水轮机的几种模型研究

水轮机的几种模型研究

河流发电是一种无需建坝获取电能的方式;河流水轮机和常规水轮机的主要区别在于低流速﹑低压力和需要很大的水流通道面积。河流动能用“水轮机”提取,转速慢，它是一种可将水流的部分动能转换为电能的水轮机。

1.河流水轮机的工作机理

一台转子功率系数为Cp,效率为的涡轮机,其额定功率为: 32

1Av C p p ρ= 因为水的流速不能降低到零,功率系数Cp 受到所谓贝兹极限(Bets limit)16/25=59%的限制。仅此而言,用于河流能的水轮机与风轮机的物理学原理是相同的。但是,在量与方向上却有很大的区别:虽然河水密度约比空气密度大816倍,然而河流的流速要低得多。同时,对于风轮机来说,流动空气的方向较为发散,而河流的流动方向相对集中，涡轮叶片相对较多。

2. 模型比较

2.1戈尔洛夫水轮机

戈尔洛夫螺旋形水轮机(图1)可稳定地单向转动,效率优于Darrieus 水轮机,可用于河流发电。这两种风力机平均风能利用系数较为相近，略为0.28。

2.2 Darrieus （H 型）与Gorlov 风力机

图 3 Darrieus （H) 图4 Gorlov(Hellical)

H 型Darrieus风力机具有其优秀的空气动力和特别的扭矩设计，此款产品具有启动风速低和抗强风性好的特点，效率23.5%。Gorlov启动性能更好，效率达30%。这两种风力机可进一步设计用于水力发电。

2.3 WS系列

图 5芬兰 Windside 公司的小型 VAWT 系统

该风力机的风能转化效率为0.187，但有极强的风况适应能力，启动风速低, 可在风速低至 1 m/s 的状况下工作。曾创下在风速高达 60 m/s 的状况下也能继续发电的世界纪录，年发电量比水平轴风机的发电量增加50%，改进后，可用于水力发电。

2.4 涡轮机

图6 PacWind（美）公司的涡轮机图7 Gual industrie（法）公司的涡轮机 PacWind 公司的垂直轴风力发电机是一种全方位低风速发电机, 可以在任何有风的地方轻易地安装, 其 VAMT 外形如图6所示。这套系统从风轮类型上应归属于阻力型风力机, 但其通过增加叶片数目和改良设计, 使迎风面积显著大于阻风面积从而减小了迎风阻力, 增高了转化效率。

图7法国 Gual industrie 公司产品 StatoEolian 风力机是在垂直轴叶片的外围增加一圈导引叶片, 形成有加速功能的进流通道, 以增大转子叶片上的风速和转动扭矩, 整个系统比传统的水平轴风力发电机具有更好的低风启动性和运行安静的优点。它的启动风速约为 2 m/s, 风速在 40 m/s 时仍可工作, 有很宽的工作范围。使用该风力机发电量是传统水平轴的1.3倍。

以上两种类型改进后，可用于水力发电。

3拟开发河流涡轮机

利用风力涡轮机相关参数，并参考双击式水轮机组的模型，设计以下河流发电的涡轮机。涡轮机适用于1-15m/s的流速,工作效率约为50%。

水下涡轮转子有三个，通过涡轮转子下面的齿轮连接到中间轴齿轮，中间轴传递到增速器（未画出）。初步设计涡轮转速60转/分，涡轮轴齿轮和中间轴齿轮的传动比为2.5，再经过二级增速器（传动比为10），传递到发电机转子（1500转/分）。

初步设计涡轮半径为0.15m,涡轮高6m,叶尖速度0.942m/s。在水流速1-15m/s状态下可发电。在水流速3m/s时，发电机输出功率为15-20KW。

图 8 涡轮机简图

图 9水的流速与发电机功率曲线

设计涡轮加导叶，提高涡轮机发电效率。

图 10 涡轮加导叶

沿着河流安装数台机组，可抬高河道落差，进而提高发电效率。

图 11 河流发电机组

4第二套方案设计模型

法国Achard水轮机，发电效率0.269。

图12 法国Achard水轮机

图 13 叶片模型

图14 组合发电机组

从图3.16中可以看到,固定偏角H型风力机的速比较高,可以达到7以上,

峰值点对应的速比范围在3一5之间.能量利用率峰值可以达到0.4左右

而水轮机因为空泡问题的限制,速比较低,通常小于2,峰值点对应的速

一般在1左右,风力机模型在这么低的速比能量利用率只能达到10-2数量级。所以水轮机通常靠增加密实度来获得较高的能量利用率,增加密实度就会增加整个轮机结构的重量,在轮机尺寸和流速不变的情况下,平衡转速就会降低,速比也会进一步下降。所以固定偏角叶轮适合于H型风力机的设计,而水轮机的设计更倾向于使用变偏角叶轮。在偏心率相同的情况下,叶片数越多,密实度越大,轮机的能量利用率越高。

变偏角H水轮机轮机的能量利用率最大值不超过0.3,对应的速比在0.6一0.8之间,上一章提到水轮机的速比偏低,采用变偏角控制,可以使叶轮在小于或等于1的范围内达到能量利用率的最大值。在偏心率相同的情况下,叶片数越多, 密实度越大,轮机的能量利用率越高,本文的计算结果与实验值吻合的越好。