程友良，雷　朝，戴峥峥，陈健梅，吴百公

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071000；2.沈阳风电设备发展有限责任公司，辽宁 沈阳 110100；3.东北师范大学 物理学院，吉林　长春　130024）

共水平轴双叶轮海流机水动力学性能的实验研究

程友良1，雷朝1，戴峥峥2，陈健梅3，吴百公3

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071000；2.沈阳风电设备发展有限责任公司，辽宁 沈阳 110100；3.东北师范大学 物理学院，吉林长春130024）

针对水平轴单叶轮海流机在低流速时启动性能差、获能少的缺点，采用共水平轴同向旋转双叶轮水轮机进行了水动力学性能的水槽试验。由实验结果研究了共水平轴单叶轮和双叶轮水轮机的功率特性和启动特性，分析了不同上、下游叶轮安装角和叶轮轴向间距对叶轮启动水流速度以及发电机获得功率的影响，并对单叶轮和双叶轮水轮机的运行情况进行了比较。结果表明，共水平轴双叶轮水轮机的启动水流速度较单叶轮低很多，而且能从水流中获得更多的能量。因此，共水平轴双叶轮水轮机能改进一般水平轴单叶轮水轮机难以启动和获能少的不足，更适合于我国低海流流速的实际海况。

海流能；共水平轴；海流机；水动力学性能；实验研究

我国的海流能资源极为丰富，中国沿岸130个水道的理论平均功率为14 GW。海流的能量来源于太阳辐射，海洋吸收太阳辐射，因海水受热不均而形成温度、密度梯度，从而产生海水的流动。作为一种长期稳定和高度可预测的能量资源，海流能具有很大的开发潜力。国家已经出台了一系列鼓励海洋能开发利用的政策措施［1-3］。

目前海流能的利用研究还处于初级阶段，大多海流能涡轮机设备仍处于样机和示范工程，商业化程度较低［4］。海流能涡轮机大体可分为水平轴式、垂直轴式、振荡水翼、涡激震荡、压电式等［5］。由于水平轴海流涡轮机的设计与水平轴风力涡轮机的设计原理相似，而风力涡轮机的技术相对成熟，可以应用于水平轴海流涡轮机的设计，所以目前的大功率海流涡轮机基本上采用水平轴的方式［6］。

A.S.Bahaj等人利用水槽测试了不同海流流速情况下800 mm直径海流涡轮机的功率特性和推力特性。实验测得20°叶轮安装角，水流速度为1.73 m/s，叶轮尖速比为6时功率系数能达到46%［7］。但是这种叶轮启动时的水流流速较大。为了解决叶轮在低流速海流中难以启动的问题，国内东北师范大学张雪明教授课题组［8］实验研究了共水平轴自变距双叶轮的启动特性和获能情况，叶轮采用实度很大的叶片，研究结果显示，单电机共水平轴双透平在安装角为18°时的启动水流速度约为0.1 m/s。由于上游叶轮的实度太大，严重影响到下游叶轮能量的获取。叶轮安装角为4°时的最大能量捕获系数仅为22%。

为了减弱下游叶轮受到上游尾流的影响，使共水平轴双叶轮能从水流获取更多的能量，本文采用了一种新型的共水平轴双叶轮，它不仅能在低海流流速下启动并从海流中获取更多的能量，而且能减小叶轮的轴向推力。

为了研究这种新型共水平轴双叶轮水轮机在实际流场中的水动力学性能，课题组在东北师范大学水槽实验室进行了单叶轮水轮机和共水平轴双叶轮水轮机的模型试验，对两种形式叶轮在不同来流速度下的能量获取情况进行了研究。通过改变共水平轴双叶轮前后叶轮的安装角和两叶轮的轴向间距，研究了共水平轴双叶轮在不同工况下获得的发电机功率大小。

1　实验概述

1.1试验水槽介绍

东北师范大学清洁能源技术实验室水槽具体参数：长度2 000 mm；宽度600 mm；高度1 500 mm。试验区间尺寸：长度500 mm；宽度400 mm；高度400 mm。水槽整体装置如图1所示。驱动电机的功率为1.5 kW。电机调频范围：0～50 Hz。产生的水流速度范围为0～0.6 m/s。水槽可由调频器进行水流流速调节，电机调频器频率对应的水槽水流速度如表1所示。

