（机械电子工程专业论文）柔性叶片水轮机获能区的研究及应用.pdf

、 ； 、 l i t ll1 1rl it i ii ii rlu l 、l18 2 7 9 5 9 柔性叶片水轮机获能区的研究及应用 学位论文完成日期：趁坦：i ：l 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 乇馋 j z f j 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼12 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 一 ， 学位论文作者签名：氘金 签字日期：加o 年6 月铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网 络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尹直金 导师签字： 砂娜杰 签字同期：加p 年多月钞r签字口期：砷，。年6 月弘日 柔性叶片水轮机获能区的研究及应用 捅要 柔性叶片水轮机是一种新型海流能获取装置，其叶片为采用柔性材料制作 的三角形，在水流的作用下发生自适应变形，可充分利用流体的升力效应和阻 力效应做功，具有较高的获能效率，自启动能力强，适用流速范围广。其转动 方向只与柔性叶片的安装方向有关，可适应双向往复来流，若采用竖轴方式安 装则能适应各向来流。转子制作简单，叶片安装方便，有广阔的应用前景。 本文以柔性叶片水轮机获能区的研究为工作重点，分析了柔性叶片水轮机 的受力特性，提出了正负获能区的概念，明确了获能区的分布，在此基础上提 出了一种通过减小负获能区的不利影响来提高柔性叶片水轮机整体获能能力的 方法，并综合运用理论分析、数值模拟和水槽模型实验进行了分析和验证。 建立了柔性叶片水轮机单叶片数学模型，分析了柔性叶片在整个转动过程 中的受力特性。提出了正负获能区的概念，从受力分析的角度提出了柔性叶片 在整个转动过程中可能存在负获能区。 对柔性叶片水轮机水动力特性进行了数值模拟。模拟了单排柔性叶片水轮 机在整个转动周期内1 2 个位置对主轴的转矩，初步明确了柔性叶片水轮机获能 区的分布情况。为了便于研究获能区对柔性叶片水轮机获能能力的影响，提出 了淹没度的概念，即通过改变淹没度来减少流经负获能区的水流，从而减小负 获能区对柔性叶片水轮机获能能力的不利影响。对不同淹没度条件下的柔性叶 片水轮机模型进行了转矩模拟，模拟结果显示，柔性叶片水轮机获能能力随着 淹没度的增加呈现先增后减的趋势，找到了数值模拟条件下的最佳淹没度，从 数值模拟的角度证明了减小负获能区的不利影响确实可以起到提高柔性叶片水 轮机整体获能能力的作用。 设计制作了柔性叶片水轮机实验模型，搭建了柔性叶片水轮机水槽实验水 动力性能测试和数掘采集系统。测量了单排柔性叶片水轮机在整个转动周期中 1 2 个不同位置对主轴的转矩，进一步明确了柔性叶片水轮机获能区的分布情况。 全叶片柔性叶片水轮机在不同淹没度条件下对主轴转矩的水槽模型实验显示： 柔性叶片水轮机的获能能力随着淹没度的增加呈现先增后减的趋势；在最佳淹 没度条件下柔性叶片水轮机整体获能能力比全淹没时提高1 3 。从模型实验的 角度进一步证明，通过减小流经负获能区的水流以达到改变负获能区对整体获 能能力不利影响的方法是b j 行的。 对数值模拟结果和水槽模型实验结果进行了分析。分别对数值模拟和模型 实验中单排柔性叶片水轮机对主轴的转矩之和与全叶片水轮机全淹没情况下对 主轴的转矩进行了对比，分析了单排叶片水轮机转矩之和大于全叶片水轮机全 淹没条件下转矩的原因，提出了叶片密实度研究的必要性。 最后，在理论分析、数值模拟、模型实验的基础上，针对不同的环境条件 提出了小功率漂浮式结构和大功率桩柱式升降转子结构两种工程应用方案，从 工程应用的角度对本文研究进行了拓展，为后续海流能开发提供了一定的参考。 关键词：海流能水轮机；柔性叶片；获能区；淹没度 r e s e a r c ha n da p p li c a t i o no f e n e r g y c a p t u r i n ga r e ao f f l e x i b l e b l a d et u r b i n e a b s t r a c t f l e x i b l eb l a d et u r b i n ei san e wt y p eo ft i d a lc u r r e n te n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e i t s b l a d e sa r em a d eo ff l e x i b l em a t e r i a l t h et r i a n g u l a rf l e x i b l eb l a d e sd e f o r mu n d e