用于潮流能雙向發電的導流裝置性能研究

2020-06-16 02:38:58李國富劉曉杰

水資源與水工程學報 2020年2期

陳韜，李國富，劉曉杰

(寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315211)

1 研究背景

潮流能由于其可預測性和高能量密度而得到了廣泛的關注，國內外已有多個商業規模電站和試驗項目，技術發展較為成熟[1]。作為潮流能發電設備中的一種，水平軸潮流水輪機具有運行穩定、能量轉換效率高的優點，但受到葉片翼型的影響，水平軸潮流能水輪機無法適應潮流的雙向流動。為了提高水平軸水輪機在一個潮流周期內的輸出功率，需要在葉片根部安裝電機主動控制葉片變槳，或直接調整發電設備整機的朝向[2]，這帶來了制造和維護成本的增加，同時，在反向來流時支撐設備會阻擋一部分水流，導致水輪機功率系數下降[3]，從而降低了對潮流能的有效利用率。

為提高水平軸水輪機的雙向發電效率，Liu等[4]設計了一種雙向對稱葉片，雖然該設計結構較為簡單，但是相較之下，雙向對稱葉片的單向能量轉換效率要明顯低于傳統葉片。Huang等[5]設計了一種雙轉子對稱葉片水輪機，通過增加一組轉子葉片提高了發電設備對潮流能的利用率。王世明等[6]設計了一種“S”型對稱截面葉片的導流罩水輪機，可適應潮流的雙向流動，但需要對稱安裝兩個電動機，導致制造和維護成本的成倍增加。陳健梅等[8]提出了一種雙向自適應葉片設計，葉片可在水流推動下自動變槳以適應流向的改變，但由于葉片的可動結構會導致設備運行的不穩定，影響設備壽命。沈文婷[9]對對稱雙向葉片的翼型進行了研究分析，對比分析了不同葉片翼型幾何參數對水輪機雙向性能的影響，以提高水輪機功率系數。楊志乾[10]對一種雙向浪流發電裝置的S葉輪性能進行了研究分析，詳細對比了翼型厚度和攻角等幾何因素對水輪機性能的影響。由于對稱葉片翼型設計的能量轉換效率偏低，有的研究學者提出在傳統水輪機外部加裝導流裝置的方式來適應流向的改變。Luquet等[11]提出了一種帶尾翼的自適應式導流裝置設計，可利用尾翼自動調整設備朝向，保證水流始終正對水輪機來適應潮流的雙向流動，但是由于實際海洋環境中海水的方向時刻在變化著，會導致設備在水下頻繁地調整姿態，運行不穩定，可靠性低。陳正壽等[12]提出一種新型軸流、懸浮式潮流能水輪機結構，通過上下平衡翼來保證水輪機軸線與水流方向始終保持一致，使得水輪機能夠始終工作在正向流動狀態，提高了雙向潮流的利用率，但由于采用了懸浮結構和錨索牽引的方式極大降低了設備運行的穩定性，在海中容易擺動，姿態難以穩定。

上述雙向潮流發電技術中，存在著能量轉換效率低、設備運行不穩定、安裝維護難度大問題。為此，本文在一種復合式發電裝置[13]基礎上對其改進，設計了一種用于潮流能發電的雙向導流裝置。由于導流裝置的形狀、曲率半徑等幾何參數會直接影響到導流裝置及水輪機的發電性能[14]，為研究雙向導流裝置的性能，采用CFD軟件對裝置內部的水流流動、裝置中心位置的流速分布等進行仿真分析，探究不同圓角半徑對流速比、阻力系數等性能參數的影響，并計算安裝整流式導流裝置后對雙向水流發電功率的影響。最后，采用目前水輪機性能模擬試驗中較為常用的水下拖拽試驗方法[15]，驗證所提出的雙向導流裝置對提高發電裝置輸出功率的實際效果。

2 雙向導流裝置的結構及其工作原理

2.1 雙向導流裝置的基本結構

雙向導流裝置的結構簡圖如圖 1所示，為便于閥門的開啟和關閉，采用了矩形截面設計。所示的雙向導流裝置由導流管道以及出入口的增速導流裝置組成，內部在上下位置各安裝有一個能在水流的推動下自動開啟和關閉的單向閥門，用于控制流入導流裝置內部水流的流動方向。

