水平轴式海流发电装置的设计研究

水利水电技术第49卷2018年第4期王世明，申玉，田卡.7J C平轴式海流发电装置的设计研究[J].水利水电技术，2018, 49(4): 210-216.WANG Shim ing, SHEN Y u, TIAN Ka. Study on design of horizontal-axial marine current power generation device[ J]. W ater Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(4)：210-216.水平轴式海流发电装置的设计研究王世明，申玉，田卡(上海海洋大学工程学院，上海201306)摘要：为了提升海流能发电装置的的能量转换效率，研发了一种水平轴式S形叶轮海流发电装 置。

采用升力法设计叶轮结构，建立C A TIA模型并开发了模具，以便于大规模的加工叶轮。

设计 了 9槽8极绕组水下防腐永磁发电机，并进行了发电机系统结构的设计。

导流罩的线性选择使得 海流速度增加14% ~23%，但流速过大又造成了装置不稳定。

通过工程样机海上试验，验证了永 磁发电机的发电性能，同时检测了发电装置实验阶段的防水及防腐效果。

轮机在流速达到0.32 m/s 时即实现无负载自起动。

在海水流速为2.5 m/s时，轮机的获能功率可达到1 150 W;在海水流速为2 m/s左右的海况下，轮机的实际获能功率在900 W上下，获能效率最高为32%，提高了能量的转换效率。

关键词：海流能；水平轴式海流能发电装置；升力法；获能效率；海试试验d o i：10. 13928/j. cnki. wrahe. 2018. 04. 029中图分类号：P742; TK73 文献标识码：A文章编号：1000-0860(2018)04-0210-07Study on design of horizontal-axial marine current power generation deviceWANG Shiming, SHEN Y u, TIAN Ka(College of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean U niversity, Shanghai 201306, China)A b s tra c t：In order to enhance the energy conversion efficiency of marine current power generation device, a horizontal-axialmarine current power generation device equipped w ith S-shaped im peller is developed. The im peller structure is designed w ith liftin g-lin e method, for which CATIA model is established and the relevant mould is developed, so as to manufacture the im peller on a large scale. A 9-slot/8-pole winding under-water connective anti-corrosive permanent magnet generator is designed, while the design of the structure of the generator system is made as well. The linear selection of the guide diffuser makes the current ve­locity increased by 14% ~23%, but the over-large velocity makes the generation device instability. Through the marine experi­ment of the engineering prototype, the generating performance of the permanent magnet generator is verified, while the water proof and anti-corrosive effects of the generation device during the experimental phase are tested as well. The no-load self-starting of the turbine for the power generation is realized at a flow rate of 0. 32 m/s. When the seawater flow rate is 2. 5 m/s, the energy-yield­ing power can reach to 1150 W, while the actual energy-yielding power is to be about 900 W under the sea state w ith the seawa­ter flow rate of about 2 m/s, of which the maximum energy-yielding efficiency is 32% , and then the energy conversion efficiency is enhanced.收稿日期：2017-12-01基金项目：国家海洋局2013年海洋可再生能源专项资助项目（SHME2013JS01)作者简介：王世明（1964—），男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事海洋可再生能源以及装备智能控制技术研究D E-m a il: S mwang@ 通信作者：申玉（1991一），女，硕士研究生，主要从事海洋能可再生能源以及装备智能控制技术研究。

E-m a il: 1280376974@王世明，等//水平轴式海流发电装置的设计研究Keywords ：sea current energy ；horizontal-axial marine current power generation device ；lifting-line method ；energy-yielding effi­ciency ；marine experiment〇引言占地球表面70%的海洋吸引了世界各国的关注，广阔的海洋蕴藏着储量惊人的可再生能源，各国的海洋能发电装置也各有不同。

