王世明, 吴帅桥, 田 卡, 白连平



一种涵道双向泵叶轮浪流发电装置的研究分析

王世明1, 吴帅桥1, 田 卡1, 白连平2

(1. 上海海洋大学工程学院, 上海201306; 2. 北京信息科技大学自动化学院, 北京 100192)

为解决海洋波浪能和潮流能耦合利用的问题, 提升浪流发电装置的发电效率, 上海海洋大学课题组设计了一种新型涵道双向泵叶轮浪流发电装置。主要对轴流泵的工作原理进行理论分析, 阐述将轴流泵排水原理应用于浪流发电装置捕获浪流能的可行性, 基于轴流泵叶片设计原理, 设计出一种可以双向捕获浪流能的叶片。经数据仿真和水槽实验进行验证, 得出涵道双向泵叶轮浪流发电装置可以在浪流流速=0.5 m/s工况下浪即可启动, 满足低流速启动要求, 发电效率最高为23.7%。

轴流泵; 浪流能; 海洋能; Fluent仿真; 真水槽实验

浪流能发电技术是近年来全球海洋可再生能源研究的热点问题, 是应对能源短缺的一个重要解决手段。海洋波浪能是一种分布广泛、清洁、可再生能源, 有很大的利用价值。目前国外波浪能发电技术已非常接近于应用化水平, 如英国的Peamis(海蛇)波浪能发电装置, 该装置已经基本实现商业运行。轮机式浪流发电装置因获能效率较高、可靠性较高, 现已成为国内外重点研究对象。水轮机一般分为竖直轴和水平轴, 竖直轴轮机发电效率高、无需换向, 但结构复杂、对主轴的强度要求较高, 限于材料的限制, 在潮流发电中竖直轴水轮机很少被选用[1-3]。水平轴轮机开发较为成熟, 现多用于潮流能发电, 但水平轴水轮机大多要经过复杂的换向机构才能高效地捕获海洋能, 因结构复杂维护成本也较高[4-6]。

基于现有竖直轴、水平轴轮机的优缺点, 上海海洋大学课题组设计一种涵道双向泵叶轮浪流发电装置, 其额定功率设计为40 W, 水轮机主要由叶轮、三相异步永磁电机、涵道3部分构成。浪流力推动叶片旋转, 旋转叶片将浪流的动能转换为机械能, 从而实现海洋潮流能和波浪能的捕获。叶轮采用轴流泵的原理进行设计, 可双向捕获潮流能和部分波浪能, 无需复杂的换向装置。本文对轴流泵排水理论进行分析, 阐述涵道双向泵叶轮浪流发电装置的理论基础; 基于轴流泵叶片设计方法, 对涵道双向泵叶轮浪流发电装置叶片参数进行设计; 运用Fluent软件对叶轮进行水动力分析, 对比分析水槽实验获得实验数据、仿真数据和理论数据。

1 涵道双向泵叶轮浪流发电装置理论分析

1.1 涵道双向泵叶轮浪流发电装置模型

涵道双向泵叶轮浪流发电装置结构图如图1。两部功率为20 W的永磁电机同轴对称放置, 面向涵道开口处由导流罩将电机密封, 另一端采用动密封, 且轴端伸出连接双向叶轮。叶轮采用轴流泵叶轮设计思路设计[7-8], 叶片安放角为42°, 水流方向上叶轮结构对称。将叶轮置于两永磁发电机中间, 与其发电机轴端相连接。用6个支撑板将两部发电机固定于涵道内。浪流可从涵道两端双向推动叶轮旋转, 叶轮旋转带动发电机输入轴旋转发电。从入水口看, 叶轮旋转方向始终为顺时针方向旋转, 旋转方向和有关。

1.2 理论分析

轴流泵是一种将机械能转换为水流的动能的装置, 其分类有离心泵、混流泵、轴流泵、漩涡泵。在轴流泵中, 水流进水与出水方向沿轴线方向, 即液体流出叶轮的方向平行于轴线。轴流泵的重要参数扬程(m)表示了轴流泵的推力, 其表达如式(1), 将浪流发电装置的出口静压力(Pa)、进口静压力(Pa)、出口液体的速度(m/s)、进口液体的速度(m/s)带入式(1)中, 得到浪流发电装置出口水流高度(m), 如式(2)。将式(2)带入式(3)中可理论计算出浪流发电装置的输出功率(kW)。

(2)

(5)

式中:为迎流面积(m2);为水流速()。

(7)

根据轴流泵叶片参数设计经验公式, 计算出浪流发电机叶片的主要参数, 叶轮直径、轮毂比、叶栅稠密度、叶片数、叶片翼型厚度。

以为基变量, 取=0.35 m,=2 s, 运用matlab数据分析软件, 计算出,, 见表1。

表1 理论计算数据

2 基于fluent流场仿真分析

2.1 控制方程

由于轮机在水中进行旋转运动, 水会出现紊动现象, 需要考虑湍流的影响, 采用模型, 如式(8)。流场的控制方程包括连续方程和动量方程, 可以表达成如下形式:

2.2 计算域网格划分

计算域设定为矩形, 由外部静止域和叶轮区域旋转域组成, 设定计算域左边为速度入口, 右边为压力出口。外部静止区域划分为矩形网格, 内部旋转区域加密处理, 整个技术区域网格划分如图2所示。

2.3 数据仿真结果分析

以为基变量,设为0.35 m,=2 s, 仿真数据结果见表2, 从数据可以看出,稳定在25.7 %左右; 在＞2 m/s工况下,会大幅降低。在运算过程中, 观察仿真流速图的动态变化, 可以看出在＜1.8 m/s工况下, 叶轮尾部水流的尾流场成规则的旋转状态, 在＞1.8 m/s工况下, 尾流场成不稳定的流动状态, 不规则的尾流场使得叶轮的综合受力发生变化, 叶轮转速的增量变小, 使得降低。仿真的数据结果低于理论计算的结果。

表2 仿真数据

3 水槽实验分析

3.1 水槽实验设计

实验场地选择国家海洋局东海标准计量中心水槽, 该水槽长度为200 m、宽度为5 m、水深为5 m, 行车行驶速度范围为0~4 m/s, 水槽可设定为0~ 0.5 m, 实验仪器有3169钳位功率计, 可测量三相发电机的三相电压, 电流, 功率; 低频示波器; 整流器; 滑动变阻器, 可充当负载。

水槽设定=0.35 m,=2 s, 行车行驶速度分别设定为0.5 , 0.8, 1.5, 1.8 , 2 m/s。将两端电机分别接入电阻器充当负载, 电阻都设定为20W。3169钳位功率计。将涵道双向泵叶轮浪流发电装置悬置于行车下, 并且水平置于水面下50 cm处。浪流发电装置在行车的牵引下在水面下运动, 能够模拟出浪流发电装置在海浪中的工作状态。涵道双向泵叶轮浪流发电装置水下安装如图3所示, 3169钳位功率计记录发电机的输出数据, 测量数据如图4。

3.2 水槽实验数据分析

在不同工况下, 涵道双向泵叶轮浪流发电装置的输出功率变化特性绘制成曲线图, 如图5所示。

图中最高点代表在浪流的一个周期内的最高值, 将数据整理成表格3。

如图5所示, 在0.5 m/s工况下, 涵道双向泵叶轮浪流发电装置即可以启动, 叶轮能够保持低速旋转,呈现周期性变化。在=1.8 m/s工况下,稳定在37 W, 接近额定功率, 并呈现周期性变化。在2 m/s工况下,超过额定功率, 超过部分在电机承受范围内。

表3 水槽实验数据

在一个周期内,先上升后下降, 说明涵道双向泵叶轮浪流发电装置吸收了部分波浪能作用。水流经过水轮机后, 会产生旋转的尾流, 水流的轴线流动和旋转的尾流相互作用会对叶轮的受力产生影响, 水轮机的转速会产生快慢变化, 所以功率的周期变化曲线并不是平滑的, 而是呈现波动状态。

对比理论计算, 模拟计算和水槽实验3种不同分析数据, 绘制3种不同情况下关系曲线, 如图6所示。分析图6可知, 涵道双向泵叶轮浪流发电装置在1.8 m/s以下,稳定在23.7 %左右, 接近于理论值26.1 %。当1.8 m/s后, 尾流场不断地加强, 尾流场对叶轮的受力影响不断加大,开始明显降低。

4 结论

本文以为基变量, 对比理论模型计算、基于fluent仿真数据, 水槽实验数据, 分析数据可知: (1)双向对称叶轮和涵道的设计对于涵道双向泵叶轮浪流发电装置的提升很明显, 在=1.8 m/s工况下, 发电机功输出功率稳定在41.87 W附近, 在1.8 m/s工况下,超过额定功率, 超过部分在设计承受范围内。(2)双向对称叶轮的设计, 可以使得涵道双向泵叶轮浪流发电装置从正反方向都可捕获浪流能, 不需要复杂的换向装置, 且双向捕获浪流的效果相同。(3)由呈现周期性变化分析可知, 涵道双向泵叶轮浪流发电装置可以吸收部分的波浪能。的理论计算数值和实际测试数值偏差不大, 设计要求基本能够满足实际工程要求。(4)在=0.5 m/s工况下, 涵道双向泵叶轮浪流发电装置即可启动, 启动流速度较低, 能够满足较复杂的海况。在1.8 m/s工况下,稳定在23.7 %左右。在>1.8 m/s工况下, 由于叶轮后方尾流场对叶轮的作用力加强, 使得开始下降。

[1] 郑金海, 张继生. 海洋能利用工程的研究进展与关键科技问题[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2015, 43(5): 450-455. Zheng Jinhai, Zhang Jisheng. Recent advances and key technologies in marine evergy utilization engineering[J]. Journal of Hohai University(Natural sciences), 2015, 43(5): 450-455.