rt h e f o r c e so ft i d a lc u r r e n t t h ef l e x i b l e b l a d et u r b i n ei sc h a r a c t e r i s t i cw i t h s t r o n g s e l f - s t a r t i n ga b i l i t y ，w o r k i n ga tl o wr o t a t i o n a ls p e e d w h a t sm o r e ，t h ef l e x i b l eb l a d e t u r b i n eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fe n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n t ：i t s r o t a t i o n a ld i r e c t i o n d e p e n d so nt h ei n s t a l l a t i o no ff l e x i b l eb l a d e sr a t h e rt h a nt h ed i r e c t i o no ff l u i d t h e r e f o r e ，t h ef l e x i b l eb l a d et u r b i n ec a nb eu s e di nt h ef l o ww i t h c h a n g e a b l e d i r e c t i o n s i nt h i sp a p e rw et a k et h ee n e r g y - c a p t u r i n ga r e a sa st h ek e y p o i n to ft h er e s e a r c h ， a n a l y z et h ef o r c e sa c t i n go nt h eb l a d e s ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fe n e r g y c a p t u r i n g a r e aa n dw o r ko u tt h e i rd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h er e s e a r c h ，w ep u tf o r w a r da w a yo f i m p r o v i n gt h ee n e r g yc a p t u r ea b i l i t yo ft h et u r b i n et l u o u g ht h ew a yo fd e c r e a s i n gt h e n e g a t i v ei n f l u e n c eo ft h en e g a t i v ee n e r g y - c a p t u r i n ga r e a a c c o m p l i s ht h er e s e a r c h b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e le x p e r i m e n t e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l e x i b l eb l a d et u r b i n e d of o r c ea n a l y s i so f t h e t u r b i n e c l a i mt h ee x i s t i n gp o s s i b i l i t yo ft h en e g a t i v ee n e r g y c a p t u r i n ga r e aa n dp u t f o r w a r dt h et e s tm e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e le x p e r i m e n t a n a l y z et h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l eb l a d et u r b i n e s i m u l a t et h e t o r q u eo ft h em a i n - s h a f ti n12p o s i t i o n si nt h ew h o l er o t a t i o np r o c e s s ；w o r ko u tt h e d i s t r i b u t i o no ft h ee n e r g y c a p t