潮流能水轮机导流罩的水动力性能研究_刘羽

第3期收稿日期：2014-02-10基金项目：国家自然科学基金（41106077；41476078）；浙江省自然科学基金（R5110036）；浙江省科学技术厅青年科学家培养计划项目（2013R40019）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目；浙江海洋学院校级专项作者简介：刘羽（1989-），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析.通讯作者：陈正寿（1979-），男，教授，研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析.E-mail:aaaczs@浙江海洋学院学报(自然科学版)Journal of Zhejiang Ocean University(Natural Science)第33卷第3期2014年5月Vol．33No．3May ,2014文章编号:1008－830X(2014)03－0199－10潮流能水轮机导流罩的水动力性能研究刘羽1，陈正寿1，2，赵陈1，黄聪汉3（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山316101；3.太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江舟山316057）摘要：借鉴传统水平轴潮流能水轮机结构的构造原理，本文提出一种可根据海流方向做自适应调整的轴流、悬浮式潮流能水轮机结构。

为了提高这种新型潮流水轮机的发电效率，在水轮机外围设置了曲线线型的悬浮式导流罩结构。

首先基于样机物理模型实验，验证了拟采用的CFD 数值仿真方法的有效性。

进而分别计算拟定的不同形状的10种导流罩模型结构的水动力性能，仿真结果表明收缩段和扩张段均为双三次曲线x m =0.3的对称线型导流罩具有最优的水动力性能。

最后对这种新型潮流水轮机整体结构的水动力性能展开研究，结果表明相对于无导流罩工况，水轮机叶轮加装收缩段和扩张段均为双三次曲线x m =0.3的对称线型导流罩之后，其输出功率有较大提升。

关键词：潮流能；导流罩；悬浮式；CFD ；输出功率中图分类号：TK730文献标识码：AAnalysis of Hydrodynamic Characteristicsabout Fairwater of A Current TurbineLIU Yu 1,CHEN Zheng-shou 1，2,ZHAO Chen 1,et al(1.School of Naval Architecture and Marine Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022;2.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co Ltd,Zhoushan 316101,China)Abstract:Referring to the structure of traditional axial-flow tidal current turbine and fairwater,a suspend －ing type axial-flow tidal current turbine system has been developed by the authors of this paper.In order to im －prove its power generating efficiency,a buoyancy-providing fairwater has been installed around the turbine,like diffusers used in the field of wind turbines.At first,based on the prototype experiment,the effectiveness of the proposed CFD numerical simulation has been verified.Then,by means of this CFD software,the hydrodynamic characteristics of fairwater schemes with ten different shapes have been analyzed.Through systematically compar －ison,the results show that the fairwater with symmetrical surface of x m =0.3bicubic smoothed-spline has excellent hydrodynamic characteristics.The hydrodynamic characteristics about the system of turbine and fairwater have also been studied.It has been found that the output power of the system with turbine surrounded by fairwater (symmetrical bicubic smoothed-spline surface of x m =0.3)is larger than the one in the case of open water.Key words:tidal-current energy;fairwater;suspending style;computational fluid dynamics;output power浙江海洋学院学报(自然科学版)第33卷200海洋能是指海洋中所蕴藏的各种可再生的自然能源的总称，包括潮汐能、波浪能、潮流能以及离岸风能等。

在能源消费量持续攀升和传统能源日趋紧缺的今天，海洋能作为一种储量巨大、可再生的清洁能源，其开发利用日渐受到人们的重视[1]。

潮汐能是一种周期性海水自然涨落现象,是人类认识和利用最要的一种海洋能。

在月球和太阳引潮力作用下，海水做周期性的运动，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动。

水平流动部分为潮汐的动能，被称为潮流能，其富集点多出现在群岛地区的海峡、水道及海湾的狭窄入口处，由于海岸形态和地底地形等因素的影响，流速较大，伴随的能量也巨大。

潮流能的功率密度与流速的三次方和海水的密度成正比。

与其他可再生能源相比，潮流能具有以下几个特点：较强的规律性和可预测性；功率密度大，能量稳定，易于电网的发、配电管理，是一种优秀的可再生能源；潮流能的利用形式通常是开放式的，不会对海洋环境造成大的影响。

