潮流能发电增速导流罩研究

荆丰梅，张亮，张鹏远，肖立家

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2.大唐山东发电有限公司，山东青岛266061)

我国海岸线长、海岛众多(面积在500 m2以上的海岛有6 921个)，是我国重要的国土资源和海洋经济活动场所，但是多数岛屿存在无电或缺电的现状.随着国家可持续发展战略的实施，包括潮流能在内的海洋能将陆续被开发和利用，将对弥补能源短缺，缓解环境污染起到重要作用.我国沿海具有丰富的可再生潮流能资源，潮流电站将面对海岛和经济发达的沿海地区，有广阔的应用前景［1-4］.

由于潮流流速的大小随着太阳、月亮与地球三者之间的位置的不同而不停的变化，虽然其变化规律已知，但是潮流流速有很长一段时间处于较低水平，这样就直接导致了潮流水轮机发电功率较小以及可发电时间有限的问题.

目前潮流水轮机导流罩的研究尚处于起步阶段.阿根廷的ISEP小组提出在垂直轴水轮机加装导流罩方法［5］.此方法使转子附近水域的流速增大，在相同输出功率的情况下，转轴的尺寸变小，从而使传动装置的尺寸减小，进而降低成本.由于转动区域内流体速度的自我调节，使得水轮机对于控制系统的依赖性大大降低.Ponta等［6］对一个扩散器形状的水道进行研究发现，水道的形状改造可以提高能量输出以及对低流的聚能作用.刘斌等［7］应用非定常涡面元法对加装导流罩水轮机的水动力性能进行理论计算，并分析水动力机理，得出导流罩几何参数和安装位置对于轮机水动力性能的影响规律.孙科等［8］研究了带“后门”的垂直轴水轮机导流罩.

基于对垂直轴潮流水轮机导流罩研究的启发，本文采用数值计算(CFD)方法对一种新型水平轴潮流能发电水轮机增速导流罩进行研究，计算导流罩不同参数对其性能的影响，依据计算规律设计新型导流罩，并通过水池模型试验对计算结果进行验证.

1 增速导流罩设计

1.1 导流罩工作原理

增速导流罩的基本结构形式如图1所示，主要参数包括凸缘高度h、凸缘安装角度θ、导流罩扩张角φ和长度L，叶轮直径D，水流速度U，方向如图所示.其工作原理是在扩张角和后面凸缘的扰动下，导流罩后面会形成一个低压区［9］，低压区域会对导流罩内部流体产生一个抽吸作用，从而使更多的流体流入导流罩，进而起到使流体加速的作用.

图1 导流罩示意Fig.1 Diagram of the diffuser

1.2 CFD 数值模拟

基于FULENT软件，采用CFD方法［10-11］对影响导流罩性能的主要参数进行理论研究，在理论研究的基础上对增速导流罩进行设计.

模型为轴对称形，所以计算中可简化为二维模型以提高计算速度［12-14］.采用ICEM软件进行建模和网格划分，网格采用结构化网格.湍流模型选用SST，导流罩定义为无滑移壁面，入口速度分布模拟无穷远处来流速度，U∞=1.2 m/s，出口采用开敞边界条件.

计算中主要监测了导流罩内部流速沿流体流动方向和沿导流罩径向的变化，从而评测装置的加速性能.

图2、3给出了CFD计算的流场速度分布云图和压力分布云图，从图中可以清晰看出导流罩内部流场的速度明显高于外部流场，内部流场压力明显低于外部压力，说明该导流罩对流体起到加速作用.

图2 CFD计算速度分布云图Fig.2 Diagram of velocity distribution(CFD)

图3 CFD计算压力分布云图Fig.3 Diagram of pressure distribution(CFD)

1.3 数值计算结果分析

针对不同的影响参数分别进行计算研究发现，凸缘可以明显提高导流罩的加速性能.装置的加速性能随着凸缘高度h的增加而增加，但到达0.5D后，继续增加h对导流罩加速性没有影响，如图4所示.

凸缘安装角θ为另一个影响因素，其变化对导流罩加速性能影响不是很大，如图5所示.但是安装角对装置阻力的影响很大，所以在保证加速性能的前提下，加大安装角，可减小整个装置所受阻力.

