垂直軸潮流能水輪機設(shè)計及水動力性能分析

鄒淑云，黃楊成，劉 忠

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114；2.華能湖南清潔能源分公司，湖南 長沙 410000)

垂直軸潮流能水輪機設(shè)計及水動力性能分析

鄒淑云1，黃楊成2，劉 忠1

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114；2.華能湖南清潔能源分公司，湖南 長沙 410000)

為了對比不同結(jié)構(gòu)形式的垂直軸潮流能水輪機的水動力性能，對三葉片-單列葉片式與六葉片-雙列葉片式垂直軸型水輪機進行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，采用CFD軟件對處于特殊旋轉(zhuǎn)角下的單列葉片式和雙列葉片式垂直軸潮流能水輪機進行了2D流場計算，并對壓力云圖和流速場圖進行了對比分析。結(jié)果表明：在設(shè)計流速2.5 m/s下，雙列葉片式水輪機葉片受到的壓力的合力大于單列葉片式，即自啟動性能優(yōu)于單列葉片式；但是雙列葉片式水輪機在軸線旋轉(zhuǎn)角為0°、60°時，葉片間會產(chǎn)生流場相互干擾的問題，在軸線旋轉(zhuǎn)角為30°、90°時，葉片出現(xiàn)尾流脫節(jié)、尾流紊亂的現(xiàn)象。

潮流能；垂直軸水輪機；自啟動性能；單列葉片式；雙列葉片式

0 引言

我國可開發(fā)的潮流能資源量超過1 400萬 kW，海域廣闊，資源豐富[1]。潮流能水輪機作為能量轉(zhuǎn)換部件，影響著整個設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能以及發(fā)電效率等，所以研究設(shè)計潮流能水輪機、優(yōu)化其水力性能等是至關(guān)重要的。垂直軸水輪機因其葉片結(jié)構(gòu)簡單，不需要對流裝置，維護成本低，正受到越來越多的關(guān)注[2-4]。文獻[5]采用改進離散渦和幾何精確梁理論混合方法對三葉片垂直軸水輪機進行結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，結(jié)果表明：當葉片高度和半徑的比值大于3.0時，葉片強度將會失效。文獻[6]采用水輪機旋轉(zhuǎn)運動與強迫振蕩運動的組合模擬立軸水輪機的縱蕩和橫蕩運動，并用CFX軟件對均勻來流中二維水輪機強迫振蕩時的流場和水動力特性進行了分析，闡明了不同振蕩圓頻率、幅值、速比等參數(shù)對水輪機水動力的影響規(guī)律。文獻[7]采用 FLUENT 軟件對4種不同翼型的H型直葉片潮流能水輪機進行了三維流場非定常數(shù)值模擬，通過 4種H型葉片翼型對轉(zhuǎn)輪動力扭矩特性和水能利用系數(shù)的影響，分析了潮流能水輪機水動力性能。以上研究為新型垂直軸潮流水輪機的設(shè)計和翼型的選擇應(yīng)用提供了依據(jù)。在垂直軸水輪機水動力性能預報和分析中，CFD方法相對于渦方法和流管法能夠獲得更多的流場瞬時信息，所以在垂直軸水輪機的設(shè)計與性能研究中得以非常廣泛的應(yīng)用[8-12]。

為了尋求固定偏角垂直軸水輪機的啟動性能規(guī)律，文獻[13]應(yīng)用CFX流體-剛體耦合運動求解方法實現(xiàn)了垂直軸潮流能水輪機自啟動過程的瞬態(tài)數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明方位角在某些范圍內(nèi)啟動性能較差。為了改善普通三葉片垂直軸水輪機的自啟動性能，文獻[14]提出了一種新型六葉片水輪機，通過數(shù)值模擬和模型試驗的方法，研究了新型六葉片水輪機與普通三葉片水輪機的自啟動性能和能量捕獲性能，結(jié)果表明，新型六葉片水輪機總體優(yōu)于普通三葉片水輪機。但是，文獻[14]中并未考慮新型六葉片水輪機中新增葉片對流場的干擾，而且流速范圍偏低(0.3～0.6 m/s)。為了獲得性能更優(yōu)的水輪機結(jié)構(gòu)形式，十分有必要對文獻[14]的2種結(jié)構(gòu)形式水輪機的水動力性能進行分析和比較。本文在文獻[14]的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計三葉片-單列葉片式與六葉片-雙列葉片式垂直軸型水輪機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并采用CFD軟件中的2D模擬對這2種方案進行流場分析，以比較分析2種水輪機的水動力性能。

1 垂直軸潮流能水輪機結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

海洋工作環(huán)境復雜，設(shè)計時需考慮諸多因素，如水流速度、波浪影響、抗風抗浪程度、海水腐蝕等。選址一般選擇少臺風或無臺風的水道，結(jié)合海洋流速，取設(shè)計流速為2.5 m/s。

水深對水輪機工作會產(chǎn)生影響。過淺會使水輪機正常工作時受波浪流影響甚至受到海流沖擊力的破壞，過深則會導致垂直軸水輪機的壓力載荷上升。一般選取中等水深，當水深達到海浪波長的一半時，可以忽略波浪流的影響。故本文設(shè)計中不考慮波浪的影響。海底地質(zhì)構(gòu)造會影響水輪機的穩(wěn)定運行、抗波浪能力，一般選取基巖和較平整的底面。

