪機裝置模型。在水槽實驗中，首先找出不同的模擬流速下獲取功率的最佳負載阻值，在此基礎上收集了轉速及功率數據，繪制尖速比-獲能系數關系曲線圖和流速—獲能系數關系曲線圖，可以論證尖速比的取值對獲取最佳功率的重要性，同時該翼型輪機具有良好的空載啟動性能及雙向吸收來流的能力，2 m/s流速下獲能效率最大值接近40%。

S翼型；直驅式；水槽實驗；獲能效率；尖速比

Abstract: Aiming at the characteristics of two-way flow of tidal current, the research status and the existing problems of current tidal turbine, a new bidirectional direct-drive power turbine is proposed. The basic airfoil of the blade is S-shaped. By analyzing its force, the corresponding formula is obtained, and based on the thickness and shape constraint of the blade airfoil, the shape of each section is calculated, then a new ‘S’ airfoil turbine is formed by 3D modeling. A permanent magnet generator with waterproof performance is installed at the two sides of the turbine, and a bidirectional shroud is added to the outside of the turbine to form a bidirectional direct-drive power turbine model. In the flume experiment, the optimal load resistance of the power is obtained under different simulated flow velocities. On this basis, the rotational speed and power data are collected, thus drawing the curves of tip speed ratio - power coefficient and flow velocity - power coefficient. The figure shows the importance of the numerical value of the tip speed ratio to get the best power, and the airfoil has good ability of no-load start-up and bidirectional absorption flow. The maximum efficiency of the power turbine is close to 40% at 2 m/s.

Keywords: S airfoil; direct-drive; flume experiment; power coefficient; tip speed ratio

潮流能是指海水在天體引潮力的作用下所產生的水平方向的流動能量，與流速的平方和流量成正比。潮流隨海面周期性的改變大小和方向，潮流的變化平穩且有規律。基于上述特點，要求潮流能發電輪機具有雙向吸收流體能量的功能。目前，國內外主要采用水平軸式發電輪機和垂直軸式發電輪機。

為了獲得良好的能效，水平軸式發電輪機采用變槳機構、換向機構、增設尾翼、雙轉子等來適應雙向潮流，但在變換葉片或裝置方向時，出現對流問題，造成效率受損，而雙轉子系統在潮流換向時，另一端葉輪閑置，增加成本且浪費。垂直軸式發電輪機旋轉方向與流向無關且不需換向機構，葉片延展可以是直葉型或者彎曲葉型，也可設計成變槳距角和定槳距角結構[1-2]。但其轉換效率低于水平軸式輪機，近年來獲能裝置形式已呈現出一定的趨向性，大部分采用水平軸輪機，現有的18個并網原型機中有11個水平軸[1]。因此，采用水平軸式輪機，提出一種新型的雙向直驅式發電輪機(圖1)，葉片基本翼型為S型，能夠實現雙向獲取能量，通過水槽實驗也驗證該發電輪機雙向吸收潮流的可行性，同時轉換效率也相當可觀。

圖1 雙向直驅式發電輪機示意Fig. 1 Schematic diagram of bidirectional direct-drive power turbine

1 輪機葉片設計

1.1建立實驗翼型模型

影響翼型性能最大的是中弧線(或中線)的形狀、翼型厚度和翼型厚度的分布。中弧線是翼型上弧線與下弧線之間的距離中點的連線。NACA5數字翼型系列旨在提高最大升力系數，降低最小阻力系數，獲取較高的升阻比，因此將最大彎度向前偏移，且中弧線有拐點。該翼型系列的氣動性能優于其他系列，采用NACA5數字翼型系列作為水輪機葉片的基礎，通過Fluent流體軟件分析翼型，結果如圖2所示，影響翼型流體動力性能的弧線主要在前半段，實際與認識理論相符合。基于該點事實，截取翼型前半段，復制前半段反向搭接，再平滑處理搭接處，形成新的S型葉片翼型。

如圖3所示，實驗翼型的弦長為120 mm,最大彎度為0.06，最大相對厚度為0.062，位置在1/4翼弦處。

圖2 翼型壓力云圖Fig. 2 Pressure cloud of airfoil

圖3 翼型截面Fig. 3 Airfoil section

1.2葉片水動力分析

該葉片的水動力分析與其他水平軸式水輪機葉片分析理論相似，因而可借鑒葉素—動量(BEM)理論對葉片進行分析。葉片均勻分布在輪轂上，且每個葉片運動特征相同，可以分析單個葉片來替代輪機上所有的葉片水動力性能，單個葉片的速度矢量及翼型的受力分析如圖4所示。當水流流過翼型表面，葉片翼型上下表面的產生的壓力差形成扭力，帶動輪機旋轉。輪機在轉動的過程中，水流的軸向速度需考慮輪機的干擾，同時需考慮輪機尾流旋轉的影響，因而引入軸向速度誘導因子a和周向角速度誘導因子b。假設流場均勻，每個葉片均勻受到流體的作用，葉素與葉素之間不相互干涉。

圖4 翼型受力分析示意Fig. 4 Force analysis of airfoil

入流角：

式中：I=α+β,α為攻角，β為弦長r處的扭角。

將合速度U對葉素產生的升力FL和阻力FD分解為垂直于旋轉平面的軸向力FY和平行于旋轉平面的周向力FX，在輪機設計時，應減小軸向力FY，增大周向力FX，來獲取更大扭矩。

獲能系數：

式中：n為輪機轉速，ρ為海水密度，S為輪機迎流面積。

1.3葉片建模

輪機翼型確定后，參考風力機葉片設計思路，就需要根據設計目標確定每個截面的弦長和扭角，以相對厚度為0.12～0.19和翼型形狀函數控制系數為約束條件，進行翼型的優化設計[4-5]。選擇半徑r測算步進長度為6 mm，計算結果為13個翼型形狀截面，在UG三維軟件中，多樣條曲線連接各個截面形成實驗葉片形狀。選取三段重要部分測算后的翼形截面形狀供比較如圖5所示。

