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潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 摘要 目前用于获取海洋潮流能的潮流水轮机均采用刚性叶片，对工作流速要求 高，噪音大，空蚀现象严重，且锋利的边缘容易对鱼类等海洋生物造成伤害， 这些都是造成目前潮流能开发力度不够的重要因素。柔性叶片水轮机作为一种 新型换能装置，其叶片由柔性材料制成，起转能力强，转速低，空蚀现象不明 显，具有很多刚性叶片所不具有的特点。更具工程开发意义的特点是，柔性叶 片水轮机转子转向只与叶片的安装方式有关，而不受水流流向控制，因此可广 泛应用于流向多变的工况下。 在流体作用下，柔性叶片不断发生形位变换，自适应流体呈现翼形结构， 承受阻力的同时可充分利用流体的升力效应做功，阻力效应和升力效应是彼消 此长相互更替的关系，在相互转化过程中共同充当水轮机旋转的动力，高效提 取流体能。 本文首先以四叶片帆翼式水轮机转子为例，介绍了柔性叶片水轮机的工作 原理。分析了叶片的运动和受力，建立了评价柔性叶片水轮机水动力性能的数 学模型，探讨了方程中对柔性叶片水轮机性能的众多影响因素，提出了目前国 内外科研机构在流体和柔性体双向耦合理论研究中普遍遇到的问题，从而将解 决问题的方法转向以风浪流水槽试验为基础的试验分析法。 在无量纲分析理论的指导下，作者找到与叶片形状和水轮机结构有关的一 系列无量纲参数，这些参数的大小直接影响了柔性叶片水轮机的获能能力。对 应这些参数的变化，设计了多个水轮机转子模型，提出了合理的试验方案，解 决了试验过程中的诸多难题，并对试验获取的数据进行分析总结，找到了这些 参数对柔性叶片水轮机水动力性能的影响规律。论证了柔性叶片水轮机的水动 力特性，针对叶片结构参数和水轮机安装方式提出了优化方案。 随后，作者讨论了5 k w 柔性叶片水轮机海试样机的多种结构方案，并确定 采用双浮体升降式结构形式。设计了国内第一台5 k w 柔性叶片水轮机海试样机。 针对海洋特殊环境和载荷，选用了柔性叶片材料并对叶片和水轮机转子支撑结 构进行了校核和优化。同时，对载体进行了设计，介绍了样机电控检测系统。 最后，基于海试数据，分析了导流罩的聚流效果。针对柔性叶片水轮机可 控工作状态参数尖速比进行了分析，对比了模型试验和海试数据，不同流速环 境具体数值上有一定差距，但趋势一致性好。提出了在不同流速下水轮机工作 状态控制方案，为潮流能开发工程化应用阶段保持高效获能状态提供思路。 关键词：潮流能；水轮机；柔性叶片；获能系数 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so f f l e x i b l eb l a d et u r b i n ed r i v e nb yt i d a le n e r g y a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h eb l a d e so ft l l r b i i l e se x t r a c t i n ge n e r g yf r o mt i d a lc u r r e n ta r cr i g i d r i g i db l a d e sh a v em a n yw e a k n e s s e s f o re x a m p l e ，r i g i db l a d e sc a no n l yw o r ki n h i g hs p e e df l o w i n gc o n d i t i o n s ；i tc a u s e sg r e a tn o i s e , a n di th a ss e r i o u sc a v i t a t i o n w h a t sw o r s e ，t h es h a r pe d g e so fr i g i db l a d e sc a nh u r tt h ef i s ha n do t h e rm a r i n e o r g a n i s m s a l la b o v ew e a k n e s s e sa r ct h ep r i m a r yf a c t o r st h a ti m p a c tt h ed e v e l o p m e n t o ft i d a le n e r g yt e c h n o l o g i e s t h ef l e x i b l eb l a d et u r b i n ei san e w t y p eo ft i d a le n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e i t sb 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 ef l e x i b l eb l a d e sa r e c h a r a c t e