海上潮汐能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)輪空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

張?jiān)聘?

（1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明366000；2.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610000）

0 引言

人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)已經(jīng)有上百年的歷史，作為工業(yè)能源的煤炭、石油、天然氣等化石燃料等不可再生資源日益枯竭，世界各國都發(fā)生了不同程度的能源危機(jī)。此外，化石燃料的使用會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢渣，造成地球生態(tài)環(huán)境破壞，溫室效應(yīng)明顯。正因?yàn)槿绱耍_發(fā)風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生資源成為了當(dāng)前各國的共同研究熱點(diǎn)[1]。

海洋蘊(yùn)含豐富的風(fēng)能、潮汐能、波浪能等可再生資源，提高海上可再生資源的利用率有重要的意義。其中，潮汐是一種由于月球引力造成潮水周期性漲落現(xiàn)象，潮汐現(xiàn)象使大量海水具有了可觀的動(dòng)能和勢(shì)能，這些能量具有環(huán)保、可再生等優(yōu)勢(shì)，合理的開發(fā)潮汐能有利于緩解世界范圍內(nèi)的能源短缺，有利于地球生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

本文研究的對(duì)象是水輪機(jī)式潮汐能發(fā)電裝置，由于水輪機(jī)葉片受到海水的空化、空蝕作用，造成水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量破壞，嚴(yán)重威脅水輪機(jī)的正常工作。因此，本文設(shè)計(jì)和研發(fā)了一種水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理[2]。

1 水輪機(jī)葉片的空化效應(yīng)研究

物體在液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)受空化沖擊后，物體表面會(huì)產(chǎn)生變形和材料剝蝕，表面材料的金屬晶體結(jié)構(gòu)被扭曲，發(fā)生失效。

水輪機(jī)的空化與空蝕現(xiàn)象是造成其失效的主要形式，圖1為輪機(jī)葉片空化效應(yīng)造成的表面材料破壞。

圖1 輪機(jī)葉片空化效應(yīng)造成的表面材料破壞圖

由于輪機(jī)葉片在發(fā)電過程中與海水做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，葉片表面的壓強(qiáng)分布用壓強(qiáng)系數(shù)表示，如式（1）：

式中，C0為葉片表面的壓強(qiáng)分布系數(shù)，P為葉片表面壓強(qiáng)（Pa），V0為葉片表面與海水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（m/s），ρl為海水密度（kg/m3），p0為葉片的初始參考?jí)簭?qiáng)（Pa）。

葉片表面最小壓強(qiáng)系數(shù)如式（2）：

pmin為水輪機(jī)葉片表面的最小壓強(qiáng)，當(dāng)葉片表面的壓強(qiáng)低于這個(gè)值時(shí)，葉片就會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象。假設(shè)此時(shí)參考?jí)簭?qiáng)為定值K，則葉片的空化數(shù)δ如式（3）：

2 基于噪聲監(jiān)測(cè)的潮汐能發(fā)電裝置的水輪空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 潮汐能的特征參數(shù)

為了更好的研究潮汐能發(fā)電裝置的工作原理，設(shè)計(jì)合理的空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文首先對(duì)潮汐能的特征參數(shù)進(jìn)行了研究[3]。

首先沿x、y、z方向，建立潮汐海水的坐標(biāo)系，然后建立海水的連續(xù)性數(shù)學(xué)模型如式（4）：

式中，ρl為海水的密度（kg/m3），Sx、Sy、Sz分別為沿x、y、z方向上海水的可流動(dòng)面積大小（m2），v、u、w為潮汐海水沿三個(gè)軸的速度分量（m/s）。

潮汐中海水的勢(shì)能為：

式中，λ為海水的波峰寬度（m），Hl為海水的波浪高度（m），f為潮汐的頻率（Hz）。

潮汐的海水動(dòng)能如式（6）：

式中，v、u、w分別為單位海水沿三個(gè)坐標(biāo)軸的速度分量（m/s）。

潮汐能的能譜密度對(duì)水輪式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率有重要參考價(jià)值，能譜密度是指單位時(shí)間內(nèi)單位水體具有的能量，能譜密度越高，單位水體發(fā)出的電量越大。能譜密度計(jì)算如式（7）：

式中，p0為潮汐中海水的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)（Pa），k為能譜密度常數(shù)。

2.2 潮汐能發(fā)電裝置的水輪機(jī)模型參數(shù)設(shè)計(jì)

為了獲取最大的發(fā)電功率，在設(shè)計(jì)水輪式潮汐能發(fā)電裝置時(shí)需要綜合考慮水輪機(jī)葉片的直徑、額定功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，如下：

（1）水輪機(jī)葉片的直徑

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的直徑設(shè)計(jì)如式（8）：

式中，d為轉(zhuǎn)輪直徑（m）；P0為輪機(jī)的額定功率（W）；ηo為發(fā)電裝置的發(fā)電效率；L0為輪機(jī)尾水管的直徑（m）；Q0為海水在最高潮水位置的勢(shì)能（J）。

水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、額定效率η0如式（9）（10）：

式中，Np為水輪機(jī)功率（kW），H為水頭（m），ηf為發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化率，ηh為裝配誤差造成的能量轉(zhuǎn)化率損耗，d為輪機(jī)葉輪的直徑（m）。

2.3 基于噪聲的潮汐能發(fā)電裝置水輪空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

水輪機(jī)葉片的空化狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)是通過傳感器等技術(shù)對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行檢測(cè)，掌握水輪機(jī)葉片受空化效應(yīng)產(chǎn)生的損害程度，及早發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)水輪機(jī)葉片的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。

由于水輪機(jī)葉片發(fā)生空化和空蝕現(xiàn)象后，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲，通過檢測(cè)這些噪聲信號(hào)就可以有效的對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文基于噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)的原理設(shè)計(jì)了水輪機(jī)空化狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 基于噪聲采集的水輪機(jī)空化現(xiàn)象監(jiān)測(cè)流程

2.4 基于LabVIEW水輪機(jī)噪聲數(shù)據(jù)處理與采集

噪聲信號(hào)采集模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW軟件平臺(tái)的信號(hào)采集模塊。LabVIEW軟件平臺(tái)是美國NI公司研發(fā)的一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，對(duì)改善噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集精度，提高可靠性有重要意義。

圖3為基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)的噪聲信號(hào)采集模塊程序。

圖3 基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)的噪聲信號(hào)采集模塊程序圖

3 結(jié)論

水輪式潮汐能發(fā)電裝置可以有效地將潮汐中的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，有利于可持續(xù)發(fā)展。本文主要研究了水輪式潮汐能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)輪葉片，由于空化和空蝕效應(yīng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生材料侵蝕等現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了一種基于噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)的水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)視水輪機(jī)空化和空蝕情況。