导流罩结构参数对横轴水轮机性能的影响研究

兰雅梅，张婷婷，王世明，饶 勇，刘 爽

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

海流能作为一种新型的可再生清洁能源，其开发与利用倍受关注。水轮机作为海流发电的主要部件，按照结构可以分为垂直轴、水平轴、横轴水轮机。为提高海流能水轮机发电效率，通常采用的方法是在水轮机叶轮外围加装导流聚能装置，即导流罩。国内外研究人员采用不同的模拟方法，对加装导流罩后的水轮机动力性能进行了研究。张亮、Wang、Setoguchi等学者[1-3]研究了对称式导流罩各个参数对增速性能的影响；Ponta等[4]提出了一款尾部扩张形式的导流罩，并通过实验方法对垂直轴发电装置水动力性能进行了分析；Alidadi等[5]对应用于垂直轴水轮机的导流罩外形进行了优化，并通过实验进行验证；Malipeddi、Cosoiu、Gaden等[6-8]通过开发的导流罩适当地引导垂直轴水轮机上下游的流量，增加功率转换，比较了不同参数下的水动特性变化规律。张欢、程帅兵等[9-10]对比分析垂直轴水轮机在有无导流罩情况下，流线分布特征、流量分布特性、以及水轮机所受驱动力矩脉动和转速脉动特性。Fleming等[11]基于雷诺平均的N-S方程，分析了双向导流罩对水轮机能量利用率的影响，并与无导流罩情况进行对比。Song等[12]基于Fluent研究发现，导流罩弯度F和攻角α可以显著提高功率和轴向力水平，并影响功率系数曲线的变化。

导流罩内流场及结构参数研究对水轮机获能过程以及水动力性能分析具有重要意义，但是目前国内外的系统研究为数不多，尤其应用于横轴水轮机的研究鲜有报道。2011年～2016年，上海海洋大学海洋能研究团队在海洋可再生能源专项资金资助下，进行了横轴水轮机发电装置的系列研究[13-15]。本文基于此横轴水轮机，通过数值模拟方法对比分析其在有无导流罩情况下的水动力性能，验证了导流装置在提高能量利用率方面的效果，此研究将为后期水轮机及导流罩的设计优化提供一定的理论基础。

1 结构模型及参数方案

1.1 横轴水轮机

横轴水轮机的三维模型如图1所示，其中标号1为水轮机主轴，2为法兰片，3为叶片翼型。其工作原理为，通过水流作用于叶片上的推力和升力，推动水轮机转动，然后通过水轮机主轴带动发电机发电。横轴水轮机叶片采用弦长为0.1 m的NACA663-018翼型，叶片数n为5。水轮机直径d为0.64 m，展向长度h为1 m，旋转直径D为0.9 m。

图1 水轮机模型示意

1.2 导流罩

参考常用的设计方案，本文设计的流线型导流罩内壁由收缩段，水平段和扩散段三部分构成。收缩段为光滑的弧形曲面，可减少偏向来流造成的流动分离；收缩段的弧形曲面会一直过渡到水平段，之后的一段区域为直线型平面，保证该区域水流均匀稳定；导流罩尾部，采用向外扩张的弧形曲面，可在其附近形成低压区，前后压差产生的抽吸效果使通过水轮机的水流流速增加，从而增加水轮机的获能率。导流罩结构如图2所示，其中，L1为导流罩水平段长度，L2为总长度，D1为入口间距，D2为水平段间距(简称为导流罩间距)，D3为出口间距；a为入口角度，b为出口角度。

图2 流线型导流罩结构模型及参数

当导流罩中不放置水轮机时，导流罩内的流速一般大于来流流速。但当导流罩中放置水轮机后，可以预测，若水轮机与导流罩的间距太小，对水流的阻力太大，水流也可能绕过导流罩从周围流走，反而使导流罩内流速减小，因此导流罩对水轮机的影响作用需进一步系统研究。现选取导流罩入口角度a(因素A)、出口角度b(因素B)、导流罩间距与水轮机旋转直径之比，即D2/D(因素C)为影响水轮机动力性能的主要因素。对上述每一个影响因素取4水平，制定了16组正交设计方案。具体因素水平见表1，16个数值模拟方案见表2。

表1 因素水平表(3因素4水平)

表2 正交设计方案

2 计算模型

本文基于雷诺平均的N-S方程，采用二维CFD方法对问题进行分析，湍流模型选用RNGk-ε模型。采用邻近修正PISO算法求解压强-速度耦合，加快收敛速度，节省运算量。对流项采用二阶迎风格式。壁面附近采用标准壁面函数方法处理。