r i s t i cw i t hs t r o n gs 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 , n o t s e r i o u sc a v i t a t i o n w h a t sm o r e ，t h ef l e x i b l eb l a d e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o j e c t d e v e l o p m e n t ：i t sr o t a t i o n a ld i r e c t i o nd 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 s r 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 n t h ef l o wo fc h a n g i n gd i r e c t i o n t h ef l e x i b l eb l a d et r a n s f o r m sa d a p t i v e l yt ot h ef l u i d ，s oi th a st h es h a p eo fa i r f o i l t h el i f ta n dd r a gf o r c e sa c to nt h ef l e x i b l eb l a d e w h e no n er e d u c e s ，t h eo t h e rw i u i n c r e a s e h o w e v e r , t h e ya r eb o t ht h ep o w e r sd r i v i n gt h et u r b i n e ，s oi te x t r a c t st i d a l e n e r g ye f f i c i e n t l y f i r s t l y ，t a k i n gt h es a i l - w i n g e df l e x i b l eb l a d et u r b i n ew i t h4 b l a d e sa sa ne x a m p l e ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ff l e x i b l eb l a d et u r b i n e ，a n a l y z e st h ef o r c e sa c t i n g o nt h eb l a d e s ，c r e a t e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l se v a l u a t i n gi t s h y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e s ，a n dd i s c u s s e sm a n yf a c t o r si ne q u a t i o n t h e n ，t h ep a p e re x p l a i n st h e c o m n l o np r o b l e m si nt h er e s e a r c ho fc o u p u n gb e t w e e nf l u i da n df l e x i b l em a t e r i a l s t h e r e b y ，t h er e s e a r c hm e t h o di nt h ep a p e ri sm a i n l yb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l a n a l y s i s u n d e rt h eg u i d a n c eo fd i m e n s i o n a la n a l y s i st h e o r y ，t h ea u t h o rw o r k so u tas e r i e so f d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r sr e l a t i v et ot h eb l a d es h a p ea n dr o t o rs t r u c t u r e t h e s e p a r a m e t e r sd i r e c t l y a f f e c tp o w e re f f i c i e n c yc o e f f i c i e n t c o r r e s p o n d i n gt ot h e s e p a r a m e t e r s ，s e v e r a l t u r b i n er o t o rm o d e l sa r e d e s i g n e d t h