潮流能的主要利用方式是发电。

新型潮流能发电装置与传统的潮汐能发电机组相比，其工作原理完全不同。

新型潮流能发电装置作为一种开放式的海洋能量捕获装置，不像传统潮汐能发电站那样需搭建大坝，也无需巨额的前期投资；利用该装置发电时，由于叶轮转速慢，各种海洋生物仍可以在叶轮附近流动，同时不会产生大的噪声，不影响人们的视觉环境，因此可以保持良好的地域生态环境[2]。

国外已开发出多种形式的海洋潮流能利用装置，技术相对成熟，单机容量达数百千瓦乃至兆瓦级，很多国家已进入工程示范阶段，向规模化方向发展。

而国内潮流发电装置设计功率较小，一般为十千瓦级，技术上尚处于实验示范阶段。

目前对于潮流能水轮机导流罩的水力性能研究尚处于起步阶段。

相比而言，导流聚能装置在风力发电领域的研究成果更成熟一些。

风力机扩散放大器就是在传统风力机的基础上，另外在其风轮外围加装一个静止的扩散器。

早在二十世纪五十年代，英国、日本、以色列、美国、荷兰等国就提出了将扩散器应用于风力机的想法，以英国人Lilley和Rainbird于1956年提出的扩散器理论最具代表性。

Foreman后来又通过进一步的实验，验证其可行性[3]。

2005年，陈晗[4]对安装有导流罩的弹簧控角竖轴直叶片水轮机的实验数据进行了总结分析，发现安装导流罩的水轮机的性能要高于敞水状态的水轮机。

张亮等[5]参照风力机扩散器原理设计了一种适用于竖轴直叶片水轮机的导流罩，应用Fluent软件计算了导流罩内流场情况，发现导流罩可以大大增加水轮机所在区域的水流速度，有利于提高轮机功率。

加导流罩后的轮机功率系数曲线整体上升，峰值可提高39%左右。

基于固定式轴流水轮机与导流聚能装置的构造原理，本文作者提出一种可根据海流方向做自适应调整的轴流、悬浮式潮流能水轮机结构，该结构特点就是运行平稳，稳定性较好，有较高的效率。

导流聚能装置安装于叶轮周围，用以提高这种新型潮流能水轮机的水力性能和发电效率。

文章与陈晗，张亮等人研究内容的基本区别是，本文根据相关的设计标准，更加详细地对不同曲线线型导流罩，以及15°攻角折线型导流罩的水动力性能进行综合对比，从而得出最优的导流罩线型设计方案，并且应用物理模型实验数据对文章中提出的论证方法的正确性进行了验证。

1潮流能水轮机导流罩设计1.1悬浮型潮流能水轮机结构设计潮流电站是将近海岛处海流能转化为机械能进而转化为电能的系统。

因为潮汐的影响，潮流具有在一个潮周期内流速方向呈周期性的360°方向改变的特性。

英国的SMD Hydrovision公司设计了一种锚泊式水轮机，命名为TidEL，如图1（左）所示。

该系统通过两条紧绷的锚系缆线固定于海底，翼形室和转子的浮力提供竖向缆线的张力，使系统在水下保持悬浮状态[6]。

受此启发本文作者提出的这种万向自适应、悬浮型潮流能发电机系统装置，如图1（右）所示，其设计原理是使整个系统可以漂离海底，同时缆线的牵引作用将水轮机和导流罩组成的悬浮装置锚系于海底。

该系统类似于水下风筝，工作过程中，叶轮系统的轴线第3期总是与潮流流向保持一致，可以适用不同的来流方向，从而保证较高的发电效率。

该悬浮系统的关键技术为：双导流罩和上、下平衡翼均为空心结构，上平衡翼截面加大，下平衡翼截面减小，使得整个悬浮系统浮心在上重心在下，该布局方式使得该系统具有良好的稳性；悬浮系统可根据潮流流向变化在水平面内做实时顺流姿态调整，水流方向总是与叶片旋转平面垂直；悬浮系统可依据流速大小变化在水深方向做悬浮自适应调整，较高海流下，系统自动下降到较深水层，避免结构在强流下发生破坏；较低海流下，系统自动上升到较浅水层，尽量提高系统的发电功率。

基于本悬浮装置的自适应特性，本文将着重优化导流罩水动力线型设计，以其使该系统具有更高的获能效率。

1.2导流罩的线型设计1.2.1导流罩工作原理导流罩的概念来源于风力机扩散器，是一种安装在风力机叶轮外部的集流装置，使风轮附近区域产生负压，增加了风轮对周围气流的抽吸作用，提高了风力机结构能量利用率系数。