u r i n ga r e a sp r e l i m i n a r y i no r d e rt o f i g u r eo u tt h e i n f l u e n c eo ft h ee n e r g y c a p t u r i n ga r e at ot h ee n e r g yc a p t u r ea b i l i t y ，w ep u tf o r w a r d t h ec o n c e p to fs u b m e r g e n c ed e g r e et or e s e a r c ht h ew a yt od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo f t h en e g a t i v ee n e r g y c a p t u r i n ga r e a s i m u l a t et h et o r q u eu n d e r d i f f e r e n ts u b m e r g e n c e d e g r e e s ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h et o r q u ei n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h e d e c l i n eo ft h es u b m e r g e n c ed e g r e e f i n dt h eb e s ts u b m e r g e n c ed e g r e e ，p r o v et h ew a y o fi m p r o v et h ee n e r g yc a p t u r ea b i l i t yi sa v a i l a b l e d e s i g na n db u i l dt h ee x p e r i m e n tm o d e lo ff l e x i b l eb l a d et u r b i n e ，s e tu pt h et e s ta n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t e s tt h et o r q u eo fs i n g l e r o wb l a d e st u r b i n ei n12p o s i t i o n s o ft h ew h o l er o t a t i o np r o c e s s ，f u r t h e rp r o o ft h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g y c a p t u r i n ga r e a s t h et o r q u es i m u l a t i o no ft h em a i n s h a f tu n d e rd i f f e r e n ts u b m e r g e n c ed e g r e es h o w s t h a tt h et o r q u ei n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ed e c l i n eo ft h e s u b m e r g e n c ed e g r e e ，t h ee n e r g yc a p a b i l i t yo ft h ef l e x i b l eb l a d et u r b i n ei n c r e a s e d a b o u t13 u n d e rt h eb e s ts u b m e r g e n c ed e g r e e f r o mt h i sp o i n to fv i e w ，t h er e s u l t s p r o v e dt h a tt h em e t h o do fi m p r o v i n g t h ee n e r g yc a p t u r ea b i l i t yi sa v a i l a b l e a n a l y z et h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e le x p e r i m e n t c o m p a r et h e s u mt o r q u eo fs i n g l e r o wb l a d e st u r b i n ew i t ht h et o r q u eo ft u r b i n ew i t hf u l lb l a d e s u n d e rt h es u b m e r