[2] 夏增艳, 郭毅, 张亮, 等. 垂直轴潮流能发电装置模型测试技术研究[J]. 海洋技术, 2013, 32(4): 104-106. Xia Zengyan, Guo Yi, Zhang Liang, et al. Research on the model experiments for Vertical Axis Tidal Current Energy Generation Device[J]. Journal of Ocean Techonology, 2013, 32(4): 104-106.

[3] 鲍敏, 鲍献文. 潮流能量的提取及对其流速的影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2015, 45(2): 1-7. Bao Min, Bao Xianwen. The extraction of tidal current energy and its effect on tidal current[J]. Periodical of Ocean University of China(Natural sciences), 2015, 45(2): 1-7.

[4] 姚琦, 王世明, 胡海鹏, 等. 波浪能发电装置的发展与展望[J]. 海洋开发与管理, 2016, 33(1): 86-92. Yao Qi, Wang Shiming, Hu Haipeng, et al. On the development and prospect of Wave Energy Power Generation Device[J]. Ocean Development and Management , 2016, 33(1): 86-92.

[5] 王树杰, 盛传明, 袁鹏等. 潮流能水平轴水轮机叶片优化研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2015, 45(7): 113-118. Wang Shujie, Sheng Chuanming, Yuan Peng, et al. A study on blade optimization of Horizontal Axis Tidal Current Turbines[J]. Periodical of Ocean University of China (Natural sciences), 2015, 45(7): 113-118.

[6] 侯二虎, 杜敏, 王兵振, 等. 水平轴潮流能水轮机水动力数值模拟研究[J]. 海洋技术学报, 2015, 34(4): 74-79. Hou Erhu, Du Min, Wang Bingzhen. Study on the numerical simulation of hydrodynamic performance of the Horizontal Axis Tidal Current Turbine[J]. Journal of Ocean Techonology, 2015, 34(4): 74-79.

[7] 马希金, 冯志丹. 基于流固耦合的轴流泵叶片结构分析[J]. 兰州理工大学学报, 2015, 41(4): 51-54. Ma Xijin, Feng Zhidan. Structural analysis of axial-flow pump blade based turbine on fluid-solid coupling[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2015, 41(4): 51-54.

[8] 施伟, 李彦军, 袁寿其, 等. 轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响[J]. 农业机械学报, 2015, 46(12): 109-116. Shi Wei, Li Yanjun, Yuan Shouqi, et al. Influence of adjustable inlet part of guide on Hydraulic Performance of Axial-flow Pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 109- 116.

[9] 王世明, 汪振, 吕超, 等. 一种卧式浪流发电装置研究与试验[J]. 海洋技术学报, 2014, 33(4): 39-45. Wang Shinming, Wang Zhen, Lü Chao, et al. Research on a kind of Horizontal Wave Flow Generation Device[J]. Journal of Ocean Techonology, 2014, 33(4): 39-45.

Study of a Wave-flow Generation Device with ducted bidirectional pump impeller

WANG Shi-ming1, WU Shuai-qiao1, TIAN Ka1, BAI Lian-ping2

(1. College of Engineering Science & Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. College of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

A new type of Wave-flow Generation Device with a ducted bidirectional pump impeller is constructed based on the design principle of the axial-flow pump. In this study, the working principle of the axial-flow pump is analyzed and the back-stepping approach is used to design the device. A comparison with data from theoretical calculations, a numerical simulation, and tank experiments relating to the device shows the power generation efficiency of the device in different working conditions. Results show that the device can be started at a flow rate of 0.5 m/s, its output power is close to rated power at a flow rate of 1.8 m/s, and its energy conversion rate is at its highest of up to 23.7% when the working flow rate is below 1.8 m/s. However, when the working flow rate exceeds 1.8 m/s, the energy conversion rate begins to decline because the increase in the tail flow field strongly increases the reversal force to the pump impeller.

axial-flow pump; wave-flow energy; ocean energy; fluent simulation; tank experiment

p743.2

A

1000-3096(2017)02-0029-06

10.11759/hykx20160828002

2016-08-28;

2016-10-10

国家海洋局2013年海洋可再生能源专项(SHME2013JS01); 上海市2014年优秀技术带头人计划项目(14XD1424300); 上海教委产学研项目(15cxy29); 上海海洋大学青年基金(A1-2035-15-002124)

王世明(1964-), 男, 山西沂州人, 教授, 博士, 主要从事海洋工程的先进设计制造及智能控制, 电话: 15692165065, E-mail: smwang@shou.edu.cn; 吴帅桥(1990-), 男, 吉林通化人, 硕士研究生, 主要研究海洋工程装备及可再生能源, 电话: 13127828909, E-mail: wushuaiqiao@sohu.com

Aug. 28, 2016

[State Oceanic Administration 2013 Marine Renewable Energy Foundation, No. SHME2013JS01; Shanghai 2014 Outstanding Technology Leader Program, No. 14XD1424300; Shanghai Education Commission Research Project, No. 15cxy29; Shanghai Ocean University Youth Foundation, No. A1-2035-15-002124]

(本文编辑: 刘珊珊)