如何获取最大的转换效率成为国内外研究学者共同追求的目标。

法国的NEYRPIC公司为Ranee潮汐发电站所设计的水轮机转轮结构第一次采用了 S形叶片[1_3]。

20世纪90年代，我国的科研工作者通过风洞实验获得了该翼型的实际升阻比，充实了相关结构的设计理 论[4]。

李景银等[5]以木材干燥轴流风机为研究对象，参考绕流理论及双圆弧翼型法设计出了一种新型的S 形叶片，通过相关实验得出，该翼型具有良好的反风 性能。

汤方平等[6]采用简化三元流动模型和升力法 进行S翼型双向叶轮设计，与常规轴流叶轮的正向 性能相比，最高效率点效率低2%〜4%。

耿在明等[7]采用奇点分布法设计双向贯流S翼型叶片，并 结合相应的流道进行装置模型试验，结果表明，与 常规单向贯流泵相比正向性能略低，但获得了较高 的反向能量性能，且正反向效率差约2.5%，表明 正反向性能相近的双向贯流泵更适用于低扬程双向 泵站。

本文结合海上风力机以及轴流泵叶轮部分的设计 思路及原理，设计了一种水平轴式S形叶轮双向海流 发电装置捕获双向的海流能。

1水平轴式海流发电装置概述1.1发电装置水平轴式海流发电装置主要由结构机架、简化浮 筒、导流罩、喉管、锚链、（S型）叶轮、两台永磁发 电机及配套分流装置组成(见图1)。

装置在海中的布 放采用沉浮式结构，上方圆柱形浮筒通过焊件与机架 连接，对称布置在喉管上方，浮筒两端的圆弧形设计 可以减小浪流阻力，下方采用锚泊系统固定，保证将 轮机主体部分浸没于水下2.5倍叶轮半径处，以达到 吸收海流能的效果。

其中叶轮部分可捕获作用于叶片 及其包络面的海流，将能量转化为叶轮的机械能，通 过键连接带动双边永磁发电机旋转发电。

1.2发电过程发电装置两端的导流罩对进人装置的海流能起到(a)外部构件(b)内部构件图1发电装置CATIA设计示意稳流增速的作用，增速后的海流穿过电机一端的分流 罩后直接作用于叶片及叶片的包络面上，通过升力推 动叶轮旋转从而将海流的动能转变为叶轮的机械能，同时叶轮通过键连接带动双边永磁发电机旋转发电。

所获电能将通过控制系统的滤波整流，完成对负载的 供电。

2叶轮及主体结构参数2.1叶轮结构叶轮结构是捕获海洋能量的核心部件，其水动 力性能的好坏直接影响着整个发电装置的获能效 率，因此对叶轮结构的设计分析显得尤为重要。

本 文所述发电装置的叶轮结构如图2所示，原尺寸S 形叶轮及模具如图3所示，缩小比例叶轮结构如图 4所示。

2.2叶轮结构设计S形叶片的结构设计可以仿照单向轴流轮机叶轮 部分，先计算得出正向翼型，后比较正反向能量差，王世明，等//水平轴式海流发电装置的设计研究(b)模具图3原尺寸叶轮实物及模具图4小比例水槽试验叶轮根据反向流况的相关设计参数计算出反向翼型骨线，将正反向翼型的骨线叠加，仅截取正反翼型的有效作 用部分并连接组成S形叶片。

具体可选取的叶轮设计 方法有升力法、圆弧法和奇点分布法等[84]。

本文采 用升力法进行设计，具体步骤如下：2. 2. 1叶轮设计的基本假定液体在叶轮周围完成的是一种复杂的空间型流 动，因此设计时必须采用圆柱层无关性假设，即在流 体作用的内部可以得到很多圆柱型截面，每个截面上 液体的流动可能会有差异，但是研究方法相同，所 以，本文以一个截面上液体的流动为例进行研究。

叶轮叶型的初步设计可仿照轴流泵翼型的设 计[6]，其流体力学基本方程为HT=f gr2-r l=j(u2vu2-Ulv u l)(1)式中，丑，为理论扬程；尸为速度环量；〃为流体在 叶轮表面的速度；^为速度〃在速度^方向的投影；^为叶轮旋转角速度；1、2分别为截面1、2。

2.2.2升力法S形叶轮设计升力法[1°]是设计S形叶轮最常用的方法，升力 法的基础假设为：叶片数量少；翼型间的相互影响不 大；整体结构的绕流结果近似等于单个叶片的绕流结 果。