g e n c ed e g r e eo f10 0 ，a n a l y z et h ec a u s eo ft h ed i f f e r e n c e p u t f o r w a r dt h ei m p o r t a n c eo fb l a d ec o m p a c t n e s sr e s e a r c h a tl a s t ，s p e c i f i ct od i f f e r e n te n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ，d e s i g nt w o k i n d so f e n g i n e e r i n gp r o j e c t sw h i c ha r el o w e r - - p o w e rf l o a t i n gs t r u c t u r e a n dh i g h 。p o w e rp i l e s t r u c t u r ew i t hl i f tt u r b i n e s p r o v i d et h er e f e r e n c et ot h ed e v e l o p m e n to fo c e a nt i d a l c u r r e n te n e r g yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：t i d a lc u r r e n te n e r g yt u r b i n e ；f l e x i b l eb l a d e ；e n e r g y c a p t u r i n ga r e a ； s u b m e r g e n c ed e g r e e 本论文得到以下项目的支持： 1 国家高科技研究计划( 8 6 3 计划) 课题资助 项目名称：海洋潮流能驱动的柔性叶片发电设备研究 项目编号：2 0 0 6 a a 0 5 2 4 2 8 2 山东省科技发展计划课题资助 项目名称：自适应柔性转子潮流发电设备研究 项目编号：2 0 0 7 g g 3 0 0 0 5 0 0 3 目录 l 绪论1 1 1 海流能丌发的意义1 1 2 国内外海流能利用技术的研究现状及进展2 1 2 1 国外海流能利用技术的现状及进展2 1 2 2 国内海流能发电技术现状和进展9 1 3 提高水轮机获能能力的方法l l 1 4 研究内容15 1 4 1 课题来源15 1 4 2 本文主要研究工作15 1 4 3 论文结构1 7 2 柔性叶片水轮机及其水动力特性1 9 2 1 柔性叶片水轮机简介1 9 2 2 柔性叶片水轮机水动力特性分析2 0 3 柔性叶片水轮机获能能力数值模拟一2 5 3 1 计算流体力学发展及研究现状2 5 3 2f l u e n t 简介2 6 3 3 柔性叶片水轮机建模设置及条件假设2 8 3 4 单排柔性叶片水轮机获能区数值模拟2 9 3 4 1 单排柔性叶片水轮机在不同位置模型建立3 0 3 4 2 单排叶片水轮机在稳定流体中压力分布及流线图3 2 3 4 3 单排柔性叶片水轮机受力及转矩数值模拟一3 5 3 5 柔性叶片水轮机在不同淹没度条件下获能能力数值模拟3 7 3 6 数值模拟结果分析4 0 3 7 本章工作及结沦4 2 4 柔性叶片水轮机获能能力水槽实验4 4 4 1 实验设备及实验条件4 4 4 2 水槽模型实验4 5 4 2 1 实验数据采集系统搭建4 5 4 2 2 单排柔性叶片水轮机获能区水槽模型实验4 5 4 2 3 全叶片柔性叶片水轮机淹没度水槽模型实验4 7 4 3 水槽模型实验结果分析4 9 4 4 本章工作及结论4 9 5 柔性叶片水轮机获能区研究结论分析及工程化开发应用5l 5 1 柔性叶片水轮机获能区研究结论分析5 1 5 2 工程化方案选型5 2 5 3 小功率漂浮式海流能发电方案设计5 4 5 4 大功率桩柱式升降转子海流能发电方案设计5 5 5 4 本章工作及结论5 7 6 结束语一5 9 6 1 本文工作及结论5 9 6 1 1 主要研究工作5 9 6 1 2 主要研究结论6 0 6 2 主要创新点6 l 6 3 不足与研究展望6 l 参考文献6 3 致谢6 6 个人简历6 7 发表的学术论文6 8 柔件n f ”水轮机捩能l x 的研究及心用 1 绪论 1 1 海流能开发的意义 随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量激增，近几f _ 年来，人类社 会对能源的消耗量成倍增长。然而，现代社会的能源组成仍然以煤炭、石油、 天然气等化石能源为主。化石能源作为一种不可再生能源，其储量毕竟有限， 对其不断的开发必将导致最终枯竭，而且煤炭、石油、天然气等化石能源在燃 烧过程中会产生大量的c 0 2 、s 0 2 等，会对人类赖以生存的地球环境产生严重的 影响。