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潮流能水轮机在浪流共同作用下的性能试验探究

2020-07-03 303 上传者：管理员

摘要：浪流共存环境中的潮流能水轮机性能研究旨在为准确地估计潮流能发电装置的生存性及获能效率等重要指标提供依据。论文基于模型试验的方法,采用发电功率为1kW的水平轴水轮机模型,在不同叶尖浸没水深条件下,研究规则波以及极限波作用下的水轮机特性,揭示其功率与载荷的变化规律。研究结果可为潮流电站设计提供依据以及为数值方法的有效性验证提供数据。

关键词：
模型试验
水平轴水轮机
水能机械
浪流共存
潮流电站设计
潮流能
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引言

近年来,海洋可再生能源开发利用受到了高度重视。包括潮流能在内的海洋能开发利用,不仅有利于发展海洋经济、降低排放并改善海洋环境,而且对管控和建设远离大陆的海岛(500m2以上的6500多个海岛)有重大的战略意义。我国东海、南海岛屿分布广、离岸远,若从大陆长距离海上输送电能则不现实;若把煤炭或油气远距离运送到海岛上再发电,对于东海、南海的岛屿则耗费巨大;而利用潮流能来满足海岛建设的能源需求则是最好的选择之一。

潮流的流速和流向是周期性变化的,受岸线、海底山脉和自由面的影响,潮流中伴随大尺度的旋涡和小尺度的湍流,流速和流向均不稳定。波浪是水体重力与惯性力的动态平衡,利用波浪可以发电,但是波浪对潮流能装置的能量捕获是有影响的。英国的EPSRC[1]报告指出:浪流共存环境中的海洋能装置的水动力性能已被认为是一个很重要问题;如果对此没有很好的认知,就不能较准确地估计装置的生存性、获能效率等重要指标。在一般的海洋工程中,潮流和波浪通常被假定为同向或反向传播,并认为二者是线性叠加,使该问题的复杂性得到简化。但在真实海洋环境中,潮流与波浪共存,二者的方向可能是各种组合并随时间变化的;波浪较大时,其特性会由于潮流的存在而改变,这种改变是不能用线性叠加的原理来描述的,需要考虑非线性的相互作用。考虑到流和浪主要是用来估算结构的载荷与运动,以助于结构设计,因而通常用安全系数(即保守的方式)来弥补理论可能导致的误差。然而,对潮流能发电装置,则需要兼顾二者并实现尽可能大的能量捕获效率和长期可靠的发电。

近年来,对于波浪中的潮流能水轮机装置的性能已经开展了一些理论和模型试验研究,但是由于叶轮参数和波浪参数组合工况复杂,现有理论方法的结果与模型试验的有效性有待改善和验证。

潮流能水轮机水动力试验研究分为无波浪和有波浪两个阶段。

第一,不考虑波浪的影响。2007年,Bahaj等[2,3,4,5]在不同翼型、桨距角以及叶轮偏角条件下,研究了水轮机性能、叶片空化以及双转子干扰问题,并通过模型试验对叶轮的动量理论结果进行了验证。2006年,Coiro[6]等在拖曳水池中对S805翼型的水翼进行了测试;水轮机直径0.8m,水轮机轴浸没水深为在自由面下1.3m;拖车速度范围为1.3~3.5m/s,桨距角范围从-4o~4o。2006年,Batten[7]等研究了翼型、扭角、锥度、叶片偏角对功率系数及空化数的影响。2010年Maganga[8]等,针对来流湍流度从8%~25%,偏航角从-10o~20o,自由面以下水轮机轴水深为0.94D、1.37D和2.04D(D为叶轮直径)等条件下,在一个封闭的循环水槽中对3叶片水轮机进行实验研究。实验揭示了来流有较高湍流度时,效率与阻力系数下降约9%;在较大偏航角时,水轮机性能明显下降;深度的变化引起性能的变化不大。