表1　电机调频器频率对应的水槽水流速度

图1　潮流能实验水槽

驱动电机将电能通过叶轮转化为水流的动能，由于叶片旋转推动水流运动时会产生一定的湍流强度。水流湍流强度率定义为［9］：

式中：u，v，w分别为x，y，z方向速度分量；“ˉ”代表平均；σ代表各自速度分量的标准差。实验用水槽的湍流强度约为10%。

1.2叶片和叶轮参数介绍

水轮机叶轮直径为290 mm，叶片参数见表2。叶片由有机玻璃经打磨机磨制而成。经测试，结构强度均满足试验要求，叶轮实物如图2所示。共轴两叶轮的主轴材料选用不锈钢棒，主轴与两叶轮轮毂处的连接固定采用在轮毂侧方打孔，尖头螺丝自弓的方式。自弓指从轮毂锥壁上打一个通向轮毂中心的孔，然后用螺丝插入孔中拧紧抵住主轴，从而连接主轴于轮毂，使它们一起做旋转运动。叶轮通过上紧和松开紧固在叶片根部圆柱上的螺丝来改变叶片的安装角度。叶轮在水槽中的布置示意图如图3所示。

图2　叶轮实物图

表2　叶片参数

图3　叶片布置示意图

1.3数据采集与控制

实验所用发电机的磁级对数为9对，线圈匝数为550匝，发电机的内电阻为8.8 Ω。通过把小型交流发电机外接一个8.8 Ω负载后再接入示波器，然后从示波器读出从发电机感应出的电压有效值和正弦波的频率。读取数据时每个电压有效值和频率值都读取10组值，然后计算10组数据平均值。再利用正弦波的频率计算出叶轮的瞬时转速。叶轮瞬时转速的计算公式为［10］：

式中：f为正弦波的频率，Hz；ω为叶轮瞬时转速，rpm；a为发电机的磁极对数。

叶轮尖速比计算公式为［9］：

式中：ω为叶轮瞬时转速，rad/s；R为叶轮半径，m；v为来流水流速度，m/s。

发电机功率计算公式［10］：

式中：U为发电机的电压有效值，V；P为发电机功率，W；b为发电机内阻，取值为8.8 Ω；c为负载电阻，取值为8.8 Ω。

叶轮实度是指叶片在水轮旋转平面上投影面积的总和与水轮扫掠面积的比值。叶轮实度的计算公式［11］：

式中：S为每个叶片对风向的投影面积；B为叶片数；R为水轮半径；σ为实度比。

2　实验结果和分析

2.1安装角对发电机获得功率的影响

图4反映了单叶轮带动发电机旋转时水流速度V与发电机功率P之间的关系。从图可以看出，在相同水流流速下，叶轮转速稳定后，随着叶片安装角度的增大，发电机功率逐渐降低。在水流速度为0.378 m/s，叶片安装角度为5°叶轮转速稳定时发电机功率为8.27×10-3W，叶片安装角度为25°时的发电机功率为1.16×10-3W。固定安装角的旋转叶轮，随着水流速度的增加，发电机功率也跟着增大。当水流速度增大到0.527 m/s，叶片安装角度为5°时的发电机功率为14.71×10-3W。

图5是几种不同安装角下单叶轮与共轴双叶轮在不同流速下发电机获得的功率分布情况的比较。从图中可以看出，共轴双叶轮，叶轮间距为0.25倍直径、两叶轮安装角相同（都为10°）时发电机功率比安装角为5°的单叶轮发电机功率大很多，这说明双叶轮能从水中获取更多的能量。共轴双叶轮，上、下游叶轮安装角分别为20°和10°时发电机获得的功率比安装角为10°的单叶轮发电机获得的功率要高。以上分析表明共轴双叶轮机组的发电能力优于单叶轮机组。

图4　单叶轮发电机功率与叶轮安装角的关系

图5　不同水流速度下安装角对发电机获得功率的影响

2.2安装角对叶轮启动水流速度的影响

单叶轮海流发电机组的实度一般比较小，因此水流作用在叶片上的作用力也较小。这个力在叶片切向产生的分量，即切向力不大。尤其在安装角比较小的时候（小于10°）。所以作用在叶轮轴上的扭矩很小，导致叶轮在水流速度比较低的情况下无法启动，带载能力较低。由表3可知，安装角小于10°的叶轮启动性能很差，甚至在水槽的最大流速（0.6 m/s）时也无法启动。但是，启动后叶轮的转速值增加很快。安装角大于20°以后，虽然能启动，但是启动时的水流流速较大。