圖1 潮流能發電雙向導流裝置結構簡圖

2.2 雙向導流裝置的工作原理

圖2為雙向導流裝置的工作原理示意圖。雙向導流裝置共有A、B兩個入口以及C、D兩個出口。當水流正向流動時，即水流從A口流入，上閥門在水流的推動下向B口擺動，將導流管道的右上方B口封閉。而當水流流經下閥門時，下閥門在外部水流和內部水流的雙重作用下向C口擺動，將導流管道左下方C口封閉。因此，水流由A口流入，自上而下流經管道中心E，隨后從D口流出。而當海水反向流動時，即從B口流入時，閥門的運動情況與上述過程相反，水流從B口流入，自上而下流經管道中心E，隨后從C口流出。無論外部水流從哪個入口流入，在單向閥門的控制下，管道中部E的水流流動方向始終是自上而下的，將發電設備安裝在此位置就能夠保證其始終處于“正向”的工作狀態，避免了由潮流反向帶來的負面影響。

圖2 雙向導流裝置的工作原理示意圖

3 雙向導流裝置性能數值分析

3.1 數學模型

在1個潮流周期內，發電設備的雙向平均發電功率計算方法為：

(1)

受到葉片翼型的影響，葉片的正向功率系數Cp0遠大于其反向功率系數Cp1，使得平均功率系數約下降一半：

(2)

因此，在不加以措施的情況下，發電設備難以有效地利用潮流能。而在外部加裝導流裝置后，由于導流裝置的聚能提速效果，能夠提高發電設備的輸出功率，含導流裝置的發電設備輸出功率可根據文獻[16]進行計算：

P=0.5ρA(av)3Cp0

(3)

式中：a為導流裝置增速比。

由公式(3)可以看出，若安裝雙向導流裝置，在保證葉片的功率系數幾乎不變的前提下，導流裝置提高潮流流速a倍，則總的輸出功率可提高a3倍。安裝雙向導流裝置后，在理想情況下，一個潮流周期內的輸出功率相較傳統單向水輪機更能提高2a3倍。

由于雙向導流裝置內部存在著拐角，流動情況與一般的直導流裝置不同，考慮到內部轉角帶來的能量損耗，其增速比可視為出入口導流罩的增速比與內部轉角損耗之間的組合，即：

a=(1-k)ad

(4)

式中：k為拐角阻力系數；ad為外部導流罩增速比。

因此，考慮潮流的雙向流動，在一個潮流周期內，裝有雙向導流裝置的發電設備平均輸出功率為：

P=0.5ρA[(1-k)ad)v]3Cp0

(5)

在外部導流罩幾何參數確定的情況下，雙向導流裝置的性能受到內部幾何結構的直接影響。因此，對不同幾何參數下雙向導流裝置的內部流場進行分析對提高雙向導流裝置的性能是十分必要的。

3.2 流場分析

利用CFD軟件，采用Realizablek-ε兩方程模型對雙向導流裝置進行穩態仿真，該模型是標準k-e模型的變形，k-ε具有計算精度高、收斂性好的優點，因此常用于水輪機、風力機等旋轉機械的性能分析研究中[17]。為便于三維建模和仿真分析，且考慮到裝置的對稱結構，對雙向導流裝置的閥門進行了簡化，簡化后的雙向導流裝置截面如圖 3所示，建模所使用的雙向導流裝置主要幾何參數如表1所示。

圖3 雙向導流裝置幾何尺寸示意圖

表1 雙向導流裝置模型建立的主要幾何參數

由于在雙向導流裝置內部，水流經歷了兩次流動的轉向，而轉角處的局部阻力引發的能量損失會導致流速降低，同時，由于裝置采用了雙向對稱設計，因此轉角圓半徑會直接影響到導流裝置的雙向性能。圖 4為3種不同轉角圓半徑下的流速分布云圖，由圖4可以看到，當圓角半徑R=0.6l時，由于圓角半徑較小，在水流慣性的影響下水流無法立即改變流向，而是繼續保持向前流動，在撞擊到管壁后才發生流向改變，因此在管道內部和擴張出口上均出現了大片的低速區域，由此導致水流在管道內部的流速分布不均勻，并且水流直接撞擊管壁會加大水流能量的損耗。當圓角半徑R=1.0l時，管道內部的低速區域幾乎消失，僅在出口位置還有一定范圍的低速區域，并且由于流動性增加，內部流速得到了提升。在圓角半徑R=1.4l時，圓角半徑的增大使得水流在管道內的流動更為順暢，管道內部和擴張出口處的低速區域已經完全消失，中心流速得到了進一步提高，在兩個轉角處的流速提升明顯，高速區域也顯著增加。對比不同圓角半徑下的流速云圖可以發現，隨著圓角半徑的增加，水流的轉向得到了緩和，改善了水流的流動性，使得內部水流的流速增加，說明增大圓角半徑有利用降低導流裝置內的流動阻力和能量損耗，提高雙向導流裝置的性能。

