不同密實度垂直軸潮流能水輪機的相位干擾

王　凱，孫　科，張　亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

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不同密實度垂直軸潮流能水輪機的相位干擾

王凱，孫科，張亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

摘要:為研究不同密實度雙機組垂直軸潮流能水輪機在不同初始相位角下的水動力性能，采用CFD數(shù)值模擬方法得到各個水輪機組的效率曲線變化規(guī)律，并通過分析不同密實度水輪機在不同初始相位角下的壓力云圖和渦量圖，解釋變化機理.研究結(jié)果表明：相位角對不同密實度雙機組水輪機的效率影響規(guī)律相似，隨著相位角的增大，1號機組中高速比效率逐漸減小，而2號機組效率隨著相位角增加而增大；當(dāng)不同密實度水輪機處于中間相位角時，兩個機組的效率基本一致，有利于電能輸送，且此時機組受到的壓力最小.所以不同密實度潮流能雙機組水輪機應(yīng)選取中間相位角為最優(yōu)相位角.

關(guān)鍵詞:垂直軸潮流能水輪機；雙機組；密實度；CFD;初始相位角;水動力性能

自從第3次科技革命以來，能源成為各個國家的經(jīng)濟命脈.我國是一個能源生產(chǎn)大國和消費大國，擁有豐富的化石能源資源[1].在經(jīng)濟高速增長的條件下，我國能源的消耗速度比其他國家更快，能源枯竭的威脅可能來得更早、更嚴重[2].可再生能源的開發(fā)利用更加迫在眉睫，潮流能作為海洋可再生能源的一種，以其可持續(xù)、密度大、可預(yù)測的優(yōu)勢受到人們的青睞[3-4].

垂直軸潮流能水輪機由于旋轉(zhuǎn)方向不受來流影響、葉片結(jié)構(gòu)簡單容易加工、工作速比低不易產(chǎn)生空化的優(yōu)點備受關(guān)注.本文采用的垂直軸水輪機屬于升力型，驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力主要來自葉片的升力.在葉片旋轉(zhuǎn)一周的過程中，葉片實際來流速度為遠方水流速度與旋轉(zhuǎn)速度兩者的疊加，葉片的升阻力會隨著葉片位置角變化而變化，升力沿軌跡圓切線的分量是驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動的主要動力來源.和渦方法、流管法相比，CFD方法能夠獲得更多的流場瞬時信息，且隨著計算機的高速發(fā)展計算精度更加精確，所以CFD方法在垂直軸水輪機的應(yīng)用非常廣泛[5-8].迄今為止研究人員對單個垂直軸水輪機的研究已經(jīng)取得了諸多成果，但隨著能源需求加大，潮流能水輪機必將進入到雙機組乃至多機組共同工作發(fā)電的時代.雙機組垂直軸潮流能水輪機的研究還處于起步階段，文獻[9-10]利用渦方法和實驗方法研究水輪機旋轉(zhuǎn)方向、水輪機間距和來流攻角對水輪機效率的影響，得出這3個因素變化時會對輸出功率和轉(zhuǎn)矩振動方面存在有利和有害干擾.文獻[11]對四葉片對轉(zhuǎn)雙機組垂直軸水輪機進行水動力性能研究，當(dāng)2個直徑為4m、水輪機間距為0.5m時效率最大.文獻[12-13]分別對垂直軸水輪機機群進行了模擬，繪制了不同排布形式的水輪機群效率與葉尖速比的曲線，為多機組的水輪機排布提出了意見.

文獻[9]提出初始相位角的不同對水輪機的水動力性能會產(chǎn)生影響，但它們并沒有對其進行研究分析.本文針對該問題利用CFX軟件進行垂直軸潮流能水輪機的初始相位角研究，通過改變水輪機的葉片數(shù)來改變密實度，對比不同相位角對兩個機組的效率-速比曲線的影響，并對不同相位角的壓力云圖進行分析比較.