能源形式及能源安全问题已经成为世界共同面临的一个重大问题。 我国能源形势与能源安全问题也非常严峻【2 ，3 1 。随着我国经济的发展，对于 能源的需求日益增长。预计到2 0 2 0 年，中国所需电力装机至少是1 0 亿k w ，即 4 0 亿吨标准煤的需求量，而且还在以每年7 以上的速度增长。面对如此巨大的 能源消耗，尽管我国有看似乐观的l1 4 5 亿吨煤炭探明储量，到2 0 2 0 年后也仅能 再维持3 0 年1 4 j 。同样作为主要能源之一的石油资源，其产量远远不能满足需求， 而且供需矛盾日益严重，油价上涨，中国消耗石油对外依存度进一步增加，这 将涉及能源安全问题，严重将导致能源危机。十届全国人大常委会第十九次会 议报告中指出，能源需求持续增长对能源供给形成巨大压力：资源相对短缺制 约了能源产业发展；以煤为主的能源结构不利于环境保护；能源技术相对落后 影响了能源供给能力的提高；国际能源市场变化对我国能源供应的影响较大。 面对如此严峻的能源形势，人类从很早丌始就在寻找化石能源的替代资源， 因为只有找到有效的替代能源，才能避免能源短缺对人类社会发展的巨大冲击。 经过多年的探索人们也发现，只有开发利用可再生能源，才能从根本上解决最 终的能源枯竭问题，才能从根本上解决中国、乃至世界的能源压力与潜在的巨 大危机。 可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不 竭的资源，它可以循环利用，是满足人类社会可持续发展的最终能源选择。它 们对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地丌发利用。根据国际 上的一般定义，可再生能源分为传统的可再生能源和新的可再生能源【5 1 。传统的 可再生能源包括常规水电和利用传统技术的生物质能，而新的可再生能源主要 为利用现代科学技术的小水电、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等1 6 j 。目i ，j 柔讹叶”水轮机捩能区的f i j f 究及心用 对太阳能、风能等的丌发利用已经具有一定的规模1 7 10 1 ，对海洋能的丌发也逐渐 成为人们关注的焦点，尤其是埘潮汐能和海流能的丌发已日渐成熟。 海洋海流能作为海洋能的重要组成部分，其能量源于太阳和月球的引力， 具有周期性流动的特点l ，海流能主要是指海底水道和海峡中较为稳定的海水 流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流 量成正比。海流能的变化平稳而且有规律。一般说来，最大流速在2 m s 以上的 水道，其海流能均有实际开发的价值。海水流动会产生巨大能量。据估计全球 海流能总量高达5 t w 。 海流能与波浪、潮汐、太阳、风和生物质能一样，是一种可再生能源。它 与煤炭、石油和核能等常规能源相比，具有无污染和可再生性。我国作为一个 海洋大国，海域辽阔，拥有长达1 8 万多公罩的海岸线，已有资料统计的1 3 0 多 条水道的海流能理论蕴藏量平均功率达1 3 9 9 8 5 m w ，且能量密度高，海况较为 平稳，具有极高的开发利用价值。开发利用海流能能够缓解f i 益严重的能源压 力；改善能源消费结构，降低成本；减少废弃物的排放，改善环境。因此，对 海洋海流能的开发具有重要意义。 1 2 国内外海流能利用技术的研究现状及进展 1 2 1 国外海流能利用技术的现状及进展 国际上海流能发电源于1 9 7 6 1 9 8 4 年苏丹尼罗河上灌溉用河流涡轮机。经 过8 0 年代的低迷期后，9 0 年代中期，随着全球变暖现象r 趋明显，人们开始大 范围开发海流能【l2 1 。海流能发电技术虽已有3 0 多年的历程，但由于多种原因， 如：高成本低效率、妨碍海上交通、海洋环境恶劣、设备的安装固定困难、流 速多变等，海流发电技术发展缓慢。但由于受到全球尤其是亚洲电力市场需求 的驱动和环境压力，各国在海流能发电技术上加大了研究力度并不断取得进步。 英国和挪威在海流发电技术上一直走在世界的前列，单机容量已达到2 5 m w ， 北美近几年一直进行小型发电样机的测试，样机额定功率一般都在3 0 k w 以下。 可以说，北美在海流发电技术方面和欧洲相比还有一定差距，但在不断取得进 步。目前世界上已有的海流能发电装备主要有： ( 1 ) 英国m c t 公司研制的水平轴海流能水轮机，第一阶段代号“s e a f l o w ”， 由英国工贸部( d t i ) 和欧盟资助3 5 0 万英镑，在德文郡( d e v o n ) 的林茅斯 柔他叶j 水轮机扶能区的研究及心用 ( l y n m o u t h ) 研制一座3 0 0 k w 的海流能示范装置，2 0 0 3 年6 月研究人员进行了 实际海况实验，至今一直工作i f 常，如图l l 所示。