e n ar e a s o n a b l e e x p e r i m e n t a lp r o g r a mi sp r o p o s e d a f t e rt h a t ，t h ed a t ao b t a i n e di ne x p e r i m e n ta r c a n a l y z e d t h u s ，t h el a wh o wt h e s ep a r a m e t e r sa f f e c tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so f f l e x i b l eb l a d et u r b i n ei sf o u n d t h e nt h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r e d e m o n s t r a t e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mi sp r o p o s e da c c o r d i n gt os t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n dt u r b i n ei n s t a l l a t i o n s u b s e q u e n t l y t h es t r u c t u r e so ft h e5 k wf l e x i b l eb l a d et u r b i n ea l ed i s c u s s e d , a n d d o u b l ef l o a t i n g b o d i e sr i f t i n gs t r u c t u r ei sa d o p t e d a n dt h ef i r s tp r o t o t y p eo f5 k w f l e x i b l eb l a d et u r b i n ei sc r e a t e di nc h i n a a c c o r d i n gt os p e c i a lm a r i n ee n v i r o n m e n t ， t h em a t e r i a lo ff l e x i b l eb l a d ei ss e l e c t e d ，a n dt h eb l a d es h a p ea n dr o t o rs t r u c t u r ea le c h e c k e da n do p t i m i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ec a r r i e ri sd e s i g n e da n de l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mo fp r o t o t y p e i si n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h ec o n g r e g a t ee f f e c to ft h ed u c ti sa n a l y z e d ，a n d 愿ri ss t u d i e db a s e d o n t h ed a t a so fs e at r i a l t h e nt h er e s u l t so fs e at r i a la l ec o m p a r e dw i t ht h a to fp r a c t i c a l m o d e lt e s t a l t h o u g ht h e r ei sal i t t l eg a p ，t h et r e n d ss u i te a c ho t h e rw e l l t h ec o n t r o l s c h e m e so fw o r k i n gs t a t u sa td i f f e r e n tf l o w i n gs p e e d sa l ep r o p o s e d a n di d e a sf o rt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na l ep r o v i d e d k e yw o r d s ：t i d a le n e r g y ；t u r b i n e ；f l e x i b l eb l a d e ；p o w e re f f i c i e n c yc o e f f i c i e n t 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 ! 注；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。 