表3　单叶轮在水流中的启动速度

表4显示了双叶轮在叶轮间距为0.25D，0.5D，0.75D和1D时，不同安装角下叶轮的启动水流流速。从表中可以看出共轴双叶轮大大降低了叶轮启动流速。对比表3发现，单叶轮的安装角和共轴双叶轮下游叶轮的安装角相同时，共轴双叶轮的启动水流速度比单叶轮低。例如，当单叶轮安装角为5°和10°时，单叶轮的启动水流速度都大于0.6 m/s。而共轴双叶轮β1=β2=5°时的启动流速为0.507 m/s。当叶轮间距为0.25D，β1=10°，β2=10°时，叶轮的启动水流速度为0.441 m/s。β1=15°，β2=10°时，叶轮的启动水流速度为0.378 m/s。对比单叶轮，共轴双叶轮具有良好的启动性能。

表4　共水平轴双叶轮在不同叶轮轴向间距和安装角时的启动水流流速

图6　单叶轮转速与水流流速的关系

2.3安装角对叶轮转速的影响

从图6中可以看出，在同等水流速度下，单叶轮安装角为5°时的转速最高，25°时转速最低。相同安装角的单叶轮转速随水流速度的增大而增大。以安装角为5°的单叶轮为例，当水流速度从0.378 m/s增加到0.527 m/s时，叶轮转速从99.6 rpm增加到158 rpm。当安装角较小时，叶轮转速随水流速度的增加增大得较快。当安装角较大时，叶轮转速随水流速度的增加增大得较慢。例如，在5°时水流速度从0.378 m/s增加到0.527 m/s，转速增幅为58.4 rpm。而在安装角为25°时的增幅仅为32 rpm。

图7　不同水流速度下叶轮安装角对叶轮转速的影响

图7反映了几种安装角下的单叶轮和共轴双叶轮转速随水流速度的变化趋势。可以通过对转速的比较得出单叶轮和共轴双叶轮主轴的扭矩分布情况。比较单叶轮安装角为5°和共轴双叶轮前后安装角都为10°时的情况，发现同等水流速度下，单叶轮的转速高于双叶轮的转速，然而，如前所述，功率却低于双叶轮的功率。

发电机功率计算公式：

式中：Q为叶轮主轴的扭矩；ω为叶轮转速；η为发电机效率。

根据发电机功率的计算公式（6），说明双叶轮主轴上的扭矩大于单叶轮主轴上的扭矩。因此，共轴双叶轮具有良好的启动性能，能在很低的水流速度下实现自启动。这也可以从表3和表4中看出，前后安装角都为10°的共轴双叶轮的启动流速为0.441 m/s，而安装角为5°的单叶轮的启动流速大于0.6 m/s。

图8　不同安装角对共水平轴双叶轮转速产生的影响

从图8可以看出，当叶轮间距为0.25D，β2=5°时，叶轮转速由高到低的顺序为：β1=10°时的叶轮转速＞β1=15°时的叶轮转速＞β1=20°时的叶轮转速＞β1= 30°时的叶轮转速；当叶轮间距为0.25D，β2=10°时，β1=25°时的叶轮转速大于β1=30°时的叶轮转速。同样，当叶轮间距为0.25D，β2=15°时，β1=15°时的叶轮转速大于β1=20°时的叶轮转速。由此可得，叶轮间距为0.25D的共轴双叶轮，在相同水流速度和下游叶轮安装角时，上游叶轮安装角越小，叶轮转速越高；反之，上游叶轮安装角越大，叶轮转速越低。

2.4水流速度对叶轮TSR的影响

图9表明了不同安装角下TSR随水流速度的变化情况。从图可知，TSR不仅和叶轮安装角有关系，而且还与流速有关。在叶轮安装角较小时，TSR处于较大的值区间（约4～4.5）。随着安装角的不断增大，TSR逐渐减小。例如，5°时TSR约为3.56～4.51，20°时TSR的值在1.64～2.06之间。还可以观察到，在同一安装角下，随着水流速度增加，TSR的整体趋势是增大的。而且不同安装角时，TSR的增幅不同。水流速度从0.378 m/s增加到0.527 m/s的过程中，安装角为10°时的叶轮TSR增幅最大，为0.84。