三葉片-單列葉片式水輪機的設(shè)計功率P為

(1)

式中：CP為能量利用率，一般為0.25～0.45；ρ為海水平均密度；A為水輪機葉輪面積；v為海水流速。

潮流能綜合流速不高，所以取設(shè)計功率PN=10 kW。使用葉片翼型NACA0018[15]，水輪機傳動系統(tǒng)效率η=0.8，水能利用系數(shù)CP=0.3，則水輪機的輸入功率為

(2)

已知v=2.5 m/s，ρ=1 025 kg/m3，由公式(1)得水輪機葉輪面積A=5.16 m2。

為了保持一定的尖速比，取水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D=3 m，高度H=2 m。在額定轉(zhuǎn)速為20 r/min時的尖速比

(3)

根據(jù)葉片數(shù)和尖速比的對應(yīng)關(guān)系[16]，取葉片數(shù)Z=3，弦長c=0.25 m，葉片厚度σ=0.06 m。將三葉片-單列葉片式水輪機的基本參數(shù)列于表1。

表1 三葉片-單列葉片式垂直軸水輪機基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of three-single-blade type vertical axis hydro turbines

單列葉片式固定偏角式垂直軸水輪機存在自啟性能差，效率較低的缺陷。將單列葉片式改為雙列葉片式，既不會影響獲能效率，又能提高裝置的自啟動性能[14]。本文在單列葉片式的基礎(chǔ)上設(shè)計六葉片-雙列葉片式垂直軸水輪機，考慮到葉片間距太小會影響葉片的水力性能，取葉片間距為0.5 m。

為了便于比較雙列葉片式和單列葉片式固定偏角式垂直軸水輪機的性能，雙列葉片式的參數(shù)除葉片數(shù)Z=6外，其余參數(shù)均與表1中的參數(shù)相同。

2 單列、雙列葉片式垂直軸水輪機流場分析

由于垂直軸水輪機水力特性在軸向分布均勻，所以CFD數(shù)值模擬中采用2D模擬方法對處于特殊旋轉(zhuǎn)角下的單列、雙列葉片式垂直軸水輪機進行流場計算。通過壓力云圖和流速場圖的對比分析，比較單列、雙列葉片式不同結(jié)構(gòu)形式的垂直軸潮流能水輪機的水動力性能。

2.1 流場分析初始化條件

以水輪機中心軸向右為x軸正軸，采用特殊軸線旋轉(zhuǎn)角對垂直軸水輪機進行數(shù)值模擬分析。由于三葉片式垂直軸水輪機在轉(zhuǎn)過120°時會與0°時完全吻合，故將特殊軸線旋轉(zhuǎn)角定義為軸線逆時針轉(zhuǎn)過0°、30°、60°、90°這4種。圖1為單列、雙列葉片式垂直軸水輪機軸線旋轉(zhuǎn)角為0°時的模型圖。

圖1 垂直軸水輪機模型Fig.1 Model of vertical axis hydro turbines

由于轉(zhuǎn)軸與水輪機葉片的距離較遠，且本文主要研究葉片受力對轉(zhuǎn)矩的作用，所以忽略轉(zhuǎn)軸與連桿對于葉片受力和流速的影響。

對于三葉片-單列葉片式，利用CAD將2D模型導入至Gambit中，利用邊界網(wǎng)格劃分，設(shè)置水輪機葉片壁面劃分單位為0.01 m。同時，為了提高計算速度，只取水輪機直徑10倍的正方形為計算區(qū)域，并將外圍壁面劃分單位設(shè)置為1 m。使用平鋪三角型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行內(nèi)部面的網(wǎng)格劃分。設(shè)定左方為進口，右方為出口，并將除進出口外的其余壁面設(shè)置為“wall”，再分別將其余角度的網(wǎng)格輸出。對于六葉片-雙列葉片式，條件設(shè)定與單列葉片式的方式基本相同，在對內(nèi)部網(wǎng)格劃分時使用平鋪三角形/四邊形網(wǎng)格劃分，避免其出現(xiàn)網(wǎng)格缺口。

2.2 流場分析結(jié)果

當軸線旋轉(zhuǎn)角為0°時，單列、雙列葉片式水輪機在流速為2.5 m/s下的壓力云圖、流體速度分布云圖分別如圖2、3所示。由圖2可知，葉片受到的升力與推力的合力要大于阻力，所以水輪機是能夠運轉(zhuǎn)的，且六葉片-雙列葉片式水輪機受到的合力明顯大于單列葉片式，有助于提高裝置的自啟動性能。

圖2 軸線旋轉(zhuǎn)角0°、流速2.5m /s下的葉片壓力分布(單位：10 5Pa)Fig.2 Blade pressure distribution at 0° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(105Pa)

圖3 軸線旋轉(zhuǎn)角0°、流速2.5m/s下的流速分布(單位：m/s)Fig.3 Velocity distribution at 0° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate (m/s)

