-潮流能水轮机水力特性研究_刘德民

1世界潮流能发展状况简介

近年，全世界对电力的需求不断增加。2008年，世界电力需求16819TWh ，据估算，到2035年，世界电力需求将达到32922TWh ，因此全球能源紧张的局面不容乐观。目前，使用清洁、可再生能源已经成为全球共识，在全球新增电力供给中，可再生能源几乎占据了半壁江山。另一方面，随着全球工业化进程不断加快，陆地资源已经开发殆尽，工业化开始向海洋寻找出路，海洋工业文明时代正在来临。世界和平组织在其“能源革命”研究报告2011中，预测海洋能在未来10年可以达到年均70%的增长率。

海洋能具有可预测性好、靠近负荷中心、环境友好、发电成本低于海上风电等特点，具备较大开发价值。以潮流能为例，世界潮流能可开发量在80,000MW 以上，中国则是世界上潮流能资源丰富的地区之一，潮流能储量达到13948.5MW,见下表。

海洋能资源储量[1]

能

源

储量（TWh/年）

温差能44000波浪能29500潮汐能7800盐差能1650世界海洋能总储量

82950

世界海洋能商业化开发还处于起步阶段，目前

已经安装的联网型海洋能以潮汐坝为主，其他海洋能转换设备尙处于研发或者样机阶段，市场正在逐渐兴起。欧洲、美国、加拿大都发布了海洋能发展路线图，以整合资源，推动海洋能产业发展，其中，以英国为代表的欧洲走在了这个领域的世界前列[2-3]。1.1欧洲

欧洲正在积极推动海洋能发展，根据各国对海洋能发展规划的不完全统计，2020年，仅欧洲主要国家的海洋能装机容量就将达到4000MW 以上，潮流能占主要份额。

英国是欧洲海洋能发展最好的地区，出台了多项政策和专项基金鼓励海洋能发展。根据英国能源研究中心出台的海洋能发展路线图，英国海洋能发展可以分为4个阶段，在2020年左右，海洋能将进入大规模建设期，2050年安装容量将达到10GW 。1.2美国

2010年以来，美国出台了多项政策鼓励海洋能开发，并成立专门基金，预计在未来3年内投入3700万美元进行项目资助。2011年，美国海洋能可再生能源联合会（OREC ）发布了美国海洋能发展路线图2030，提出美国海洋能2030年发展愿景：（1）海洋能产业商业化，供应链基本完备；（2）在环境、经济、社会友好的基础上，实现至少15GW 的安装量。

摘要世界的能源出路在海洋，作为海洋能源的一种，潮流能有巨大的开发潜力。东方电气

作为能源设备供应商，也积极投入对潮流能机型的研发。翼型NACA0015是叶轮机械中的一

种通用翼型，因此它的流动特性被许多研究者关注。本文介绍了基于NACA0015翼型设计的一种适应潮流能流动特点的贯流式机型，并对该型水轮机的流动特性、出力特性、空化特性和压力脉动特性进行了计算。关键词

翼型NACA0015

潮流能贯流式水轮机水力特性

潮流能水轮机水力特性研究

刘德民程宦袁凌丽

来稿时间：2013—06

1.3加拿大

2011年10月，加拿大发布了海洋可再生能源发展技术路线图，提出要成为海洋可再生能源领域全球领先者，并提供清洁的波浪能、潮流能、河流能系统解决方案和服务。具体目标包括：（1）2016年以前，加拿大企业至少有75MW的运营业绩；（2）全球50%以上的项目使用加拿大的技术或者专业服务；（3）2030年，加拿大企业安装容量达到2000MW；（4）2030年，为加拿大创造每年20亿加元的经济效益。

1.4中国

中国是世界海洋能资源较为丰富的地区。潮流能资源可开发量达到13948.5MW，主要分布在浙江、山东、福建等地，其中浙江占到全国潮流能资源总储量的一半以上；波浪能理论平均储量为1285.22万kW，主要分布在台湾、浙江、广东、福建、山东等地。

