新型躉船船底橫臥式低速平水流發電系統設計

周利蘭， 黃煒祥， 卓思雨， 馬棟梁

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

我國水能資源的開發呈現出利用方式單一、利用率低等特點，長期以來多建壩蓄水，利用水頭勢能發電，對于那些水能資源豐富但不宜修建水電站的區域，水能資源尚處在未開發利用的狀態[1]。長江眾多碼頭上的躉船被用作內河港口錨地中船舶的系泊、上下船的接駁平臺、貨物轉駁或橫水渡等，在內河航運業中充當相當重要的一環，躉船建設自然成為碼頭基礎設施建設的重要內容之一。此外，大量的躉船具有特殊性，它們遠離岸邊，不適宜接岸電，現多采用柴油機發電，既不經濟也不環保[2]；而現有的躉船發電裝置，發電效率低，縱向擺放占用空間大[3-6]。本文從空間布置、發電效率等方面入手，開發適用于躉船船底的橫臥式平水流發電系統，使得躉船能實現供電自給自足，以期代替柴油機發電。

1 發電系統的設計

發電系統的設計主要以高效利用水流、產生大推力為目標進行。圖1為系統布置于躉船船底的示例，系統主要由橫臥式導流罩、新型水輪葉片、葉片自旋轉機構組成(如圖2所示)，低速水流流入導流罩，通過導流罩的加速和穩流作用后流向葉片，推動葉片旋轉，從而產生電流。其簡要工作流程如圖3所示，系統的設計主要包括橫臥式導流罩、機翼型水輪葉片及葉片自旋轉機構等，設計過程中采用理論分析結合數值模擬的方法對具體設計方案進行論證分析。

圖1 發電系統布置于躉船位置示例 圖2 橫臥式低速平水流發電系統結構

圖3 發電系統工作流程

1.1 橫臥式導流罩

考慮到躉船作業處水流呈低速、平水流特征，以及長江水流質點速度矢量雜亂，不利于發電裝置高效發電的具體情況，發電系統通過設計橫臥式導流罩來獲得増流、整流、阻流的三重效果。橫臥式導流罩由導流槽與擋板外殼組成，如圖4所示。導流槽的截面積逐漸由大變小，水流由大截面處進入導流槽，由小截面處流出沖擊水輪葉片，由流體力學中的質量守恒定理可知此設計可增大沖擊水輪葉片的水流流速且使水流單向沖擊葉片。設置擋板外殼的目的是擋住橫向流場流向葉片的水流，從而減小水流對葉片轉動的影響，即減小阻力；水流出口處設計成90°的開口而非180°的開口，可使水流作用于水輪葉片的時間更長，并且可避免橫流的影響。

圖4 導流罩示例

1.2 機翼型水輪葉片

發電系統采用一種機翼型的新型水輪葉片，如圖5所示。水輪葉片的剖面呈機翼型，在長度方向上無曲率變化，葉根部稍有收縮且厚度較大。

在水流做正功的一側(順流側)，葉片為垂直于來流姿態，水流沖擊葉片正面，葉片的受力面積大，可利用凹面有效地兜住水流，帶動轉動轂旋轉；在水流做負功的一側(逆流側)，葉片在水流的作用下，通過自旋轉機構繞自身軸線旋轉90°，此時葉片呈平行于來流姿態，機翼型設計可減小逆流阻力。由此，水流在順流側對葉片的推動力遠大于在逆流側對葉片的阻力，可帶動水輪機旋轉進行發電。

圖5 新型水輪葉片

1.3 葉片自旋轉機構

雖然發電系統設置有擋板外殼和機翼型水輪葉片以減少水流對反側葉片背面的沖擊，但仍有較大的阻力，為提高系統的發電效率，發電系統設計了葉片自旋轉機構(見圖6)以進一步減少水流沖擊反側葉片產生的阻力。設計中采用自制的轉動轂以連接葉片和傳動軸，轉動轂上設有凸輪、葉片支承座、從動擺桿和滾子(見圖7)。凸輪底部固定，葉片支承座通過推力軸承與凸輪同軸配合；葉片通過軸承固定在支撐座上；葉片軸根部與從動擺桿固定連接；滾子為調心軸承，安裝在從動擺桿的凸臺上，并且和凸輪路徑配合。