1理論基礎(chǔ)

垂直軸水輪機來流速度為v，水輪機直徑為D，半徑為R,葉片數(shù)為Z，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，垂直軸水輪機轉(zhuǎn)動過程中某一時刻單個葉片的運動如圖1所示(以三葉片為例)，θ為葉片位置角，本文中的水輪機屬于固定偏角式水輪機[14].

為了方便分析，定義量綱一的參數(shù)如下:

Ct=Ft/(0.5ρv2Cb),

Cn=Fn/(0.5ρv2Cb),

式中：Ft為葉片切向力，N；Fn為葉片法向力，N； C為弦長，m；b為展長，m； M為水輪機轉(zhuǎn)矩，Nm； ω為水輪機旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

圖1　葉片的運動分析

2CFX數(shù)值模擬

2.1方法驗證

為了驗證本文所選用的CFX軟件在模擬垂直軸潮流能水輪機水動力性能的可靠性，選取經(jīng)典單個垂直軸水輪機實驗?zāi)Ｐ瓦M行對比.1979年，美國德克薩斯科技大學(xué)的Strickland教授為了方便測量和記錄，將垂直軸風(fēng)機葉片在水池中進行實驗.選取其中一種兩葉片垂直軸模型進行對比，模型直徑D為1.22m，葉片翼型NACA0012，密實度為0.048，速比為7.5.對選取的水輪機模型進行網(wǎng)格劃分，方法參照李志川[14]在垂直軸水輪機的數(shù)值模擬研究中給出入口邊界條件為速度入口，出口為壓力出口，計算場域邊界為自由滑移邊界，葉片表面選用無滑移邊界條件，湍流模型選取SST模型，計算時間步長為旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)3°時所需的時間，計算15個周期使計算結(jié)果充分收斂.模型旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)為31 630，外域網(wǎng)格數(shù)為20 960，旋轉(zhuǎn)域中葉片周圍網(wǎng)格加密作為邊界層，第1層網(wǎng)格高度為葉片弦長的0.001倍，有利于提高技術(shù)精度.

將CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比，如圖2所示.從圖2中可以看出，法向力系數(shù)曲線和切向力系數(shù)曲線在總體趨勢上擬合程度較高.法向力系數(shù)平均值誤差為4.9%，切向力系數(shù)平均值誤差為2.1%，誤差小于5%，因此驗證了本文CFD方法的可行性.

圖2　實驗值和CFD結(jié)果對比曲線

2.2雙機組水輪機模型

本文采用了哈爾濱工程大學(xué)自行設(shè)計的雙機組垂直軸潮流能水輪機模型.單機直徑D=4m，翼型為NACA0018，弦長C=0.6m，兩機組間距為0.6m，葉片數(shù)Z=2、3、4，密實度分別為0.095 5、0.143 0、0.191 0這3種密實度不同的雙機組垂直軸水輪機，水輪機旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，如圖3所示.

圖3　不同密實度水輪機網(wǎng)格

雙機組水輪機在初始時刻的相位角定義以二葉片為例，如圖4所示.機組分為1號、2號機組，1號機組葉片2弦長與水流方向平行(即不同葉片數(shù)的一號機組始終有一個葉片在位置角270°)，2號機組定義葉片3軸心到葉輪軸心的連線和Y軸方向夾角為相位角，用σ表示，如圖4所示相位角為30°.即在改變相位角時，只有2號機組的葉片位置在變化，1號機組葉片位置不變.兩葉片水輪機的相位角σ為0°、30°、60°、90°、120°、150°，中間相位角為90°.三葉片水輪機的相位角σ為0°、30°、60°、90°，中間相位角為60°.四葉片水輪機的相位角σ為0°、15°、30°、45°、60°、75°，中間相位角為45°.另外計算單個機組水輪機在敞水域中的水動力模型作為對比，用single表示.

