水平轴螺旋桨式海流能发电技术研究-李伟

中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-81-水平轴螺旋桨式海流能发电技术研究李伟林勇刚刘宏伟马舜（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州310027）摘要:针对水平轴螺旋桨式海流能发电装置与现代风力机的异同点，分析其发电原理。依据风力机桨叶基本翼型，考虑海水密度和海流流速等特点，利用流场仿真方法，设计了“水下风车”发电机组的桨叶，并分析了机组的传动机构、密封、水下安装等关键技术的设计方案，真实搭建了“水下风车”模型样机。通过海下发电试验表明“水下风车”机组及关键元器件的设计方案可行。关键词:水下风车风力机海流桨叶流场仿真0引言化石能源过度使用造成资源枯竭和环境恶化的问题日显突出，成为人类持续生存与发展中必须面对的重大挑战。地球表面的71％都是海洋，蕴育着巨大的可再生清洁能源，如何有效地开发利用，已成为国际学者的研究热点。“水下风车”正是利用洋流能进行发电的一种新的能源机械系统。2003年6月，英国科学家在德文郡北部海中建造世界首台机组水平轴螺旋桨式海流能发电机组，由于其结构和工作原理与现代风力机相似，故被称为“水下风车，UnderwaterWindmill”。2004年，英国海流发电机有限公司（MarineCurrentTurbine,Ltd.，MCT）制造第一台并网型，额定容量300kW的机组。2005年该公司又开发了1MW机组，并计划在2006年安装10台1MW的机组，构造小型的水下发电场[1]。而美国VerdantPower公司2005年3月在军方的资助下，于纽约东海岸建成6台35kW的机组，预计通过18月的试验，将进行200～300台的水下发电场的建设[2]。由此可见“水下风车”将逐步成为大规模利用海流能的有效途径之一。我国的海流能资源丰富，可开发的“水下风车”机组装机容量据估计可达1830万千瓦，年发电量可达270亿度。2004年浙江大学流体传动及控制国家重点实验室基金项目：国家自然基金重点项目(50735004)；国家自然基金资助项目(50505043)作者，E-mail：[e-mail]中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-82-在风力机研究设计的基础上对“水下风车”进行资料收集和原理分析，在分析水下风车机组与风力机异同点的基础上，特别针对桨叶、传动机构、密封三方面进行着重研究，2006年初搭建出一台“水下风车”样机，并于浙江省岱山县海试发电成功。1“水下风车”海流发电原理分析“水下风车”海流能发电机组由于其结构、工作原理与现代风力机基本相似[3]，因此而得名。机组通过叶轮捕获海流能，当海水流经桨叶时，产生垂直于水流方向的升力，使叶轮旋转，通过机械传动机构，带动发电机转动，发出电能。海水流动的起因很多，主要有风海流、密度流、补偿流、潮流等，实际上由单一原因产生的海流极少，往往是几个因子共同作用的结果，但有主次，近海以潮流为主，外海多为风海流和密度流。然而无论什么起因，对于“水下风车”机组，一般认为只要海流最大流速超过2m/s（约4Kn），便可进行开发利用。“水下风车”机组主要由桨叶、轮毂、传动机构、密封、机舱、制动器、发电机、整流励变控制器、对水机构、塔架等关键部件组成，其中两片或三片桨叶安在轮毂上构成叶轮，传动机构、制动器、发电机、整流励变控制器和对水机构都密封于机舱内，叶轮与机舱完全浸没在水中，叶轮的方向由对水机构调节始终保持正面迎着水流，塔架对机舱起支撑固定作用。图1为英国MCT公司300kW机组的实物图。图1MCT“水下风车”“水下风车”与风力机相比，由于所利用的能量介质不同又有自身特点：（1）海水流动方向是有规律，如由潮汐引起，水流的方向是双向，如由气候、海水密度差引起，产生的水流方向是单向。而且流速在短时间内变化幅度不大，长时间段的变化是有规律的。而风的变化是无规律、瞬息万变。因此相对与风力机，水流的稳定和可预测，对于“水下风车”机组的最优能量捕获和可靠性都是有利的。