髟甲签字日期：7 阿铲自妒日 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 签字日期： 月彦日 导师签字： 诩习杰 签字日期：7 弦声月爹日 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 1 绪论 1 1 潮流能开发的意义 随着经济、社会发展，能源需求量激增。国际能源机构在 ：2 0 0 7 年世界能 源展望报告中指出，如果不采取措施限制能源消耗，未来20 多年内世界能源 消耗量将剧增5 5 。在找到相应的替代能源之前，煤碳、石油等化石能源仍然 是主要能源。然而化石能源作为不可再生能源，其储量毕竟有限，更为严重的 是煤碳、石油等化石燃料的燃烧，排放的大量c 0 2 、s 0 2 越来越威胁到人类美好 家园【1 ，2 1 。 我国能源形势与能源安全问题更为严峻【3 4 1 。随着我国发展，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 ，则能源需求 将至少是4 0 亿吨标准煤。如此巨大的消耗情况下，尽管我国有看似乐观的煤碳 探明储量1 1 4 5 亿吨，到2 0 2 0 年后也仅能再维持3 0 年【5 1 。近年来，中国石 油消费量年均增长率达到7 以上，而国内石油供应年增长率仅为i 7 t 6 1 。国内 石油产量远远不能满足需求，且供需缺口越来越大。这将使得中国消耗石油对 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列举的我国能源安全面临的5 大问题更有代 表性和说服力： 1 ) 能源需求持续增长对能源供给形成巨大压力； 2 ) 资源相对短缺制约了能源产业发展： 3 ) 以煤为主的能源结构不利于环境保护： 4 ) 能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高； 5 ) 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，科学家从8 0 年代开始，就在大力宣传“开源节 流 ，“节流 就是按照目前中央部署，切实做好节能减排工作；作者认为“开 源 更为重要，找到有效的替代能源，即开发新能源，尤其是可再生能源，而 不是坐吃山空，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，适宜就地开发利用。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。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 7 , 8 】。 中国幅员辽阔，有着广袤的陆地面积和浩瀚的海域，上述太阳能、风能、 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 水能、海洋能等可再生能源极为丰富。目前大多可再生能源开发利用已经具有 一定的规模【9 2 1 ，然而我国绵长海岸线周边储能丰富的海洋能开发远远不够，据 估算潮汐能1 1 亿k w ，海流能2 0 0 0 万k w ，目前没有成熟的商业化运行的电站， 只能看着如此巨大的能量白自流失，望洋兴叹【1 3 】。 海洋潮流能作为可再生能源的重要组成部分，是整个能源供应系统的有效 补充，也是环境治理和生态保护的重要措施。开发潮流能、发展可再生能源是 未来能源技术储备的战略需要，也是解决局部地区能源供应短缺的现实选择。 具体看来： 1 ) 缓解能源压力 由于我国经济增长速度较快，能源需求增长强劲，缺口越来越大，我国常 规能源供给的制约愈益严重。据专家估算，即使在构建高效、节能型社会的前 提下，我国2 0 1 0 年能源消费总量将为2 3 亿吨标准煤，2 0 2 0 年能源消费总量约 为4 0 亿吨标准煤【1 4 l 。一方面常规能源供给量大幅减少，甚至日渐枯竭；另一方 面需求总量则大幅攀升。因此，能否积极开发利用新能源和可再生能源，是我 国能源工业能不能持续支撑国家现代化建设的关键。 2 ) 改善能源消费结构 有关统计显示，世界能源消耗的3 2 来自石油，2 5 来自煤炭，1 7 来自天 然气，5 来自核能，1 4 来自多种生物质能。2 0 0 3 年我国能源消费结构中，煤 炭占6 7 1 1 ，石油占2 2 1 7 ，天然气占2 1 8 。可见我国能源消费结构过分 单一，严重依赖煤炭和石油，二者约占消费总量的9 0 以上。我们只有加快发 展新能源和可再生能源，才能逐步改善我国能源消费结构不合理的状况。 3 ) 环境保护的需要 我国能源消费结构中煤炭和石油约占9 0 以上。且不说石油炼化对河水和 大气造成的污染，汽车尾气对城市空气质量的严重破坏，单说大量以终端直接 燃烧方式消费煤炭，就是造成大气环境质量下降的主要原因。大气中7 0 的烟 尘是燃煤造成的，大气污染不仅造成土壤酸化，粮食蔬菜减产和植被破坏，而 且引发大量呼吸道疾病，直接威胁人类健康。