圖4　初始相位角定義

3結(jié)果分析與比較

本文利用CFX軟件模擬雙機組垂直軸潮流能水輪機在敞水域中的運行狀態(tài)，來流速度為 vA=3m/s,葉尖速比分為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5共9個工況.

如圖5所示，密實度不同的雙機組水輪機的初始相位角在變化時，各個機組的效率曲線都會有相應(yīng)變化.通過對比圖5(a)～(f)的效率變化曲線可以看出，雙機組的各個水輪機效率明顯比單個機組的效率要高，特別在中高速比時更加明顯；不同密實度的水輪機效率曲線隨相位角變化的規(guī)律相似：在不考慮相位角為0°時的情況下，1號機組隨著初始相位角的變大，中高速比下的效率逐漸減小，2號機組隨著初始相位角的變大，中高速比下的效率逐漸變大.相位角為0°時，兩個機組的效率曲線和中間相位角效率曲線基本重合，即兩葉片水輪機的0°相位角效率曲線和90°相位角效率曲線相近，三葉片水輪機的0°相位角效率曲線和60°相位角效率曲線相近，四葉片0°相位角效率曲線和45°相位角效率曲線相近.

如圖6為兩葉片雙機組水輪機在不同相位角下的兩個機組和單機組敞水域的效率曲線對比曲線，從圖6(a)～(d)中可以看出，相位角的變化對雙機組水輪機兩個機組的效率有很大影響.0°相位角時兩個機組效率曲線相近，基本重合.30°時兩個機組效率差最大，隨著相位角的增大，兩個機組的效率差逐漸減小，到90 °相位角時兩個機組效率曲線基本重合，隨著相位角持續(xù)增大，兩個機組間的效率差逐漸變大，到150°時達到最大.所以相位角從30°～150°，兩葉片雙機組水輪機的兩個機組間的效率差先減小后增大，在相位角為90°時效率最接近.相位角為90°時，1號機組的葉片2和2號機組的葉片3間距最遠，兩葉片之間的干擾較小，使兩個機組的效率相互影響較小，發(fā)電功率相近.在雙機組水輪機實際工作中兩個機組發(fā)電功率相近更有利于電能的輸出控制[15]，所以從這方面考慮選取0°和90°相位角較優(yōu).

如圖7(a)為三葉片雙機組水輪機在60°相位角時的效率對比圖，從圖中可以看出此相位角下，兩個機組效率曲線基本重合；圖7(b)為四葉片雙機組水輪機在45°相位角時的效率對比圖，此時兩個機組的效率也基本相同.通過對比不同相位角下的效率變化情況，三葉片和四葉片雙機組水輪機兩個機組效率的變化規(guī)律和兩葉片的相同.不同密實度的雙機組水輪機效率隨相位角變化規(guī)律相同.隨著相位角增大，兩個機組之間的效率差逐漸變小，當(dāng)達到中間相位角時，效率差基本為0，相位角繼續(xù)增大，效率差逐漸變大.所以不同密實度水輪機在對應(yīng)的中間相位角時，兩個機組效率相近，有利于電能的輸出控制.

如圖8為兩葉片雙機組水輪機在不同初始相位角情況下， 選取2號機組的葉片在同一位置角時的壓力云圖進行對比分析.從圖8中可以明顯看出在相位角為0°、30°、120°、150°的情況下，兩個機組之間的葉尖高壓區(qū)域相互連接，說明此相位角時的兩機組葉片距離較近影響較大，60°時的兩個機組高壓區(qū)域未連接但高壓區(qū)域遠大于90°中間相位角.通過分析各相位角的壓力云圖，90°相位角時兩個葉輪的高壓區(qū)域沒有相互連接且高壓區(qū)域最小，則90°相位角時兩個葉輪受到的壓力最小，且兩個葉輪間相互影響最小.