第一二阶段“s e a g e n ”，额定 功率1 2 m w ，经过四年实施已于2 0 0 8 年1 2 月1 8 日建成发电，现已并网发电， 可供约1 0 0 0 户家庭用电，如图1 2 所示。2 0 0 9 年m c t 进入第三阶段，实现规 模化建造【1 3 】。 图l l英国m c t 公司3 0 0 k ws e a f i o w图1 2 英国m c t 公司i 2 m ws e a g e n “s e a g e n ”水轮机采用桩柱固定，整个装置由两个水轮机组成，固定在横 梁上，横梁口j 在桩柱上升降以方使安装维修，水轮机转子叶片i ：i j 调节倾角。额 定功率1 2 m w ，转子直径1 6 m ，额定流速2 2 5 m s ，最低工作流速o 7 m s ，最高 获能系数o 4 8 ，设计获能系数0 4 5 ，使用寿命2 0 年，桩柱高4 0 7 m ，直径3 0 2 5 m ， 横梁长2 9 m ，转子直径1 6 m ，传动比6 9 9 ：1 ，转子额定转速1 4 3 r p m 。 ( 2 ) 英国s m dh y d r o v i s i o n 设计的一种锚泊式水轮机“t i d e l ”，如图1 3 所示，单个转子旋转直径1 8 5 m ，在流速2 3 m s 的工况下，发电功率1 m w 1 4 1 ， 该系统采用海底的两个锚固定在一定范围内悬浮，翼形室和转子的浮力提供张 力，使锚泊系统张紧，而且可以释放到水面。变速恒频技术使“t i d e l ”在各流 速段均能达到较高水动力性能；叶片固定倾角使结构简化，成本降低；机械密 封方式使翼形室内保持空气环境，使用价格相对便宜的部件成为可能；锚泊固 定方式，使整套装置柔性增强，易装易挪，且可以完全淹没于水中，克服了 “s e a g e n ”露水的缺点，但抵御海洋恶劣环境的能力不强。 柔件叶j i 水轮机捩能区的研究及府用 图1 - 3 英国s m dh y d r o v i s i o n “t i d e l ”水轮机 ( 3 ) 美国的v e r d a n tp o w e r 公司的r i t e 水轮机，为固定倾角三叶片水平轴 水轮机，座底式固定，如图1 4 所示，直径5 m ，额定功率3 5 9 k w ，额定流速 2 2 m s ，最低工作流速o 7 m s 。该公司己在纽约e a s t 河安装了6 个全尺寸的实验 样机，设备经过了连续工作9 0 0 0 h r s ( 3 7 5 天) 的测试，共计发电量8 0 0 0 k w h 。v e r d a n t p o w e r 公司j 下在进入更大规模的海流能丌发阶段l l s 。 擘鞲墼盈雾写 殷童毫岛譬：j 盖耋远五毒霉i 麓乏i 蠡磊纛薹蠢盆纛薹二薹三塞蠹 图l - 4 美国v e r d a n tp o w e r 的r i t e 水轮机 ( 4 ) l u n a re n e r g y 公司设计的r o t e c ht i d a lt u r b i n e ( r t t ) 采用多叶片转子， 采用重力基固定方式，易安装回收，如图1 5 所示。目前正在设计制作中的 r t t 2 0 0 0 ”约高3 2 m ，长3 0 m ，重2 5 0 0 t ，重力基占了大部分质量。在3 1 m s 流 速下，输出2 m w 、ll k v 、5 0 6 0 h z 的三相交流电。工作时水轮机带动水泵，水 泵驱动液压马达，马达驱动发电机发出电能。r t t 的设计采用c f d 模拟和比例 模型实验相结合的方式进行，c f d 模拟中用激盘代替水轮机，激盘有阻挡水流 的作用，通过改变激盘阻力模拟变化的转子载荷，迅速确定能够从流体中获取 的最大能量，结果证明模拟值与理论值相差1 0 以内。在结构上，r t t 采用了 4 柔件n fj l 水轮机扶能的研究及j 啦用 双向管输送方式，伎流体能更加集中，相同工况和发电量下减小了转子尺寸， 且输送管能够改变流体流向，数值模拟效果如图1 6 所示，确保流体垂直流经转 予，减小转子所受侧向力，在流向多变的j ：况下提高了获能效率17 1 。 图1 5r o t e c h 水轮机图1 6 流体流经输送管的流欠模拟 ( 5 ) 美国u e k ( u n d e r w a t e re l e c t r i ck i t es y s t e m ) 公司开发的u e k 水轮机， 双转子，叶片固定，与螺旋桨形式类似，如图1 7 所示，带有增速装置( a u g m e n t o r r i n g ) ，能起到减小负压保护叶片、增大流速的作用，系统通过行星轮变速后带 动交流发电机l 。8 j ，该装置较适应于河流或单向水流，且最低工作流速较高。1 7 英尺的u e k 水轮机相关参数如下：额定功率4 0 0 k w ，额定流速3 m s ，最低工作 流速1 5 4 m s ，导流管直径5 1 8 m ( 1 7 英尺) ，转子直径4 m 。 