特别是燃煤释放的大量二氧化碳， 对气候变化影响很大，致使温室效应、臭氧层的破坏、大气污染、物种灭绝等 现象发生。尽管国家采取了一些措施，但生态环境总体恶化的趋势尚未根本好 转，同时还给国家带来巨大的经济损失。据国家环保局估算，我国的环境污染 总损失约占国民生产总值的1 0 ，以2 0 0 0 年为例，造成的损失近9 0 0 0 亿元， 相当于建几个三峡工程。 1 2 潮流能的特点及分布 潮流能指天体引潮力引起的海水发生水平流动的动能。海面的上下运动称 为潮汐，海水的水平运动称为潮流，它们的运动周期几乎相同，约为半日或一 2 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 日。潮流能的特点在于每日2 次的潮位变动和每月2 次幅度较大的潮位变动， 而与季节无关。潮流同潮汐一样，流速呈正弦波状变化，周期为1 2 h 2 5 m i n 聆j 。 海洋潮流能之所以具有极大的开发价值和应用前景是因为潮流能相对其他 形式能源有诸多优越性： 1 ) 相对太阳能和风能，其能量更加集中，能量密度约为风能的4 倍，太阳 能的3 0 倍； 2 ) 可预测性强，未来一年甚至几年的日输出能量可以被预测； 3 ) 载荷稳定，波动性约为波浪能的1 5 0 0 1 2 1 ； 4 ) 储量丰富，据联合国科教文卫组织统计，全球蕴藏可开发利用的潮流能 总量达3 亿k w ，我国潮流资源理论平均功率约为1 3 9 4 8 5 2 万k w 1 6 - 7 1 。 根据对沿岸1 3 0 个水道的计算统计，我国潮流资源在全国沿岸的分布，以 浙江为最多，有3 7 个水道，理论平均功率为7 0 9 0 m w ，约占全国的二分之一以 上。其次是台湾、福建、辽宁、山东等省份的沿岸也较多，约占全国总量的4 2 ， 其它省区较少。 根据沿海能源密度，理论蕴藏量和开发利用的环境条件等因素，舟山海域 诸水道开发前景最好，如金塘水道( 2 5 9 k w m 2 ) 、龟山水道( 2 3 9 k w m 2 ) 、 西侯门水道( 1 9 1 k w m 2 ) ，其次是渤海海峡、福建的三都澳和山东半岛等，如 老铁山水道( 1 7 4 k w i n 2 ) 、三都澳三都角( 1 5 1 k w r l l 2 ) 、胶南斋堂岛水道( 4 1 k w m z ) 1 8 l 。 1 3 潮流能发电技术研究综述 1 3 1 当前典型潮流发电系统 实际工况和总装机容量对发电系统的选取与设计起决定性作用。当工况较 稳定，能够提供持续稳定的能源供给，适合采用同步发电机，获得较高的发电 效率；但世界上供能较稳定的海流几乎没有，因此目前潮流发电系统常采用异 步发电机【1 9 】，并网或离网方式的选取多受总装机容量大小的影响。当装机容量 较大时，宜采用并网发电，成本低效率高；装机容量较小且离岸较远时适合采 用离网方式。由于并网技术难度较大，如整流过程中能量损耗大、失真、对当 地电网易造成冲击，装机规模有限等原因，目前应用的多为异步发电机离网发 电系统，其组成如图1 - 1 所示。 同步励磁发电机一般为柴油发电机，所发电能经逆变器1 和逆变器2 逆变 整流后为异步发电机励磁，异步发电机从一级换能装置获取机械能发电，所发 电能经逆变器2 、逆变器3 逆变整流后为当地负载供电；经逆变器2 、逆变器l 后为整个潮流发电系统的控制部分供电。当地负载耗能较小时，异步发电机发 出的电能经逆变器2 、逆变器1 、逆变器4 后为蓄电装置充电，储存能量；当地 负载耗能较大时，蓄电装置作为备用电源和电源质量调节系统协调异步发电机 3 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 共同为当地负载供电，释放能量。 图1 - 1 异步发电机离网发电系统 1 3 2 国外潮流能发电技术的现状和进展 国际上潮流能发电源于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，随着全球变暖现象日趋明显，人们开始大 范围开发潮流能【2 0 j 。潮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，潮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，各国在潮流能发电技术上加大了研究力度并不断取得进步。 英国和挪威在潮流发电技术上走在世界的前列，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，北美在潮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。 日本从2 0 世纪8 0 年代初就开始重视海洋能的开发利用，并一直致力于 1 0 l o o k w 波浪能提取设备的研究，关于日本潮流发电技术的商业应用至今没有 权威性报告。 潮流发电水轮机作为从海洋潮流能中获得水流动能转换为电能的能量转换 装置是潮流能发电系统的核心组成部分之一，其换能能力的强弱是评价整个发 电系统性能优劣的重要指标【2 1 1 。目前国外有关潮流发电的一级换能装置主要有： 4 剜流能驱动的| 性 片水轮机水动力性能试验研究 水轮机和摆动装置。 ( 1 ) 水轮机 1 ) 轴流水轮机 轴的安装方向与水流方向平行，一般用于水深大于2 5 m 的流层。如m c r 公司制造的水轮机“s e a g e n ”。如图1 2 所示，中间立柱桩固于海底，单个转子 旋转直径1 8 m ，在流速3 m s 工况下，发电功率达2 5 m w l z 2 1 。叶片采用1 8 0 。范 围内变倾角系统，以适应双向海流。为方便安装和维护，升降系统可以把转子 和两翼托出水面。“s e a g e n ”采用双转子结构，减弱了单转子与立柱共线布置 时引起的紊流，提高了获能系数。升降系统使维护成本降低，但露水部分妨碍 水上交通立柱桩固于海底，能够抵御波浪等恶劣环境的冲击，但水下作业技 术难度大，成本高且回收困难。为不妨碍水上交通，m c t 计划下一步设计一种 六转子水流发电装置“2 n dg e n e r a t i o n ”。装置完全淹没于水中，性能成本和 “s e a g e n ”相差不多，其商品化的可靠性需要进一步验证。 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 2 2 l ，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，成本降低陋1 ；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。 瞬1 - 2 s e a c r e n 水轮机 图1 - 3 t i d e l 水轮机 “s e a g e n ”和“t i d e l ”均采用双叶片转子结构简单，运输方便，但相对 同种结构的多叶片转子，其获能能力较低，转子汇部受力均衡性差，应力集中 明显。l u n a r e n 。r g y 公司设计的r o i e c h t i d a l t u r b i n e ( r m 采用多叶片转子，克服 了上述两种转子的缺点，重力基固定方式，易安装回收，如图1 _ 4 所示。目前正 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性魄试验研究 在设计制作中的“r i 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 、l l 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 r 的设计采用c f d 模拟和比例模型试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 采用了双向管输送方式，使流体能更加集中，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 - 5 所示，确保流体垂直 流经转子，减小转子所受侧向力，在流向多变的工况下提高了获能效率i z 4 , 驯。 图1 4r o t e c h 水轮机图1 - 5 流体流经输送管的流矢模拟 2 ) 混流水轮机 轴的安装方向与水流方向垂直。如意太利p o n t ed i a r c h i m e d c 公司设计的三叶 片“k o b o l d ”水轮机，转向与水流方向无关如图1 - 6 所示，转子直径6 m ，叶片 长5 m ，叶片弦长04 m ，在2 m s 流速下最大发电功率4 0 k w 。三个叶片由三对放射 状横臂支撑，试验和数值模拟证实，“k o b o l d ”四叶片水轮机性能最好，考虑 到整个结构的应力特性和成本，最终采用三叶片方式。叶片定倾角固定方式使 转子结构简化，但效率降低，平均获能效率约2 3 。试验和海试时，水轮机转子 轴上扭矩是重点监测数据之一，非接触式同轴扭矩传感器和信号自动采集系统 监测记录转子轴上实时扭矩和转速信号。如图1 7 所示。目前，p o n t ed i a r c h i m e d e 公司正与中国、菲律宾、印度尼西亚开展合作关系，共同开发这些国家潮流能 丰富的海域和水道口j 。 在结构上类似于“i 【0 b o l d ”的另一种水轮机g o f l o vh e l i c a lt u r b i a e ( o n t ) ， 由美国g c k 公司设计，转子直径l m ，长2 m ，如图1 8 所示。叶片呈螺旋状，起 转流速0 5 m s ，工作对叶片线速度约为水流速度的2 倍，在15 w s 流速下额定发电 功率1 5 k w ，平均获能效率3 3 1 2 a 捌。这种转子的转动方向由安装方式决定与流 向无关，适用于流向多变的水况下，竖轴或水平轴安装方式，柔性强。但叶片 形状复杂，最佳尺寸参数难以选取，且叶片表面加工工艺要求较高。 镕m 能驱自白勺| 性叶片水轮机术动力性能试验研究 瞄眦 吣一 瑚漉能驱动的秉性w 片水转机水动力性能试验究 翼受力分析中，升力系数和阻力系数与攻角有关，一般从经验中获得。 单个周期的长短对“s t i n g r a y ”性能影响很大，增加摆臂的长度，可以使旋 转中心受到的扭矩增大，但也引起整个摆动装置惯性增加，不一定能缩短循环 周期1 2 2 , 2 3 1 。