中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-83-（2）根据贝兹理论：pSCvP321ρ=（1）P为机组捕获的能源，ρ为流体密度，v为流体速度，S为叶轮的扫及面积，Cp能量利用系数。虽然海流速度很慢，机组的额定流速一般设定在2m/s左右，仅为常规风力机额定风速得1/6，但海水密度是空气的800多倍，假定Cp值相同，对于同功率机型下，“水下风车”的桨叶直径只需为风力机的0.519倍。（3）由于“水下风车”浸没在海中，机组不仅要防海水腐蚀，有很好的密封性，而且同其它涡轮机械一样，桨叶必须具备很好的防气蚀特性。2水下风车机组设计由于国外水下风车海流能发电技术研究仅开始于二十一世纪初，而且还涉及到军事用途，所以很难得到相关设计资料。因此整个设计完全依靠自主研发。2.1桨叶设计桨叶是水下风车的关键元件，直接关系到海流能捕获的效率。但是由于能量密度和流速的不同，同等直径的风力机桨叶是无法直接照搬到“水下风车”上，桨叶需自行设计。（1）翼型设计“水下风车”桨叶并不是一个标准的几何体，直接设计出合适的翼型是十分困难。由于能量捕获的工作原理与风力机相同，故设计首先考虑选择常规的NACA系列风力机标准翼型[4]，由Fluent软件对该系列的翼型进行流场压力和气蚀仿真，选择在额定海流流速和额定叶轮转速下，升力系数Cl相对最大、阻力系数Cd相对最小，且气蚀作用不明显的翼型，并进一步修改优化翼型结构，图2为桨叶翼型Fluent二维仿真图。图2桨叶二维仿真图中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-84-标准翼型数据对应的是0到1的无量纲，由翼型图可得单位尺寸下的弦长。在参考风力机空气动力学计算方法的基础上，由文献【5】得出距叶轮中心r处的桨叶实际弦长l为：949π1622200l+=RrrbClλλ（2）式中vR/0ωλ=表示叶尖速比，R为叶尖风轮半径，b为叶轮桨叶数，升力系数Cl由Fluent计算得到,图3为仿真得到的不同攻角α的升力系数阻力系数。图3升力系数和阻力系数曲线图根据实际弦长与翼型图上的弦长比值，以此放大标准翼型数据便得到所设计桨叶的真实翼型尺寸。小型的“水下风车”一般整个桨叶只采用一种翼型，而大型机组则可以采用2、3个翼型。如果计算硬件条件合适，在翼型设计时最好采用Fluent三维仿真。（2）桨叶强度设计由叶素原理[6]，计算叶轮半径r，r＋dr段叶片的受力情况，为了便于最终的桨叶负载计算，将作用力升力dFl和阻力dFd的合力分解为轴向分量dFa（方向与主轴轴心线平行）和切向分量dFu（方向与主轴轴心线垂直），如图4所示。()ICICrlFasincosd21ddl2+=ωρ（3）()ICICrlFucossind21ddl2+=ωρ（4）式中ρ为海流密度，ω为叶轮转速，I为倾斜角即攻角i与节距角β的和。利用分段积分的方法，最终算出桨叶总的轴向力Fa、切向力Fu以及叶根处的弯、扭矩，用于ClClCdCdα中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-85-强度设计。图4叶素上的力桨叶的材料对于强度设计也十分重要。玻璃钢是风力机桨叶常用的材料，然而海水的密度是空气的800多倍，同尺寸的水下风车桨叶负载比风力机大了许多，因此在设计时，小型机组采用玻璃钢的，桨叶总量轻，自启动效果好，然而对于大型机组，可借鉴轮船螺旋桨的材料，采用锰铝合金铜、钛合金或环氧树脂。（3）气蚀防护由于浸没在水中的桨叶旋转时，叶片迎流面的压力较高，而叶背处压力较低，当叶片局部压力达到或低于该点的汽化压力时，就会出现气泡。不同半径处的攻角和入流速度是不同的，迎流速度的提高和攻角的增大使叶背处的压降更加明显。温度一定时，液体的汽化压力就是恒定的，所以气蚀现象的出现与否可以根据叶片周围液体局部压力分布的大小来判断。可以通过汽化系数σ或压力系数PK来表示：2205.05.0VPghPVPPVatmVρρρσ−+=−=(5)205.0VPPKLPρ−=(6)式中P0为参考静压力，等于Patm+ρgh,N/m2；Patm为大气压力，N/m2；PV为汽化压力，N/m2；ρ为水的密度，kg/m3；h为水的深度，m；V为自由来流的速度，m/s；Pl为局部压力，N/m2。