第二,考虑波浪的影响。早在2007年,Barltrop等[9]研究了浪对潮流能水轮机性能的影响;在拖曳水池中,对3叶片水平轴水轮机进行测试,叶轮半径0.16m、翼型S814、最大弦长66.5mm,雷诺数范围1.4×104~4.0×104(取0.7叶轮半径上相对速度),测得水轮机在一个规则波范围内的转矩与阻力的平均值。研究结果表明:在一个波浪周期范围内,测得各个参数平均值与无波情况下无差别,但是阻力与扭矩瞬时值变化明显,这对全尺度水轮机疲劳及寿命有显著影响。2010年,Gallway[10]等也在水池中对三叶片水平轴水轮机进行了相似的模型试验,其叶轮直径0.5m、波为规则深水波(波长/水深≤0.4);与Barltrop研究结果类似:阻力瞬时变化量约为37%,转矩变化量约为35%,这意味着水轮机叶片上的变化载荷将明显加速水轮机的疲劳,这对全尺度潮流能水轮机的设计提出挑战。近年来,进行类似的波浪中水轮机的水动力试验者还有Benoit[11]、Pascal[12]、Henriques[13]和Luksa[14]。另外,Ethan[15在拖曳水池中对两叶片、水平轴水轮机进行了模型试验(有波和无波),模型直径800mm、轴浸深1.3D和2.25D,测试阻力、扭矩及转速。试验表明:两种浸深的测试结果基本无变化,有波浪时的推力及功率发生周期性变化,变化频率与波频率一致;在不同转速和波浪组合下,试验值功率波动达39%、阻力波动高达79%,这是特别需要关注的现象。2013年,哈尔滨工程大学设计研制了“海能I”150kW漂浮式垂直轴潮流能试验电站、“海能II”200kW漂浮式水平轴潮流能电站以及“海能III”600kW漂浮式垂直轴潮流能电站(如图1所示)。它们海上实际运行的经验表明:波浪会对水轮机功率特性和带水轮机的浮体运动产生明显的影响。

图1潮流能发电装置

本文的研究进行了发电功率为1kW的水平轴潮流能水轮性能的试验工作。目的是得到潮流能水平轴叶轮的水动力功率特性及波浪对叶轮水动力性能的影响等,为叶轮的设计等及水平轴叶轮CFD有效性验证提供试验数据。

1、水轮机性能试验

水轮机叶轮是潮流发电装置中实现能量转换的核心部件。潮流的动能通过叶轮的转动转换为旋转机械能,再由发电机将旋转机械能转换为电能。水轮机叶轮转换潮流动能的比例(能量利用率)直接影响发电系统的效率。通过模型试验来获得水轮机叶轮的功率及水动力特性是很有必要的。

本研究试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行,进行了发电功率为1kW的水平轴潮流能水轮性能的试验工作。试验的主要目的是得到潮流能水平轴叶轮的水动力功率特性、载荷特性以及波浪对叶轮水动力性能的影响,为叶轮的设计、安装及水平轴叶轮CFD有效性验证提供试验数据。

试验在船模拖曳水池中进行时,通过拖车航速来模拟潮流的流速。利用拖曳水池一端的造波机造波。把水平轴水轮机通过一根伸向水中的立柱固定在拖车平台上(见图2),叶轮完全浸没在水中。叶片在水流的推动下绕叶轮旋转主轴旋转,主轴直接与交流发电机同轴连接,带动发电机发电,从而将流体动能转换为电能,试验原理图如图3所示。发电机的输出信号为交流信号,因此在输入给负载(变阻器)与控制系统之前,需要经整流器将交流信号变成直流信号。控制系统对信号进行实时监测,通过调节负载(电阻)来控制电流,进而改变发电机的反磁力矩,达到控制叶轮转速的目的。功率信号通过控制系统传输到数据采集器,数据采集器与计算机相连,在计算机中读取电流与电压数据,经换算可得到系统的输出功率。

图2模型与拖车平台装置固定示意图

图3试验测试原理图

2、试验装置与测试方法

2.1试验设备及装置

试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池(如图4所示)实验室中完成。船模水池长108m、宽7m、深3.5m。三维造波机的造波周期0.4~4s,规则波波高最大值0.4m,不规则波有义波高最大值0.32m。

图4船模拖曳水池

水轮机试验模型的主要参数见表1,叶轮直径为0.7m,叶片数为2。叶片设计以国家海洋可再生能源专项“海能II”为依据,并基于简化风车理论和Glauert涡流理论,得到叶片各个截面的弦长及扭转角(即弦长和扭转角随展长的分布)。水轮机模型试验如图5所示。