由圖 4還可以看出，由于受到雙向導流裝置結構的影響，水流在管道內部發生了流動轉向。因此在轉角處呈現內側流速大，外側流速小的分布趨勢，而葉片安裝位置恰好處于兩個轉角的連接位置，從而導致了葉片安裝處的中心截面流速分布不均勻，可能會對葉片的性能造成一定的影響。

圖 5展示了3種不同圓角半徑下的中心截面流速分布云圖，從圖5中可以看到，在圓角半徑R=0.6l時，由于轉角半徑過小，水流進入導流裝置后并沒有沿著管壁流動，因此左側的流速較低，導致中心截面左右的流速分布差異大，流速小于0.26 m/s的低速區域在整個截面上面積將近1/5，同時右側的流速也要低于外部環境流速1 m/s，說明此時的圓角半徑過小，導致能量損耗過大，從而降低了整個導流裝置內部的水流流速。在圓角半徑R=1.0l時，圓角半徑的增大改善了水流的流動性，左側低速區域減少，但右側最大流速仍然較小。而在圓角半徑R=1.4l時，不僅左側低速區域明顯減小，同時右側區域的流速也相對更高，整個截面上高速區域占據絕大部分局域，流速均勻性更好。

圖4 雙向導流裝置在不同轉角圓半徑下的水平截面流速分布云圖

圖5 雙向導流裝置在不同轉角圓半徑下的中心截面流速分布云圖

3.3 圓角半徑對流速比及阻力系數的影響

圖 6展示了3種圓角半徑下，中心截面平均流速vp與潮流流速v的流速比隨潮流流速的變化曲線。從圖6中可以看到，在潮流流速從0.5 m/s增加到2 m/s，流速比vp/v總體呈現平穩的趨勢，受到潮流流速影響較小，隨潮流流速的增加，流速比略有上升。說明雙向導流裝置能夠在多種潮流流速下保持穩定的增速比，在不同的環境下均能保證雙向導流裝置的性能表現。同時，對比不同圓角半徑下的最大流速比也可以看到，圓角半徑的增加直接提高了流速比，進一步地說明了圓角半徑對導流裝置性能的影響十分重要，通過增大圓角半徑能夠使得流速比增加，提高了雙向導流裝置的性能。

圖6 不同轉角圓半徑下流速比vp/v隨潮流流速v的變化曲線

阻力系數k是雙向導流裝置重要的性能指標之一，通過計算阻力系數k可以用來衡量流體在內部流動轉向帶來的流速損耗。

圖7展示了圓角半徑對內部阻力系數影響，從圖7中可以看到，隨著圓角半徑的增加，阻力系數最初下降速度較為緩慢，當圓角半徑R>0.9l后阻力系數迅速減少，雖然增加圓角半徑能夠提高雙向導流裝置的性能，但并不能無限制地提高流速比和降低能量損耗，當R>1.4l后，阻力系數k已經趨于平穩，此后繼續增大圓角半徑已經不能使得阻力系數降低。這一結果表明，一方面，增加圓角半徑大小，能夠降低轉角處的局部損耗，提高水流的流動性，使得流速增加；另一方面，當圓角半徑增加到一定程度時，圓角擴大放緩，局部損耗下降緩慢，而管道長度的增加也導致流動的沿程損耗，從而使得管道內部的阻力保持穩定。