图4 凸缘高度h对导流装置加速性能的影响Fig.4 Influence of h on accelerate performance of the diffuser

图5 凸缘安装角θ对导流装置加速性能的影响Fig.5 Influence ofθ on accelerate performance of the diffuser

如图6所示导流罩的扩张角φ也是影响加速性能的关键参数，扩张角达到4°时加速性能最好，继续增加扩张角会使加速性能下降.导流罩长度L对加速性能的影响规律为L越大，加速性能越好，如图7所示;但是装置越长，加工难度越大，成本越高，不利于工程应用，因而需要在保证经济性的前提下适当增加导流罩的长度.

图7 导流装置长度L对加速性能的影响Fig.7 Influence of L on accelerate performance of the diffuser

基于以上计算研究得出的结论设计水池试验模型，通过实验测量导流罩的实际效果，进而验证数值计算的准确性.

2 水平轴水轮机导流罩模型试验

2.1 试验设备

船模水池长108 m、宽7 m、深3.5 m，该水轮机直径D=0.7m，叶片数n=3;其他主要试验设备包括采集器、扭矩仪、负载电阻.导流罩模型的基本参数如表1所示.图8给出实验用导流罩模型及辅助结构，试验装置如图9所示.

表1 导流罩实验模型基本参数Table 1 Parameters of model of the diffuser

图8 导流罩模型及辅助结构示意Fig.8 Structure of diffuser and support elements

图9 吊装完毕准备测试的试验装置Fig.9 Experiment model for testing

2.2 试验步骤与方法

该试验分为2个步骤:1)测出水轮机不带导流罩时的功率特性曲线;2)测出加装导流罩后水轮机的功率特性曲线［15］.

试验过程中水轮机的功率转化为发电机功率，因而测量发电机的功率可间接得到水轮机的功率.可以通过测量发电机的电压与电流输出来得到发电机的功率，但是该方法得出发电机的功率并不很准确，所以试验过程中将扭矩测量仪安装在水轮机主轴上，通过测量主轴的转矩和转速可间接得出发电机的功率，测量结果较准确.

为了准确地采集试验数据信号并保证信号在时间上是同步的，试验中采用专业的数据采集软件——DHDAS数字信号采集分析系统.如10图所示，DHDAS系统将所要采集的数据分为2个通道:通道5-2显示转轴的转速，通道5-4显示转轴扭矩.

图10 数据采集系统Fig.10 Data collection system

2.3 试验结果及分析

分别测量流速U为1.0 m/s和1.2 m/s时水轮机功率，试验曲线如图11所示.

图11 试验测试曲线Fig.11 Experiment testing results

试验结果显示，导流罩使水轮机的发电功率明显得到提高.在流速为1.0 m/s时，无导流罩水轮机功率最大为53 W;加上导流罩后，同样流速下功率可以最大达到100 W，功率提高了近1倍.在流速为1.2 m/s时，无导流罩的水轮机功率最大为104W，加上导流罩后可以达到160W.因此，该导流罩对提高水轮机功率的作用是十分明显的.

试验过程中，记录有无导流罩时水轮机空载的启动流速.在未加导流罩时水轮机启动流速为0.65 m/s，加上导流罩以后启动流速降低到0.4 m/s，所以导流罩可以降低水轮机的启动流速，从而延长一个潮流周期内的发电时间.

导流罩的作用除了可以提高效率外，由于尾部的凸缘受力较大，还会起到自动控制偏角的作用，在来流不稳定时，这种作用是十分有意义的.导流罩还可以起到保护叶片的作用，使水轮机工作时更稳定.

3 结束语

通过对潮流发电增速导流罩的理论与试验研究，总结出导流罩主要参数包括凸缘高度h、凸缘安装角度θ、导流罩扩张角φ和长度L对加速性能的影响规律，从而设计出一种经济有效的新型导流装置，使水轮机的输出功率提高了近1倍.同时还降低了水轮机的启动流速，从而延长一个潮流周期内的发电时间，提高潮流能发电效率.

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