圖5　不同密實度水輪機組的效率隨相位角變化規(guī)律曲線

圖6　兩葉片水輪機的兩個機組的效率曲線對比圖

圖7　三、四葉片水輪機中間相位角效率曲線

圖8　 兩葉片雙機組水輪機不同相位角壓力云圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

如圖9為三葉片雙機組水輪機在中間相位角60°和四葉片水輪機在中間相位角45°時葉尖高壓區(qū)域最小且兩個機組高壓區(qū)域未連接，和兩葉片雙機組水輪機的規(guī)律相符，在各自中間相位角時兩個機組葉片之間相互影響最小且受到的壓力最小.圖10 為不同密實度雙機組水輪機的渦量圖.從圖10中可以看出，雙機組水輪機旋轉(zhuǎn)過程中每個葉片都有尾渦的脫落，脫落的尾渦隨著水流向下游運動，在運動過程中會遇到其他葉片產(chǎn)生的尾渦，使這一區(qū)域水流復(fù)雜，兩個水輪機之間的區(qū)域明顯受到脫落的尾渦的相互影響，使經(jīng)過這一區(qū)域的葉片前緣水流速度發(fā)生變化，導(dǎo)致水輪機效率發(fā)生變化，并且使葉片的壓力增大，對水輪機組的安全性有一定影響.

圖9　三、四葉片雙機組水輪機壓力云圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

圖10　不同密實度水輪機的渦量圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

在各個不同密實度的雙機組水輪機處于各自的中間相位角時，葉片之間相互影響較小，受到的壓力較小，選取中間相位角作為初始相位角能夠提高水輪機組的安全性，增加水輪機運行的壽命.

4結(jié)論

1)不同密實度的雙機組垂直軸水輪機的初始相位角對各個機組的效率影響較大，不考慮0°相位角情況下，隨著相位角的變大，1號機組在中高速比的效率逐漸變小，2號機組的效率逐漸變大，這樣可以通過調(diào)節(jié)相位角來控制兩個機組的功率輸出，以達到對功率輸出的要求.

2)不同密實度的雙機組水輪機在中間相位角時效率差基本為0，隨著相位角增大或減小，效率差都會增大，兩個機組間發(fā)電功率差距變大，不利于電能輸出控制.

3)中間相位角時，機組葉尖高壓區(qū)域最小，且兩個機組的高壓區(qū)域沒有相連，兩個機組葉輪間相互影響較小.選取中間相位角作為初始相位角能夠減小葉尖壓力，提高水輪機使用壽命.

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(編輯張紅)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.030

收稿日期:2015-03-23

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51209060, 11572094);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20122304120035);黑龍江省自然科學(xué)基金(E2016021);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金(2015RQQXJ014)

作者簡介:王凱(1989—) 男，博士研究生；

通信作者:孫科，sunke@hrbeu.edu.cn

中圖分類號:TK730;O352

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)08-0179-06

Impactionofinitialphaseangleonperformanceoftheverticalaxistidalturbineswithdifferentdensity

WANGKai，SUNKe，ZHANGLiang

(DeepwaterEngineeringResearchCenter,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:In order to examine the impaction of different initial phase angles on the hydrodynamic performance of vertical axis tidal twin-turbine with different densities, this paper used CFD numerical simulation method to obtain the variation law of efficiency curves, and then explained the change mechanism through the detail analysis of the pressure diagram and vorticity graph of different density vertical axis tidal turbine with different phase angles. The results show that the influences of the phase angle on different density twin-turbine are similar. With the increase of phase angle, the efficiency of unit 1 with middle and high ratios is reduced gradually, unit 2 is the exact opposite of unit 1; When different density tidal turbine works at the respective middle phase angle, the efficiency of unit 1 and unit 2 of almost the same, which benefits the power delivery. Moreover, middle phase angles minimize the pressure of units. So the respective middle phase angle should be chosen as the optimal phase angle for different density tidal twin-turbines.

Keywords:vertical axis tidal turbine；twin turbine；density；CFD；initial phase angle；hydrodynamic performance

張亮(1959—) 男，教授，博士生導(dǎo)師