“s t i n 毋a y ”发电功率的大小由多个参数共同决定，这就需要一个复 杂的监控系统，这种监控系统的设计制作太大提高了电力成本。目前e n g i n e e r i n g b u s i n e s s 公司正从技术上缩短“s t i n g r a y ”的循环周期，寻找一个周期内的是佳控 制路径，并在实际操作中论证“s t i n g r a y ”的可商业化。他们计划下一步设计第 二代5 0 0 k w “s t i n g r a y ”发电装置，该装置装有3 个水翼，单个水翼展长2 77 ， 弦长1 7 7 m ，如图1 1 1 所示，工作时水翼由原来绕定点摆动变为上下震荡，单个 循环周期2 0 s ，预计第二代“s t i n g r a y ”规模化后电力成本降低为原来的1 3 t 巩删。 图1 1 0 上下振荡发电装置s t i n g r a y 图l u 第二代s t i n g r a y 发电装置的安装固定也是潮流发电关键技术之一，主要方式有重力基、海 底打桩( 包括单立柱和双立柱型) 和锚泊式，在水深小于4 0 m 的情况下一般采用 重力基型和单立柱型，水深大- 于4 0 m 时采用双立柱型和锚泊式1 3 1 i 。这些安装固定 方式中，重力基型硕大笨重，运输困难；海底打桩和锚泊式涉及到深水作业， 安装回收成本高。 目前出现了一种新的安装固定装置，由英国r o b e r tg o r d e n 大学设计的“s e a s n a i l ”，利用水翼在流场中的升力效应，这种向下的升力使装有四个锯齿状脚 座的“s e a s n a i l ”紧贴于海底，不会滑动或翻转，较好地克服了其他固定方式的 缺点，应用前景较好闻。 1 3 3 国内潮流能发电技术现状和进展 我国潮流发电研究始于2 0 世纪7 0 年代末，发电试验最早是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，通过渡压传动装置带动发电机 在舟山群岛西候门潮流流速3 m s 条件下，发出了5 7 k w 的电力田i 。后来我国在 舟山海域进行了8 k w 潮流发电机组原理性试验。因国际国内同时起步，我国在 潮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 潮流能驱动的黍性叶片水轮机水动力性能试验研究 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 ，距离潮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。 2 0 0 2 年4 月，我国首座7 0 k w 潮流试验电站“万向i ”建成并通过专家鉴定验 收。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 6 4 0 m 拈，抗风能力1 0 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 相关的保护功能口】。专家认为，哈尔滨工程大学在直叶摆线式水轮机研究和潮 流电站总体技术方面达到了同期国际先进水平。但该电站也存在实用化问题， 首先从反馈回来的信息看，该系统长时间运行还存在问题，某些设计在工程方 面还有待改进；其次，该系统通过水轮机带动液压马达，由液压马达输出恒定 转速然后带动同步电机发电阻保持发电频率和电压稳定，这样做虽然具有调 速范围宽，增速比易于控制、体积小、重量轻的优点，但液压传动使增速器的 传动效率降低，同时执行需要步进电机来实现，系统自动调节缓慢，而且潮流 能利用率低，液压马达的造价较高，系统可靠性也不高，不利于潮流发电系统 的推广应用。 东北师范大学目前正在研制一种l k w 水下悬浮式水平轴潮流能发电装置。 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，装置粟用软轴，将 水平轴水轮机与垂直安放的发电机连接，使水轮机组正对水流方向。其研制获 得国家科技部“十一五”8 6 3 探索类项目支持删。 继“万向i ”、“万向i i ”之后，哈尔滨工程大学和意大利p o n t cd i a 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 直轴潮流发电装置。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p 6 】。 随着潮流能技术的发展，我国在轴流式水轮机 方面的研究不断增多。如目前浙江大学研制的5 k w 水平轴潮流能水轮机，转子旋转直径2 m 如图1 1 2 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【3 7 1 。图1 1 2 浙江大学研制的水下风车 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 综上可见，当前国内外潮流能发电装置均采用刚性叶片，对工作流速要求 高，空蚀现象严重，且锋利的边缘容易对鱼类等海洋生物造成伤害。