计算区域左边设定为速度入口边界条件，来流速度为1.5 m/s，叶轮旋转角速度ω=11.5 rad/s，右边设定为压力出口边界，上下为对称边界，导流罩以及叶片为固壁边界条件，旋转域的转速根据轮机转速设定，且与外部静止域的交界为滑移边界。计算域由外部静止域和内部旋转域组成，叶片包裹于旋转域内，内部旋转域直径D=1.4 d，计算域前端取为5L2(L2为导流罩总长度)，后端取为10L2，上下距离取为10D1(D1为导流罩入口间距)，计算域尺寸如图3所示。为了保证计算的精确性，在叶片、导流罩、滑移壁面处的网格均需进行加密，通过对不同网格数量和计算流体域尺寸进行无关性校验后，最终生成导流罩与水轮机计算网格，加密后水轮机附近的网格如图4所示。

图3 整体计算区域

图4 水轮机网格

3 单独导流罩流场结果分析

在讨论加装导流罩横轴水轮机的水动力特性之前，先对无水轮机情况下导流罩的增速特性进行计算分析，并据此得出导流罩中水轮机所处的横向位置。图5分别给出了方案9(入口角度a=26°、出口角度b=16°、D2/D=1.6)和流速1.5 m/s情况下，导流罩的速度与压力分布云图。

图5 导流罩的流场云图(方案9)

由速度云图可看出：导流罩的水平段处流速值最大，处于主流区，该区域最大流速为来流流速的1.9倍。由压力云图可看出：由于导流罩头部尖端处对水流的阻挡作用，该区域水流速度相对较小，静压值较大，当进入导流罩内部时，静压值逐渐减小，出现负压，当到达导流罩水平段中心位置时，静压值急剧减小，负压继续增大，引起较大压差，产生强烈抽吸作用，从而使更多的流体进入导流罩内，达到增加流体速度的目的。因此，将水轮机安放在导流罩的水平段中心位置，可获得较高的速度，从而提高能量利用率。

4 加装导流罩水轮机的水动力性能

为了讨论加装导流罩后，导流罩对水轮机性能的影响，表3给出前文所述工况下(见表2)水轮机的力矩系数Cm、能量利用率Cp。查阅参考文献[14]，其他条件相同下，未加装导流罩的水轮机Cp为34.6%，与表3中数据对比发现，本研究参数下，加装导流罩后的Cp可增加25%～68%，该线型导流罩聚能作用非常明显。由表3可知，方案12获得的能量利用率最大，Cp=0.581。

表3 水轮机水动性能参数模拟值

为排除随机因素，明确各结构参数的主次顺序，需要对表3中的数据作极差分析。极差分析结果如表4所示，其中Ki为相应水平i的试验结果之和，Kimean为相应水平i的试验结果的平均值，R为极差。由表4可知，RB>RC>RA，因此导流罩结构参数对水轮机能量利用率Cp的影响顺序为：出口角度>导流罩间距>入口角度。

为进一步得到能量利用率Cp随各因素的变化规律，由表4数据绘制图6，横坐标为各因素对应的水平，纵坐标为为相应水平i的试验结果的平均值Kimean，也可理解为该水平下Cp的平均值。结合表4及图6可得：

图6 Cp与3个因素相应水平的关系

表4 以Cp为指标的极差结果分析

(1)因素A。Cp随入口角度a的变化并不明显，且Cp随着a的增加有微小的下降趋势，从a=22°时的0.523减小到a=28°时的0.513，降幅为2%，总体上降幅很小。本研究中，可取a=22°。

(2)因素B。Cp随着出口角度b的增加明显增加，Cp从b=16°时的0.472增加到b=22°时的0.563，增幅为19%。本研究中，当出口角度b=22°

时，水轮机能量利用率最高。

(3)因素C。能量利用率Cp随着导流罩间距D2与的增加先增加后减小。因此，在一定范围内，增加D2可有效地提高Cp，Cp存在一最大值，之后随着D2的继续增加，Cp不断减小。本研究中，当D2=1.3 m(D2/D=1.4)时，Cp最大。

综上所述，对于本研究的横轴水轮机，当a=22°，b=22°，D2/D=1.4时，将获得最为理想的Cp。

5 结 论

本文采用数值模拟的方法对5叶片横轴水轮机在有无导流罩的情况下水动力性能及能量利用率进行了分析，结果表明加装导流罩能够增加来流速度，并且导流罩结构参数会对水轮机的水动力性能造成一定的影响。主要结论如下：

(1)导流罩在一定程度上增大了来流的速度，水平段中心处速度可增大至原来的2倍左右，为水轮机放置的最佳位置提供了理论依据，将水轮机安放在此，可获得较高的速度，从而提高能量利用率。

(2)比较有、无导流罩情况下的横轴水轮机的模拟结果发现，叶轮外围加装导流罩，可增加水轮机能量利用率25%～68%，验证了该线型导流罩聚能作用非常明显。

(3)横轴水轮机能量利用率影响的大小依次为：导流罩出口角度、间距、入口角度。在一定范围内增加出口角度可有效提高能量利用率；当导流罩间距为1.4倍水轮机旋转直径时，其能量利用率达到最大；入口角度对能量利用率影响较小。