图1 7 美国u e k 水轮机 ( 6 ) 爱尔兰o p e n h y d r o 公司开发的o p e n c e n t r e 水轮机，如图l 一8 所示， 该水轮机是针对水下使用设计的，最大的特点是结构简单，中心无转轴，整个 装置由固定的外部坏和内部的旋转盘组成，这两部分组成了一个永磁发电机， 5 柔性n i ”水轮机扶能区的研究及j 每用 因此无需变速机构和特殊的密封技术，且有低转速、低启动流速等特点1 1 9 i 。该 公司设计的1 5 2 0 k w 双转子水轮机，直径1 5 m ，额定流速2 5 7 m s ，最低工作流 速0 7 m s 。2 5 0 k w 示范样机o p e nc e n t r e ，已于2 0 0 8 年5 月在英国的奥克尼郡 ( o r k n e y ) 岛成功发电，并入到英国国家电网。 图l 8 英国o p e n h y d r o 公司o p e nc e n t r e 水轮机 ( 7 ) 加拿大c l e a n e rc u r r e n t 公司设计的双向带聚流罩的水平轴水轮机，如 图1 - 9 所示，与o p e n c e n t r e 类似，水轮机本身构成发电机。直径3 5 m ，额定 功率为6 5 k w 的水轮机，于2 0 0 7 年6 月，经测试证明了水轮机的预期的电机性 能和增速装置的性能。 图1 - 9 加拿大c l e a n e rc u r r e n t 海流能水轮机 ( 8 ) 意大利p o n t ed ia r c h i m e d es p a ( p d a ) 公司设计的k o b o l d 水轮机， 如图1 1 0 所示，实验测得该种水轮机获能系数在o 2 3 左右【2 0 1 ，2 0 0 5 年在墨西哥 建成的漂浮式电站，水轮机直径6 m ，高5 m ，电站发电接入当地电网，这是世 界上第一个接入电网的竖轴海流能水轮机。 6 柔十牛1 1 f ”水轮机歆能k 的i j f 究及心用 k ，量。! 缈 o一，缈，。 图1 1 0 意人利p d a 公司k o b o l d 水轮机 ( 9 ) 美国g o r l o vh e l i c a lt u r b i n e 设计的g h t 水轮机，如图l 一1 1 所示，叶 片有一定的扭曲角度，具有自启动能力，其设计的标准模型直径l m ，叶片弦长 1 4 0 m m ，叶片扭曲角6 7 。，转子高2 5 m ，最低工作流速0 5 m s ，水流在1 5m s 时，功率1 5 k w ，7 7 2m s 时，功率1 8 0 k w 。 图1 11 美国g h t 水轮机 ( 1 0 ) 英国d t i 设计的竖轴变倾角水轮机，如图1 1 2 所示，叶片与转子通 过铰链连接，绕转子轴旋转的同时自转，适当的自转控制方式可以使叶片在各 位置角所受圆周切向力最大，产生最大扭矩，提高能量转换效率。已知的一种 叶片变倾角控制系统如伦敦大学机械工程学院设计的液压机械控制系统，转子 发出的电能作为动力来源，驱动液压控制系统工作。实验结果证实，他们采用 的叶片倾角余弦控制方式使获能系数有很大提高，转子起转能力也得到改善【2 l 2 2 1 。 7 柔悱叫”水轮机捩能区的 f 究及j 知用 幽1 1 2 直叶片变倾角水轮机 ( 1 1 ) 英国e n g i n e e r i n gb u s i n e s sl t d 设计的振荡式海流能装置s t i n g r a y ，如 图1 1 3 所示，翼型水翼通过摆臂连接，当水流流过时，升力和阻力使水翼上升， 带动与液压缸相连的摆臂，最后驱动液压马达发电。当水翼上升到最高点时， 水翼攻角反转，使水翼向下运动。该公司设计的1 5 0 k w 示范工程发电装置，额 定流速1 5 4 m s ( 3 k n o t s ) ，水翼总长度1 5 5 m ，弦长3 m ，摆臂长1 l m ，摆臂可在 上下3 5 。范围内摆动【2 3 1 。 图1 - 1 3 振荡式海流能装置 ( 1 2 ) 瑞典s e a p o w e r 公司在s a v o n i u s 风机的基础上设计了一种阻力型海流 能水轮机e x i m ，轴截面成s 形，如图1 1 4 所示( a ，b 为示意图，c 为实验测试 现场) ，该水轮机这种水轮机获能效率相对较低，但能产生较大的转矩，传统的 s a v o n i u sj x l 机叶片与转轴平行，即为直叶片，叶片处于一定位置区域时，难以自 启动。印度理工学院对有一定螺旋角的s a v o n i u s 水轮机进行了实验研究1 2 引，结 果表明水轮机在任意角度都能自启动，最大获能系数接近o 2 。 8 柔住叶j ；水轮机扶能恒的研究及心用 ( a( b( c 图1 1 4 瑞典s e a p o w e re x i m 水轮机 ( 1 3 ) 新加坡a t l a n t i sr e s o u r c e sc o 公司设计的n e r e u s 海流能装置，如图 1 1 5 所示，n e r e u s 专门为浅水工况设计，叶片以一定的倾斜角度安装在链形式 的机构上，水轮机提取流体动能驱动链条转动，于2 0 0 8 年7 月进行了4 0 0 k w 的 拖拽实验【2 5 】，目前没有相关性能参数资料。 