从目前潮 流发电技术的趋势看，发电设备应趋向于获能效率高、结构简单、成本低廉、 施工方便、维修容易，这样潮流发电技术才能更具生命力。 1 4 柔性叶片水轮机简介 本文所研究的柔性叶片水轮机对工作流速要求低，获能能力和自起转能力 强，空蚀现象不明显，具有很多刚性叶片所不具有的优点。更具工程开发意义 的特点是，柔性叶片水轮机转子转向只与叶片的安装方式有关，而不受水流流 向控制，因此可广泛应用于流向多变的工况下【3 8 埘】。 在流体作用下，柔性叶片不断发生形位变换，自适应流体呈现翼形结构， 承受阻力的同时可充分利用流体的升力效应做功，阻力效应和升力效应是彼消 此长相互更替的关系，在相互转化过程中共同充当水轮机旋转的动力，高效提 取流体能。 柔性叶片采用三角形结构，具有两种固定方式：固定两等腰边、固定底边 及对应顶点，前者称为柔兜式柔性叶片，后者称为帆翼式柔性叶片，分别如图 1 1 3 、1 1 4 所示，由于叶片固定方式的不同，由此构成的柔兜式柔性叶片水轮机 和帆翼式柔性叶片水轮机水动力性能差别较大，后面将进行性能比较。 亨一边长鑫一弧长 图1 1 3 柔兜式柔性叶片图1 1 4 帆翼式柔性叶片 1 5 本文的工作内容 水轮机性能研究在潮流发电系统设计过程中至关重要，获能系数作为主要 水动力性能参数，是评价一种结构形式水轮机性能优劣的最重要指标之一f 2 l ，4 4 j 。 以柔性叶片水轮机获能系数c 口为研究目标，以量纲分析理论为指导，找到了可 能影响柔性叶片水轮机性能的诸因素，以水槽模型试验为基础，分析了这些因 素对柔性叶片水轮机水动力性能的影响规律，提出了结构优化方案；而后设计 了5 k w 柔性叶片水轮机中试样机；对比模型试验数据和海试数据，分析了一定结 构形式的水轮机转子在不同流速和转速下的最佳工作状态。具体主要完成了以 1 0 潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究 下几方面的工作。 ( 1 ) 柔性叶片水轮机工作原理理论分析：从理论上分析了柔性叶片的工作 过程、叶片的运动和水轮机的受力，建立了描述叶片位置、形态、受力和获能 能力的数学模型； ( 2 ) 水槽模型试验设计：应用量纲分析理论找到了影响柔性叶片水轮机性 能的诸因素，柔兜式水轮机性能影响因素包括尖速比、雷诺数、叶片密度、兜 度和淹没度；帆翼式水轮机性能影响因素包括尖速比、雷诺数、叶片密度、边弧 比、弧弦比和淹没度。以此为依据设计了不同结构形式的多个试验模型，确定了 试验设备和仪器，制定了完备的试验过程，解决了扭矩、转速、流速等试验数 据采集过程中的多个难题，保证了模型试验的顺利进行； ( 3 ) 试验数据处理：对试验所得的数据进行了初步处理和分析。通过变淹 没度试验，得出两种叶片固定方式的水轮机最佳淹没度；分析了兜度、叶片密 度、弧弦比、边弧比对水轮机获能能力的影响；考察了安装方式对水轮机性能 的影响，通过刚性叶片水轮机试验初步验证了柔性叶片水轮机的水动力特性； ( 4 ) 柔性叶片水轮机水动力性能研究：论证了柔性叶片水轮机的水动力特 性，比较了两种叶片固定方式的水轮机的获能能力和发电能力，对性能优越的 帆翼式水轮机性能影响因子、作用规律进行了分析讨论，在此基础上提出了结 构优化方案。面对工程应用时水轮机安装方式进行了分析和优化，面对不同情 况提出了较好的安装和结构方案； ( 5 ) 中试样机的研制：讨论5 种结构方案，最终确定双浮体升降式结构。 重点讲述了柔性叶片水轮机的设计过程，简单介绍了载体设计和样机的输变电 及试验数据检测系统； ( 6 ) 样机海试：分析了海试过程中获得的数据，与水槽试验结果进行对比， 趋势一致，数值差距小，且对不同流速环境提出转速控制方案，为潮流能开发 工程化应用阶段保持高效获能状态提供思路。 潮流能驱动| 性叶片水# 机m 自力性能试验研究 2 柔性叶片水轮机水动力性能理论分析 2 1 柔性叶片水轮机的结构 柔性叶片水轮机的主要工作部件包括转轴、垂直主轴截面为正多边形的叶 片固定支架、支架相邻面上间隔交错布置的柔性叶片、辅助支撑以及必要的联 接机构和传动机构等。其中，叶片的作用是吸收潮流动能。在水流的冲击下， 叶片旋转，并通过转轴带动发电机转动，将潮流动能转换为电能输出，它是实 现潮流能转换和发电的最重要的水动力构件。 转轴又称为水轮机的主轴，其主要作用是用来传动，即将叶片的转动通过 一定的传动机构传递给发电机，并最终带动发电机发电， 叶片固定支架也是水轮机转子的支撑骨架，一般采用桁架结构，保证较高 结构强度的同时减小水轮机重量方便运输和安装。支架包括两端的放射状多 边形轮辐和叶片固定杆，连接各固定杆中心可构成正多边形。叶片固定支架是 柔性叶片水轮机的主要组成部分。 根据叶片在水轮机转子支架上的固定方式不同可以将柔性叶片水轮机分 为柔兜式和帆翼式两种。叶片均采用三角形结构，有全叶片和半叶片，目的是 为了叶片交错布置而不相互遮挡。为提高永轮机受力均衡性，全叶片采用等腰 三角形，半叶片为沿全叶片底边对应高线分割后的部分，成对使用且