圖6 自旋轉機構示例

圖7 自旋轉機構工程圖

2 數值計算

本文采用Fluent軟件對發電系統的設計進行數值計算，以驗證設計的合理性和有效性，同時也可為設計提供數據基礎。采用基于RANS方程的方法對計算域流場進行數值模擬[7]。葉片旋轉運動所帶來的流動在固定坐標系下是非定常的，但是在不考慮葉片梢渦、空泡等非定常條件下，其運動在其自身旋轉坐標系下是定常的，因此本文采用相關的運動參考系方法MRF(Moving Reference Frame)來解決葉片旋轉運動問題。

本文采用的計算模型尺寸如表1所示，計算分析所用的水文數據為武漢楊泗港水文數據，如表2所示。

表1 計算模型的主要尺度 m

表2 武漢楊泗港水文數據表 m/s

圖8為在Fluent軟件中模擬計算得到的本系統的整體速度矢量。從圖中可以看出，流場速度在整流罩出口處有一定程度的增大，這樣會使得等質量的水流具有更大的動能，并有利于水流沖擊葉片。另外從圖中可以發現，導流罩在正面迎流的一側水質點分布較緊密，這說明導流罩具有一定的定向整流作用。

圖8 Fluent分析整體速度矢量圖

另外，計算分析導流槽張口角度為25°，30°，35°，40°，45°和50°時導流罩內的水質點速度矢量情況，發現導流槽的增流作用隨張口增大而增強。理論計算中，取導流槽張口角度為35°；實際應用中，考慮到裝置結構強度等因素，取導流槽張口角度為45°。

另外，從水輪葉片表面水質點的速度矢量分布和壓力分布可發現水質點的速度在順流側葉片正面明顯降低，水質點的速度轉化為水壓力對葉片做功，證明了葉片凹面迎流設計的合理性；水質點在逆流側的速度損失小，即對葉片的阻力小，證明了葉片逆流時水平機翼型剖面設計的合理性。由壓力分布圖可發現在順流側的葉片正、背面存在較大壓力差，可使葉片有效帶動水輪旋轉。由分析結果可知，葉片和轉動轂的整體轉矩為371.658 N·m。

最后，通過武漢楊泗港的水文數據(見表1)以及模型試驗中得到的轉速數據，分別計算水流速度v為0.5 m/s，1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s時葉片的轉矩Q，由轉矩Q與轉速N的乘積可以得到相應發電功率，即P0=Q·N。同時，根據相應的水流速度和動能定理可以得到裝置的收到功率PD=0.5ρsv3(s為導流槽進口面積，ρ為水密度)及相應流速下的發電效率ζ，如表3所示。計算中取軸系系數ηs=0.9，發電機發電系數為ηd=0.8。

表3 不同速度下的系統發電效率估算

根據以上的計算分析可知，槳葉吃水面積為0.054 m2，當流速v=1 m/s，轉速N=10 r/min時，得到的輸出功率為44.598 W。在實際的躉船上，根據現有躉船尺度分析可將實物裝置尺度設計為試驗模型的3倍，則單臺裝置在同等的條件下的輸出功率為401.382 W，而對于1艘50 m×10 m(長×寬)的躉船來說，可以安裝4套發電系統。取武漢楊泗港年平均流速1.25 m/s來進行年發電量的計算，得到1年的等效發電量為28 332 kW·h，已經能夠基本滿足躉船的電量需求。

3 模型試驗

為驗證本發電系統的有效性，獲得該發電系統的發電效率，本研究在武漢理工大學拖曳水池進行試驗。試驗中將試驗模型通過試驗固定架裝在拖曳水池中的拖車上，通過改變拖車速度來改變水流入流速度，以水流入流速度為變量，進行葉片轉速記錄，從而計算試驗模型的發電效率，模型試驗圖如圖9所示。試驗中發現：當拖車速度達到1 m/s時，轉速為10 r/min，功率為40 W的燈泡能正常持續發光。

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圖9 模型試驗圖

4 結 論

設計一種橫臥安裝在躉船船底的新型發電系統，與常規的水平軸水流發電系統不同的是該系統為利用低速平水流發電的垂直軸發電系統。系統設計過程中采用推力大、阻力小的機翼型葉片，并設置橫臥式導流罩和利用圓柱凸輪、擺桿組成的自旋轉機構以使得系統能產生更大的轉矩，有效提高系統的發電效率。數值計算結果和試驗結果表明本系統設計的可行性和有效性，后續工作將對自旋轉機構的實現和效果進行進一步的試驗驗證。

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[6] 宋長旺.打造綠色西江黃金水道[C]//中國航海學會內河海事專業委員會海事管理學術交流會，2010:148-152.

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