ldFudFbdFsdFddFβiωI中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-86-图5压力系数曲线图图5为通过Fluent仿真计算得到不同攻角单位弦长分布的压力系数PK。当PL＝PV或－KP≦σ时，就会出现气蚀现象。叶片的形状主要根据动力学性能和结构设计来确定。为了尽可能地提高叶片效率，就要增大叶片的升力系数Cl工作范围和攻角变化范围，同时结构上也要尽量避免气蚀的发生，如图6所示。从效率的角度看，要减小阻力系数Cd。而从结构强度上考虑，又需要有较厚的截面，尤其在叶片根部，而这又会导致较高的阻力系数。图6σ—Cd气蚀关系图不同深度对应的压力也不同，其它条件不变时，随着深度的增加可以延缓气蚀的过早出现，所以对于叶片，其气蚀最先出现在风轮扫截面的上半部。同时叶片的尖速应该足够的低以保证其不出现气蚀，而随着深度的不同，允许的最大尖速也是不同的。对于水下风车设计而言，如果仅仅为了避免气蚀而将叶轮转速控制在很低时，那么功率一定时，叶片将需要承受很大的扭矩。因此桨叶设计时，要综合考虑安装深度、转速、水流速度等综合因素。同时在桨叶的表面加覆上碳纤维可以起到减小海水内沙土磨损和气蚀损伤。-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5200.20.40.60.81α=0°α=-5°α=10°α=15°Kp单位弦长σCd中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-87-2.2传动机构设计为了尽可能减小对海洋生物生存环境的影响，机组的叶轮转速比较低，额定转速一般设定为每分钟十几转，因此在叶轮和发电机间设计了增速箱传动机构。增速箱的结构设计可参考风力机，然而目前风力机故障80％以上都是出自增速箱，水下风车机组的机舱置于水下，故障维修就更为困难，因此提高增速箱强度、疲劳寿命就尤为重要。增速箱扭矩T为nPT5509＝（5）式中n为转速。由最大流速计算齿轮箱极限扭矩，对齿轮箱内各零部件进行强度校核。又由Miner法则（疲劳累积假说），当量载荷Teq为ppnnppNTNTNTNT1eq2211eq⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++=（6）式中T1、T1、…Tn为按照大小排列的各级海流流速下载荷；N1、N1、…Nn为根据试验地海流流速变化规律，得到与T1、T1、…Tn相对应的循环次数，此两组数据可以画出水下风车齿轮箱的载荷谱；Neq为当量载荷循环次数，等于大于50％名义转矩所有载荷的循环次数总和；p为材料的试验指数。根据载荷谱和当量载荷便可对齿轮箱轮齿、轴、轴承进行疲劳寿命计算，实现各零部件等寿命设计。2.3密封机构设计图7主轴密封结构示意图为防止海水进入机舱，对内部发电机等电气元件造成损坏，整个机舱必须处于完全密封，其中主轴与箱璧间以及对水机构与塔架、机舱间的密封最为复杂，密封处存中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集-88-在旋转运动属于活动轴系密封。在设计中，船尾轴密封、机械密封、活动环密封等结构都是可采用方式，具体结构设计要根据海水压力、轴的转速以及密封造成的摩擦损失等因素进行综合考虑。此外由于海水沙土会对密封面造成磨损，需设计防沙外罩或在机舱内安置水泵产生高于密封面周围水压两倍的水柱冲洗密封接触面，如图7所示。由于密封对于水下风车机组设计是十分重要，如直到机组安置到海水下时，才发现泄漏问题，将会造成电气元件的损坏，而且再次吊装维修的成本也相当高。课题组结合现有条件，设计了机舱密封检验装置，即在由空压机向机舱内充入高于安装地水压的压缩空气，机组的主轴由电动机带动，模拟机组水下工作，在密封面涂上肥皂水，检查是否有气泡产生，即为泄漏。2.4水下安装方式对于海上风力机而言，机组的海上安装是海上风电场建设的难点之一，并会花费大量资金，据欧洲海上风电场建设经济评估资料表明：机组的水下安装约占风电场总成本的24％，而风力机