由圖3可知，三葉片-單列葉片式水輪機并不存在相互干擾的問題，但在葉片的背側(cè)流速有明顯改變。所以在高流速的環(huán)境下，需要考慮葉片背側(cè)的流動速度，以防止水輪機葉片發(fā)生空化空蝕現(xiàn)象。在六葉片-雙列葉片式水輪機中，左側(cè)葉片之間并無明顯影響，右側(cè)葉片會產(chǎn)生相互干擾的問題，相對于單列葉片來說，雙列葉片周圍流速更低。

當軸線旋轉(zhuǎn)角為30°時，單、雙列葉片式水輪機在流速2.5 m/s時的壓力云圖、流體速度分布云圖分別如圖4、5所示。由圖4可知，雙列葉片式水輪機受到的壓力較單列葉片式大，且外圍葉片受力更大，內(nèi)圈葉片受力較小，對于平行于來流方向的葉片，兩端壓力較大。

圖4 軸線旋轉(zhuǎn)角30°、流速2.5m /s下的葉片壓力分布(單位：10 5Pa)Fig.4 Blade pressure distribution at 30° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(105Pa)

由圖5可知，單列葉片式水輪機正對來流方向上的葉片一側(cè)受力較大。雙列葉片式水輪機中，液體為分層流動，并沒有產(chǎn)生相互干擾的現(xiàn)象，但是在圖中都出現(xiàn)了尾流脫節(jié)的現(xiàn)象，可能是因為流速問題導致了紊流發(fā)生。

圖5 軸線旋轉(zhuǎn)角30°、流速2.5m/s下的流速分布(單位：m/s)Fig.5 Velocity distribution at 30° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(m/s)

當軸線旋轉(zhuǎn)角為60°時，葉片受力情況以及流速分布類似于0°的情況。單列葉片式水輪機受力要比雙列葉片式強，但是雙列葉片式水輪機的合力矩大于單列葉片式。流速分布圖中，雙列葉片式水輪機因左側(cè)葉片垂直于來流方向，所以左側(cè)葉片的邊界液體流動速度最快，且葉片會產(chǎn)生一些相互干擾。

當軸線旋轉(zhuǎn)角為90°時，葉片受力情況以及流速分布類似于30°的情況，雙列葉片式水輪機的邊界壓力大于單個葉片，雙列葉片式受力要優(yōu)于單列葉片式，裝置的自啟動性能更強。流速分布圖中，雙列葉片式水輪機上方葉片兩側(cè)來流速度變化不大，而下方葉片由于流速的增大，可能會導致尾流紊亂或加劇水輪機葉片間產(chǎn)生相互影響，易產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象，需要進一步研究。

3 結(jié)論

當水輪機處于設(shè)計流速時：

(1)雙列葉片式水輪機的葉片受力要優(yōu)于單列葉片式，裝置的自啟動性能得到提高。

(2)在軸線旋轉(zhuǎn)角為0°、60°時，雙列葉片式水輪機葉片間會產(chǎn)生流場相互干擾的問題。在軸線旋轉(zhuǎn)角為30°、90°時，雙列葉片式水輪機葉片出現(xiàn)尾流脫節(jié)、尾流紊亂的現(xiàn)象，其對空化空蝕性能的影響需要進一步研究。

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DesignandHydrodynamicPerformanceAnalysisofVerticalAxisTidalCurrentTurbines

ZOU Shuyun1, HUANG Yangcheng2, LIU Zhong1

(1. School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China; 2. Hunan Clean Energy Branch, China Huaneng Group, Changsha 410000, Hunan Province, China)

To compare the hydrodynamic performance of vertical axis tidal current turbines with different structures, this paper designed the structural parameters of three-blade single-row-vane type and six-blade double-row-vane type vertical axis turbines. We analyzed the 2D low fields of single-row-vane type and double-row-vane type vertical axis tidal current turbines under special rotation angle by using CFD software, and compared the pressure cloud diagram and velocity field diagram. The results show that the resultant pressure of the blade of double-row-vane type hydro turbine is greater than that of single-row-vane type at the design flow rate 2.5 m/s. The self-starting performance of double-row-vane type hydro turbine is better than that of single-row-vane type. But blades in double-row-vane type turbine will introduce flow field interference when the rotation angle of the axis is 0 and 60 degrees. And disjointed and disordered wake flows arise on the blades of double-row-vane type turbine when the rotation angle of the axis is 30 and 90 degrees.

tidal current energy; vertical axis hydro turbine; self-starting performance; single-row-vane type; double-row-vane type

國家自然科學基金項目(51309034)；湖南省教育廳科學研究優(yōu)秀青年項目(14B004)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51309034)

TK 73

A

2096-2185(2017)06-0021-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.004

鄒淑云

鄒淑云(1979—)，女，碩士、講師，研究方向為水力機械設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；

黃楊成(1995—)，男，學士，主要從事水電站運行與維護工作；

劉忠(1978—)，男，博士、副教授、碩導，通訊作者，研究方向為水力機械設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，drliu2003@126.com。

2017-10-07

(編輯 蔣毅恒)