图1 - 1 5新加坡a t l a n t i s 公司n e r e u s 海流能装置 1 2 2 国内海流能发电技术现状和进展 我国海流发电研究始于2 0 世纪7 0 年代木，发电实验最早是1 9 7 8 年由一位 浙江农民进行的。他制作的螺旋桨式水轮机，通过液压传动装置带动发电机， 在舟山群岛西候门海流流速3 m s 条件下，发出了5 7 k w 的电力【2 6 】。后来我国在 舟山海域进行了8 k w 海流发电机组原理性实验。因国际国内同时起步，我国在 海流能技术基础研究方面同国际上没有太大差距，但在应用研究上，差距在不 断拉大。目前国内采用的一级换能装置，普遍存在结构形式单一、容量低、可 靠性差的问题。换能装置主要是混流式水轮机，对轴流水轮机的研究很少；装 机容量最高的不超过1 0 0 k w ，距离海流能发电技术的商业化，我们还有很长一 段距离，但也在不断创新中前进。 9 柔性n 1 片水轮机秋能区的研，及j 妊用 ( 1 ) 2 0 0 2 年4 月，我国首座7 0 k w 海流实验电站“万向i ”建成。该装置采 用漂浮结构形式，主要包括电站载体、双转子水轮机、锚固系统、液压恒频发 电与控制系统等部分，工作流速范围为1 0 1 r d s ，抗风能力l o 级，耐波高度 3 m ，锚固适应潮差4 m 。在流速2 2 5 m s 时，平均发电功率5 2 0 k w 。偏心机构 使转子保持正迎水流，叶片采用变倾角控制方式，自传运动由连杆滑块机构执 行。这种直叶片摆线式可变攻角水轮机具有较高的获能能力和自起转能力。电 控部分主要由定量泵、变量马达、减速器、发电机和控制柜等组成，液压调速 实现了发电系统稳频稳压，系统同时具有蓄电池充电控制、并网控制和相关的 保护功能【”1 。 ( 2 ) 东北师范大学目前讵在研制一种l k w 水下悬浮式水平轴海流能发电装 置。该装置由水下锚泊系统、发电机、软轴、水平轴水轮机组成，为避免现有 水平轴水轮机需要调整浆距，且在水流反向时效率下降的缺点，装置采用软轴， 将水平轴水轮机与垂直安放的发电机连接，使水轮机组币对水流方向。其研制 获得国家科技部“十一五”8 6 3 探索类项目支持 2 8 1 。 ( 3 ) 哈尔滨工程大学和意大利p o n t ed ia r c h i m e d e 公司正在合作研制2 5 0 k w 水面漂浮式垂直轴海流发电装置。整体结构类似于“k o b o l d ”竖轴水轮机。项 目得到国家科技部“十一五”8 6 3 目标导向类项目和联合国工业发展组织的支持 2 9 1 o ( 4 ) 浙江大学研制的5 k w 水平轴潮流能水轮机，转子旋转直径2 m ，如图 1 1 6 所示，在2 m s 流速下，转速5 0 r p m 。项目得到国家科技部“十一五”8 6 3 探 索类项目支持。 图1 1 6 浙江人学水卜风印 l o 柔中牛1 1 f ”水轮机捩能k 的研究及心用 ( 5 ) 由中国海洋大学和机械科学研究总院共同研制的海流能柔性u | 片水轮 机，如图1 一1 7 所示，柔性叶片水轮机是一种新型海流能荻取装置，基本原理类 似帆翼，柔性叶片为三角形，具f j 自适应性，能充分利用升力效应和附l 力效应， 提取海流能，有较高的转矩系数，在任意转角位置都能自启动；采用。骖轴方式 安装，水轮机不受末流方向的影响，只与叶片安装方式有关；与传统的刚性叶 片相比，柔性叶片制作简单，安装方便，无需特殊工艺制作叶片，具有良好的 发展前景l j0 。2 0 0 8 年1 2 月在青岛胶南斋常岛海域成功完成测试，该装置采用双 浮体升降式结构，柔性叶片水轮机可自由升降以方便检修。 幽1 一l7 柔性叶片水轮机发电装置 1 3 提高水轮机获能能力的方法 作为海流能发电装置的核心部分，水轮机获能能力的高低直接关系到整个 海流能发电装置的设计成功与否。因此海流能发电装置的设计也主要围绕提高 水轮机的获能能力展开。能否高效地实现海流能到电能的转换直接关系到海流 能开发利用的前景b ，针对各种不同形式的海流能水轮机，目前国内外提高其获 能能力的方法主要有叶片翼型的优化和水轮机整体优化两种方法。 水轮机叶片作为组成水轮机最重要的部件，其水动力性能的优劣对水轮机 性能起着决定性的作用。进行水轮机叶片翼型的优化，如图l 1 8 所示，使优化 后的异形具有较好的升力系数和阻力系数等水动力特性，通过对水轮机叶片的 优化能够从根本上提高其组成的水轮机的获能能力。 水轮机叶片选型确定后，主要通过水轮机整体优化进一步提高水轮机获能 能力，主要包括调整运动过程中水轮机叶片攻角、叶片分布形式、水轮机转速； 采用聚流罩提高流经水轮机的水流流速；采用特殊形式的导流罩调整流经水轮 机水流的分布等。 柔性叶j i