目前，国家正在逐渐重视海洋能的发展。2010年6年，国家海洋能联合财政厅发布了《海洋可再生能源专项资金管理暂行办法》，现已运行3年，包括中节能、哈电集团都获得了项目资金补助；2011年9月，国家海洋局在《十二五海洋科学和技术发展规划纲要》中指出，海洋科技研发要以海洋能等五项技术开发为重点；2011年12月，发改委能源局《国家能源科技“十二五”规划（2011～2015）》中提出，要积极开发海洋能在内的可再生能源技术研究。山东、浙江等地也在积极推动海洋能资源的开发。

1.5小结

英国和美国是潮流能产业技术的创新高地，潮流能项目技术聚合度好，水平轴潮流涡轮机成为了主流的技术发展路线。

海洋能按其储量排序分别是温差能、波浪能、潮汐能、盐差能和潮流能。盐差能和温差能技术上还存在一些关键技术待突破，从海洋能发电技术R&D项目来看，潮流能与波浪能聚合度较高，因此潮流能和波浪能是海洋能的重点研究方向。

图1为水平轴潮流能涡轮机能量转换示意图，传动链与风机相似。

与水平轴潮流能涡轮机类似，本文对一种贯流

文吐里涡轮机永磁发电机电力系统电网

潮汐流转子发电机电网水能机械能电能(1)

(2)

图1水平轴潮流能涡轮机能量转换示意图

式潮流能水轮机进行了研究。该种机型结构简单，便于电机的安装。本文亦对其能量特性、空化特性和压力脉动特性进行了简单介绍。

2基本方程

在本文的潮流能水轮机三维流动计算中，计算求解Reynolds平均的N-S方程组。进行空化计算时，为了求解汽相的体积分数引入汽相连续方程，湍流模型采用RNG -

·½³Ì£¬ÒÔ¼°ÆûÏàÁ¬Ðø·½³ÌÇó½âÆûÏàµÄÌå»ý·Ö

数[4]。

水轮机的空化计算可用如下控制方程来描述：

（1）混合物的连续性方程

和

（4）

（4）汽相的连续方程

（5）

其中：为混合流体的密度，

；为混合流体的平均速度矢量；为压力；

是粘性系数，由混合流体的分子粘性

≤

（6）

蒸发和凝结系数分别采用

，。

为：

（7）

式中，，

，

。

3边界条件

（1）进口条件

采用速度进口，在计算域进口，即进口管进口处，给定均匀流动的速度，如图2所示。

（2）出口条件

出口边界条件给定压力边界。单相流计算时采用出口静压，设定值为0，空化计算时在出口指定为压力出口，压力根据空化系数来换算。

（3）壁面条件

固体壁面采用无滑移边界条件，近壁区采用标准壁面函数。

CFX 软件被用来求解内部流动。计算中，二阶迎风格式被用来离散对流项，对扩散项采用二阶中心差分，耦合求解被使用。数值求解的最小残差设置为10-4。定常求解用来获得潮流能水轮机的能量特性，非定常求解用来获得压力脉动，定常求解作为非定常求解的初始解。

（4）时间步长非定常计算时，取时间步长为0.013889s ，是转动周期的1/360，即在每一个时间步长内转轮转过1°。

潮流能水轮机的结构是灯泡式水轮机，其叶片根据NACA0015的翼型进行优化设计，优化设计的叶片数为10个，安放角为54°，叶片直径1.51m ，如图2所示。

速度进口边界被给定，各个速度边界条件下的力矩被计算，在4m/s 的边界下的最大出力为1.5MW 。当空化发生时，出力的大小受到影响，其幅值为非空化工况下的90%。图3所示为潮流能出力与速度的关系。

图4展示了不同速度来流的边界条件下转轮叶片上的空化状态：4m/s 时，空泡覆盖了叶片背面（低压侧）的进口边，明显阻碍了水的流动；2m/s 时，空泡仅仅覆盖了叶片的叶稍和叶根部位，对流动没有特别强的干扰。

图5展示了转轮部位和出口管部位上的压力脉动随时间的变化关系，其压力脉动表现为很强的周期性。旋转部件上的压力脉动幅值图5（a ），明显强于静止部件上的脉动幅值图5（b ）。

图2潮流能水轮机结构

出口管

转轮

进口管

叶片

进口

出口