图9　来流速度与TSR的关系

2.5叶轮轴向间距对发电机获得功率的影响

从图10可以看出，在相同水流速度，β1=β2=10°时，共水平轴双叶轮轴向间距为0.25倍直径的发电机获得功率小于间距为0.5倍、0.75倍和1倍叶轮轴向间距时发电机获得的功率。而0.5倍、0.75倍和1倍叶轮轴向间距时发电机获得的功率差别不大。由此可以得出，上、下游叶轮距离太近（＜0.5倍叶轮直径时），下游叶轮受上游叶轮影响较大。

图10　叶轮间距对发电机获得功率随的影响

从图11可以看出，在相同水流速度下，β1=β2= 5°时，叶轮间距为0.5倍直径的发电机获得功率大于0.25倍直径的发电机获得功率；而共轴双叶轮β1=10°，β2=5°时，叶轮间距为0.5倍直径时发电机获得功率不仅大于0.25D，而且也大于0.75D和1D时发电机获得的功率。β1=β2=10°时，叶轮间距为0.5倍直径的发电机获得功率大于0.25倍直径的发电机获得功率，但小于0.75D和1D时发电机获得的功率。这说明不同上、下游叶轮安装角下能使发电机功率达到最大值的最佳轴向间距是不同的。并不是叶轮轴向间距越大，获得的发电机功率就越大。

图11　不同叶轮轴向间距、不同安装角下的发电机获得的功率变化

3　结论

（1）通过对单叶轮和共水平轴双叶轮获得的发电机功率的对比，发现共水平轴双叶轮能从海流获得更多的能量。

（2）通过对相同安装角下单叶轮和共水平轴双叶轮的启动水流速度的比较，发现共水平轴双叶轮能大大降低叶轮的启动水流速度，非常适合在我国的低海流流速的海况。

（3）通过对单叶轮和共水平轴双叶轮不同安装角下叶轮转速的比较，发现双叶轮主轴上的扭矩大于单叶轮主轴上的扭矩。这就保证了共轴双叶轮比单叶轮在低流速海流中更易启动。

（4）通过比较不同安装角下TSR随水流速度的变化，发现随着安装角的不断增大，TSR逐渐减小。在同一安装角下，随着水流速度增加，TSR的整体趋势是增大的。而且不同安装角时，TSR的增幅不同。

（5）通过比较共水平轴双叶轮在不同上、下游叶轮安装角，不同轴向间距下发电机获得的功率，发现不同上、下游叶轮安装角下发电机获得最大功率的最佳间距是不同的。并不是叶轮间距越大，发电机获得功率越大。

致谢：感谢东北师范大学张雪明教授在本实验过程中的指导和帮助。

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Experimental Study on the Hydrodynamic Performance of the Marine Current Turbines with Co-Horizontal Axis and Double Impellers

CHENG You-liang1，LEI Chao1，DAI Zheng-zheng2，CHEN Jian-mei3，WU Bai-gong3
1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei Province，China；
2.Shenyang Wind Power Equipment Limited Liablity Company，Shenyang 110100，Liaoning Province，China；
3.School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，Jilin Province，China

In order to offset the drawbacks of poor start performance and low energy acquisition of the marine current turbine with a horizontal axis and a single impeller under the marine circumstance of low current velocity，the marine current turbine with a co-horizontal axis and double impellers which rotate together in the same direction is studied in the tank for obtaining its hydrodynamic performances.From the experiment results，this paper investigates the power and start characteristics of the above-mentioned two marine current turbines，analyzes the effects of different install angles of the upstream and downstream impellers and the axial distance between the impellers on the start current velocity and power obtained，and compares the operating performances of the single-impeller and double-impeller turbines.The results show that the start current velocity of the marine current turbine with co-horizontal axis and double impellers is much lower than that of the marine current turbine with a single impeller and the former can obtain more energy from currents.Therefore，the marine current turbine with a co-horizontal axis and double impellers is able to improve the disadvantages of difficult start and less obtained energy existing in ordinary turbines with a single impeller，and is more suitable for the practical sea states with low current velocity in China.

marine current energy；co-horizontal axis；marine current turbine；hydrodynamic performance；experimental study

P743.1

A

1003-2029（2016）01-0106-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.017

2015-09-14

海洋可再生能源专项资金资助项目（LNME2013JS01）；水平轴自变距潮流能工程样机设计定型项目资助（ZJME2013ZB02）

程友良（1963-），男，教授，博导，主要从事流体力学、海洋潮流能和波浪能等的研究。E-mail：ylcheng@live.cn