圖7 轉角圓半徑與阻力系數間的關系曲線

3.4 雙向導流裝置對發電效率的影響

圖8為以裸葉片最大輸出功率P0為基準時，不同轉角圓半徑下的雙向導流裝置相對輸出功率Pd/P0的曲線圖。

圖8 不同轉角圓半徑下雙向導流裝置相對輸出功率與葉尖速比的關系曲線

從圖8中可以看到，4種情況下的輸出功率曲線變化趨勢較為一致，隨著葉尖速比的增加，功率系數先上升后下降，在葉尖速比為2.5～3.5時達到最大輸出功率。由于圓角半徑較小時的中心截面平均流速小，且流速分布不均勻，因此水輪機的發電性能下降，輸出功率降低。而在拐角半徑R=1.0l、葉尖速比小于3時，最大輸出功率與裸葉片相差無幾，說明此時雖然導流裝置內部流動存在一定的能量損耗，但是外部安裝的增速導流罩能夠增加進入導流裝置的水流流速，可以彌補水流轉向帶來的能量損耗，使得此時的輸出功率與裸葉片時的功率曲線較為吻合。在雙向導流裝置圓角半徑達到R=1.4l，葉尖速比為2.5時輸出功率達到最大，計算可知，使用雙向導流裝置后設備最大輸出功率提高了22%。

圖9對比了分別采用雙向對稱葉片、裸葉片及雙向導流裝置時的發電設備輸出功率，為直觀地對比三者之間的性能差異，對數值進行了歸一化處理。從圖 9可以看出，視裸葉片的平均發電功率P=1時，文獻[4]中采用雙向對稱葉片設計，平均功率提高了52%；而使用雙向導流裝置時，平均功率能夠提高154%。

圖9 不同導流裝置的發電設備雙向平均輸出功率對比

一方面，雙向導流裝置能夠將雙向潮流流動轉換為水輪機葉片處的單向流動，保證了水輪機正反向功率系數的一致，大大提高了發電設備的平均功率系數；另一方面，雙向導流裝置具有對稱結構，因此也能保證在雙向潮流中導流裝置的性能不變，進一步提高了發電設備的雙向平均發電功率。

4 雙向發電試驗

4.1 試驗目的及原理

從仿真結果可知，使用雙向導流裝置后能夠提高發電設備在一個潮流周期內的平均發電效率和總發電量。為了進一步驗證所提出的雙向導流裝置對提高發電裝置輸出功率的實際效果，根據運動的相對原理，設計了水箱拖拽試驗測試雙向導流裝置對發電設備輸出功率的影響，試驗原理如圖10所示。

試驗用水箱兩側裝有車軌，其上有滑車，發電裝置吊裝在滑車下方。試驗時，啟動卷線電機，卷線電機旋轉收緊牽引繩，此時，滑車沿著水箱兩側的軌道行進，帶動水下的發電設備與水產生相對運動，可實現對潮流運動的模擬。通過調整電機拖拽速度，測試發電設備在不同外部環境流速下，加裝雙向導流裝置對負載上獲得的平均電功率的影響。

圖10 驗證雙向導流裝置的水箱拖拽試驗方案原理圖

4.2 試驗數據的采集

為了能夠更好地反映發電性能，需要保證電壓信號的平穩，因此選取整個水下運動過程中電壓數據最為穩定的一段進行處理和分析，試驗數據的采集過程如圖11所示。

圖11 水箱拖拽試驗數據采集步驟

水下發電試驗的電路原理如圖 12所示，發電機的電壓輸出到一個與電機內阻相當的電阻上，作為發電機的負載。葉片在水流的推動下旋轉并驅動發電機對負載輸出電壓，通過調整電機轉速，能夠獲得不同的拖拽速度，最終由示波器采集不同拖拽速度下負載兩端的電壓信號，用于后續的處理和分析。

圖12 水下發電試驗的電路原理圖

4.3 試驗結果及分析

根據示波器所采集到的電壓數據，計算在不同流速下的負載電壓，電壓的變化情況如圖 13所示，為便于對比和直觀展示，對所有數據以進行了歸一化處理。

由圖13可以看出，隨著平均流速的提高，電壓值逐漸上升，且三者的變化趨勢較為一致；受到葉片翼型、支撐設備等的影響，水輪機的反向性能下降十分顯著，使得裸葉片的反向發電電壓明顯低于裸葉片正向及雙向導流裝置，并且加裝雙向導流裝置后由于雙向導流裝置阻力較小，同時外部安裝有增速導流罩，提高了進入導流裝置內部的水流流速，因此雙向導流裝置的負載電壓也明顯高于裸葉片。