表1水轮机主要参数

图51kW水轮机模型试验

试验的主要内容是考察波浪对水轮机性能的影响。拖车速度为1.5m/s,分别对水轮机轴的两个安装水深H(0.5m和0.9m)的工况进行试验。首先,进行静水试验,测量没有波浪作用下在1.5m/s流速时水轮机的功率特性(能量利用率Cp值)和载荷特性。然后,对于两个安装水深工况进行波浪试验,取规则波有义波高为0.09m,极限波有义波高为0.18m,测量水轮机在此条件下分别的功率特性(Cp值)和载荷特性;将波浪试验结果与静水试验结果进行分析比较。功率特性是衡量水轮机捕获潮流能量能力的指标;而载荷特性是水轮机结构设计的关键依据。水轮机的水动力载荷主要包括水轮机的侧向载荷和轴向载荷,而水平轴水轮机的侧向载荷相比流向载荷为非常小,因此本文中只讨论水轮机的轴向载荷。

测试前,先通过拖车升降机构调节好模型浸没深度;测试时,拖车每航行一次,测试一个数据点。需特别注意,拖车运动中模型水平是否保持平稳,以及持续测试时间是否足够长。具体测试流程如图6所示。

图6试验流程框图

2.2功率和效率测量

测量潮流能水轮机功率与效率有两种方法:第一种方法为测量水轮机系统中发电机的输出功率(电功率);第二种方法为测量水轮机叶轮旋转主轴的扭矩与转速,从而获得主轴输出功率[16]。

本试验的水轮机叶轮模型直径D为0.7m,而轮毂(机舱)的直径为0.1D(0.07m),轮毂内没有足够的空间容纳主轴扭矩测量设备。为此采用第一种测量电功率的测量方法,测量水轮机系统中发电机的输出功率。

本测量方法(即第一种方法)的具体测量步序如下:

(1)首先进行发电机输出功率测量Pd

公式1

式中,u(t)为发电机直接输出的瞬时电压值,V;i(t)为发电机直接输出的瞬时电流值,A;t为时间变量,s;T为累积采样时间,s;计算得到的Pd的单位为W。

为了使电压与电流信号能被单片机系统所接收,需要对信号进行采样,电功率的离散量表示的表达式为

公式2

式中,Δt为采样间隔时间,s;N为采样总次数;uk为瞬时电压的采样值,V;ik为瞬时电流的采样值,A。

(2)进行水流功率的计算

水流功率Pl的计算表达式如式(3):

公式3

式中,v(t)为水流的瞬时速度,m/s;ρ为水的密度,kg/m3;N为采样总次数;A为叶轮迎流面积,m2;计算得到的Pl的单位为W。

同样,水流功率的离散量表达式为

公式4

式中,vk为瞬时流速的采样值,m/s。

模型试验时,来流速度即为拖车航速V0,m/s,其为恒定不变的均值。因此式(4)可变为

(3)定义能量利用率及进行计算

主轴功率Pj与流功率Pl的比值即为水轮机能量利用率Cp:

公式5

发电机输入功率Ps与输出功率Pd的比值即为发电机的效率ηd:

公式6

则潮流能装置总效率可表示为

公式7

公式8

由于模型试验的水轮机与发电机之间采用同轴连接,无其他传动部件,不需要考虑传动部件的效率,认为发电机的效率为1,水轮机的主轴功率即为发电机的输入功率。

试验采用电功率测量方法。水轮机能量利用率Cp可由式(9)得到:

公式9

式中,N为采样总次数;uk为瞬时电压的采样值,V;ik为瞬时电流的采样值,A。

2.3流载荷测量方法

水平轴水轮机所受的流载荷测量是通过测量电阻应变片的应变来实现。这是一种将应变转换成电信号进行测量的方法,是目前在应力试验中技术最成熟、运用最广泛的方法之一。将电阻应变片贴于水轮机的支撑立柱上,当支撑立柱发生变形时,应变片随之一起产生变形,使得应变片的电阻值发生改变,电阻应变仪通过变化的电阻值得到相应的应变值,经过换算得到作用在支撑立柱上的载荷[9]。

应变片分布位置如图7所示,共贴了4片应变片,分成两组,其中1、3为一组,2、4为一组,两组应变片相互正交。

图7应变片粘贴方法

图7应变片粘贴方法下载原图

在试验过程中,测量各应变片的应变值,其分别为ε1、ε2、ε3、ε4。

由应变片1、3可得第一组应变片的平均应变值:

公式10

由应变片2、4可得第二组应变片的平均应变值:

公式11

由于水平轴水轮机的流向载荷远大于垂直于流向的载荷,因此主要研究流向载荷的载荷特性。试验中水轮机流向载荷及流向载荷系数分别由式(12)、式(13)给出:

公式12

式中,E为弹性模量,d为主轴直径,L为主轴长度。

公式13

式中,V0为拖车速度,m/s;A为叶轮迎流面积,m2;Fz为水轮机流向载荷,N;Cz为水轮机流向载荷系数。

3、试验数据分析

3.1功率特性分析

对水轮机在波浪环境下的性能进行了试验研究。试验时的波浪分为两种,规则波和不规则波。波浪对水轮机性能的影响还与浸没水深相关。因此分别在浸没水深为0.5m和0.9m时,测量水轮机在不同波浪条件下的水动力性能。不同波浪条件下,水轮机的能量利用率-速比λ的关系如图8所示。λ=RωV,其中ω为叶轮转速,R为叶轮半径,V为流速。试验环境参数:流速1.5m/s、规则波的波高0.09m、周期1.3s、极限波的波高0.18m、周期1.5s。

图8不同波浪条件下能量利用率与速比的关系

波浪作用下的测试结果为数个波浪周期的平均值。可以看出,当浸没水深为0.5m并且λ≥3.5时,有波浪时的水轮机的能量利用率CP值明显比无波浪时的CP值高,且极限波时的CP值又比规则波时的CP值高;当浸没水深为0.9m时,有波浪时的CP值与无波浪时的CP值相差很小。因为当浸没水深0.5m时,水轮机距水面较近,波浪对水轮机的CP值影响明显;而当浸没水深达到0.9m时,波浪对水轮机CP值的影响已经可以忽略不计。近水面时,波浪作用下的水轮机效率有比较明显的提高,这主要是因为水质点的波浪运动是周期性地向前推进运动,由于这种2阶运动的影响,使得水轮机工作时的实际水流速度要高于设定的拖车速度,因此能量利用率会变大。但随着深度的增加,波浪影响变小,效率提升变得越来越不明显。

3.2载荷特性分析

在图9中给出了两种浸没水深和不同波浪条件下的叶轮轴向载荷系数CZ的测试数据。试验环境参数:流速1.5m/s,规则波的波高0.09m、周期1.3s,极限波的波高0.18m、周期1.5s。

图9不同波浪条件下轴向载荷系数与速比的关系

由图9可以看出,随着速比的增加,轴向载荷系数逐渐增加。浸没水深0.5m时,有波浪时的轴向载荷系数CZ比无波浪时要大,且极限波工况下的轴向载荷比规则波时要略大一点。当浸没水深为0.9m时,有波浪时的轴向载荷比无波浪时的轴向载荷小,且极限波时的轴向载荷比规则波时的轴向载荷略小一点。这主要是由于浸没水深0.5m时,叶轮距水面较近,叶尖距水面最近距离才0.15m,影响水面兴波从而影响旋转叶轮的相对来流速度,对水轮机载荷产生严重影响;而当浸没水深0.9m时,叶轮距水面较远,对水面兴波影响较小,即能量耗散较小,从而波浪对水轮机载荷特性的影响减小。

4、结论

本文的研究中,采用试验方法研究浪流共同作用下潮流能水轮机的性能,得到以下一些认识:水轮机近水面工作时,波浪正对水轮机流过,因为水质点的波浪运动是周期性的向前推进运动,使得水轮机工作时的实际水流速度要高于设定的拖车速度,因此能量利用率会变大。随着水轮机浸没深度的增加,波浪影响变小,效率提升变得越来越不明显。在同一流速下,随着水轮机浸没深度的增加由波浪产生的轴向载荷增加量变小。这表明随着水轮机轴浸没水深H值的增加,水面波浪对水轮机的载荷特性影响逐渐变小。

参考文献：

[16]李志川.垂直轴潮流能水轮机水动力特性数值模拟与试验研究[D].哈尔滨工程大学,2011.

马伟佳,荆丰梅,王树齐,刘京.浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究[J].中国造船,2017,58(02):189-198.

基金:国家自然科学基金项目(No.51409057);国家博士点基金项目(20132304110009);黑龙江省自然基金项目(E2015048);哈尔滨市科技创新人才研究资金专项(RC2013QN008014);高等学校学科创新引智计划“111工程”(B07019)