海上潮汐能发电装置的转轮空化监测系统开发

张云根

（1.福建水利电力职业技术学院，福建 三明366000；2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都610000）

0 引言

人类进入工业社会已经有上百年的历史，作为工业能源的煤炭、石油、天然气等化石燃料等不可再生资源日益枯竭，世界各国都发生了不同程度的能源危机。此外，化石燃料的使用会产生大量的废气、废渣，造成地球生态环境破坏，温室效应明显。正因为如此，开发风能、太阳能、潮汐能等可再生资源成为了当前各国的共同研究热点[1]。

海洋蕴含丰富的风能、潮汐能、波浪能等可再生资源，提高海上可再生资源的利用率有重要的意义。其中，潮汐是一种由于月球引力造成潮水周期性涨落现象，潮汐现象使大量海水具有了可观的动能和势能，这些能量具有环保、可再生等优势，合理的开发潮汐能有利于缓解世界范围内的能源短缺，有利于地球生态环境的保护。

本文研究的对象是水轮机式潮汐能发电装置，由于水轮机叶片受到海水的空化、空蚀作用，造成水轮机叶片结构和表面质量破坏，严重威胁水轮机的正常工作。因此，本文设计和研发了一种水轮机空化监测系统，并详细介绍了该监测系统的原理[2]。

1 水轮机叶片的空化效应研究

物体在液体中运动时受空化冲击后，物体表面会产生变形和材料剥蚀，表面材料的金属晶体结构被扭曲，发生失效。

水轮机的空化与空蚀现象是造成其失效的主要形式，图1为轮机叶片空化效应造成的表面材料破坏。

图1 轮机叶片空化效应造成的表面材料破坏图

由于轮机叶片在发电过程中与海水做相对运动，叶片表面的压强分布用压强系数表示，如式（1）：

式中，C0为叶片表面的压强分布系数，P为叶片表面压强（Pa），V0为叶片表面与海水的相对运动速度（m/s），ρl为海水密度（kg/m3），p0为叶片的初始参考压强（Pa）。

叶片表面最小压强系数如式（2）：

pmin为水轮机叶片表面的最小压强，当叶片表面的压强低于这个值时，叶片就会发生空化现象。假设此时参考压强为定值K，则叶片的空化数δ如式（3）：

2 基于噪声监测的潮汐能发电装置的水轮空化监测系统开发

2.1 潮汐能的特征参数

为了更好的研究潮汐能发电装置的工作原理，设计合理的空化监测系统，本文首先对潮汐能的特征参数进行了研究[3]。

首先沿x、y、z方向，建立潮汐海水的坐标系，然后建立海水的连续性数学模型如式（4）：

式中，ρl为海水的密度（kg/m3），Sx、Sy、Sz分别为沿x、y、z方向上海水的可流动面积大小（m2），v、u、w为潮汐海水沿三个轴的速度分量（m/s）。

潮汐中海水的势能为：

式中，λ为海水的波峰宽度（m），Hl为海水的波浪高度（m），f为潮汐的频率（Hz）。

潮汐的海水动能如式（6）：

式中，v、u、w分别为单位海水沿三个坐标轴的速度分量（m/s）。

潮汐能的能谱密度对水轮式发动机的发电功率有重要参考价值，能谱密度是指单位时间内单位水体具有的能量，能谱密度越高，单位水体发出的电量越大。能谱密度计算如式（7）：

式中，p0为潮汐中海水的动态压强（Pa），k为能谱密度常数。

2.2 潮汐能发电装置的水轮机模型参数设计

为了获取最大的发电功率，在设计水轮式潮汐能发电装置时需要综合考虑水轮机叶片的直径、额定功率、转速等参数，如下：

（1）水轮机叶片的直径

水轮机转轮的直径设计如式（8）：

式中，d为转轮直径（m）；P0为轮机的额定功率（W）；ηo为发电装置的发电效率；L0为轮机尾水管的直径（m）；Q0为海水在最高潮水位置的势能（J）。

水轮机的额定转速、额定效率η0如式（9）（10）：

式中，Np为水轮机功率（kW），H为水头（m），ηf为发电机的能量转化率，ηh为装配误差造成的能量转化率损耗，d为轮机叶轮的直径（m）。

2.3 基于噪声的潮汐能发电装置水轮空化监测系统流程

水轮机叶片的空化状态参数监测的实质是通过传感器等技术对水轮机叶片进行检测，掌握水轮机叶片受空化效应产生的损害程度，及早发现故障，并对水轮机叶片的使用寿命进行预测[4]。

由于水轮机叶片发生空化和空蚀现象后，在运行过程中会产生大量的噪声，通过检测这些噪声信号就可以有效的对水轮机运行状态进行监测。本文基于噪声信号监测的原理设计了水轮机空化状态的监测系统，该系统的工作流程如图2所示。

图2 基于噪声采集的水轮机空化现象监测流程

2.4 基于LabVIEW水轮机噪声数据处理与采集

噪声信号采集模块是监控系统的重点，本系统设计了一种基于LabVIEW软件平台的信号采集模块。LabVIEW软件平台是美国NI公司研发的一种虚拟仪器开发平台，对改善噪声监测系统的信号采集精度，提高可靠性有重要意义。

图3为基于LabVIEW软件平台开发的噪声信号采集模块程序。

图3 基于LabVIEW软件平台开发的噪声信号采集模块程序图

3 结论

水轮式潮汐能发电装置可以有效地将潮汐中的动能和势能转化为电能，有利于可持续发展。本文主要研究了水轮式潮汐能发电装置的转轮叶片，由于空化和空蚀效应导致转轮叶片发生材料侵蚀等现象。本文设计了一种基于噪声信号监测的水轮机空化监测系统，以监视水轮机空化和空蚀情况。