圖5 葉片模型Fig. 5 Blade model

2 水槽實驗方案

實驗樣機設計時，增設雙向導流罩，其設計思路參考文獻[6]，目的是增加水輪機的工作效率。輪機葉片采用多截面法及變化扭角進行修正，使得理論獲能效率最大。輪機葉片采用對稱安裝，葉片數量選擇基于葉片密實度對效率的影響[7]。葉尖速比作為輪機動力性能的重要參數，基于參考文獻[8]選擇設計尖速比為5.5。具體設計參數如下表1所示。

表1 實驗樣機參數Tab. 1 Experimental prototype parameters

發電輪機裝置實驗是在東海標準計量中心水槽上進行，實驗水槽尺寸為200 m×6 m×5 m(長×寬×高)，行車可模擬0.1～4 m/s的往復穩定流速。實驗前，將獲能系數CP作為輪機效率的評價指標，基于式(5)，實驗需測量的參數為輪機吸收功率P、輪機轉速n、流速V。實驗方案布置及裝置安裝如圖6、圖7(a)所示。

圖6 實驗方案布置示意Fig. 6 Experimental plan layout diagram

將發電輪機裝置安裝在行車上，下沉至裝置水平線距水面約0.5 m處，輪機與防水永磁發電機直接鍵連，發電機內嵌入轉速傳感器，通過電纜線輸出三相電流和轉速信號，測試系統1、2將對稱發電機傳出的電流及信號轉化數據，供記錄。

測試系統包含示波器、3169測試儀、橋式整流器、電壓表及可控電阻儀。示波器將轉速信號輸出近似放波形圖，采樣周期為50 ms，每分鐘輸出波形個數即為轉速n；3169測試儀可測的三相發電機的功率、電壓、電流數據，通過功率的疊加即可得到輪機吸收功率P；橋式整流器將工頻交流電整流為恒壓的直流電，與可控電阻儀形成回路，電壓表所測電壓為回路路端電壓，通過測算回路功率驗證吸收功率P的可靠性。

圖7 水槽實驗圖Fig. 7 Flume experiment

3 實驗結果分析

3.1尖速比λ對獲能系數CP的影響

實驗時，通過調節兩個測試的系統中負載阻值的大小，從而可以改變發電輪機轉速，間接獲得不同的尖速比。定點測試2 m/s流速下，記錄5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω、30Ω阻值狀態單個系統的功率P及波形數n，計算出尖速比λ及獲能系數CP，結果如圖8所示。從圖中可知，在λ=5.4處，效率達到最大值39.5%，與設計值略有偏差可以接受。四葉片S型對稱輪機設計的最佳尖速比在5～6.5之間，尖速比過低，說明輪機轉速變慢，出現“小馬拉大車”的現象；尖速比過高，說明轉速變快，就出現“大馬拉小車”的現象。為了避免上述現象的發生，設計尖速比選擇在5.5處較為合理。

圖8 尖速比與獲能系數關系曲線Fig. 8 Tip speed ratio - power coefficient diagram

3.2不同流速對輪機的獲能效率的影響

選取選擇λ=5.4時對應的負載阻值25Ω實驗功率數據作為數據來源，按照前進(+)和后退(-)兩種運動方式分開，疊加同一流速下兩個發電機的功率，并帶入到式(5)，計算得到輪機的獲能效率，繪制曲線如圖9所示。從圖中可知，行車前進和后退輪機的獲能效率基本一致，旋轉方向相反，這與葉片水動力分析旋向相同，說明該輪機具備雙向接收來流的能力，切合潮流特點，滿足設計要求。隨著流速的增加，最佳尖速比也在發生變化，因此輪機獲能效率呈現先增大后減小的趨勢，在流速2 m/s時，獲能效率最大值接近40%。

圖9 能效和流速關系曲線Fig. 9 Flow velocity - power coefficient diagram

4 結 語

基于對當前潮流能發電裝置的研究現狀的分析，提出一種新型雙向直驅式發電輪機，通過對該輪機葉片翼型的構造及受力分析，水槽實驗加以驗證，得到如下結論：

1)發電機空載時，輪機開始旋轉的最低流速為0.2 m/s

2)輪機裝置的在不同的流速下，最佳尖速比也在發生變化，設計時的最佳尖速比在5～6.5之間，該方法可以給類似實驗提供理論參考。

3)水槽實驗中，S翼型輪機捕獲雙向來流能量的效果良好，翼型葉片雖略復雜，但裝置整體結構簡單、一定程度上降低了成本。

4)模擬流速2 m/s時，輪機的獲能效率接近40%。鑒于當前我國沿海可開發潮流能流速大于1 m/s，本輪機裝置獲能效率可參考范圍0.3～0.4。

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Experimental study on the performances of bidirectional direct-drive power turbine

WANG Shiming, YANG Zhiqian, TIAN Ka, LV Chao

(College of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

P743.1；TK73

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.016

1005-9865(2017)03-0119-06

2016-10-31

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項資助項目(SHME2013JS01)；上海市2014年優秀技術帶頭人計劃資項目(14XD1424300)；上海市科技成果轉化促進會助推計劃資助項目(NY1301HY)；上海教委產學研資助項目(15cxy29)

王世明(1964-)，男，山西忻州人，博士生導師，教授，主要從事海洋可再生能源以及裝備智能控制技術研究。 E-mail: smwang@ shou.edu.cn

楊志乾。E-mail：m13127950701@163.com