用于潮汐和波浪及低水头电站的新型直流式水轮机

[俄罗斯]Yu.B.什波尔扬斯基 B.L.伊斯托里克 I.N.乌萨切夫等

范春生 译自英刊《水电与大坝》2009年增刊

俄罗斯北部的谢夫马什(Sevmash)机械制造厂已生产了2台试验用的直流式水轮机,一台直径为2.5m的卧式水轮机,安装在基斯罗古布斯卡亚(Kislogubskaya)电站较低的压力钢管中,另一台直径为5 m的立式直流式水轮机,安装在 M.梅津(Malaya Mezenskaya)潮汐电站的一个单独的浮台上,与基斯罗古布斯卡亚电站的辅助压力钢管相连。

该直流式水轮机的设计参数已由现场试验所确认,最高效率为0.75,另外,它还有其他诸多优点。这些优点对于将该水轮机广泛应用于潮汐、波浪及常规低水头电站提供了有力的支持。

近20a来,俄罗斯一直致力于开发用于潮汐和波浪电站的直流式水轮机。这种水轮机不仅可以显著增加电站的经济效益,而且还有助于广泛利用由潮汐和波浪所蕴含的可再生及生态意义上的清洁能源。该水轮机基本上是在达里尤斯转轮的基础上改进而来,具有平行于水轮机轴的直叶片和翼形断面。本文还介绍了最简单、最可行的直流式水轮机的设计,其特点是具有固定安装的叶片和平行于水轮机轴的直母线。当今设计最成功的直流式水轮机可与现在风电工业(如立轴风电厂)所使用的经典轴流式风机相媲美,并且可用于低水头电站或河流、大海及海洋的明流中。本文还简要介绍了一种有趣的直流式水轮机,它有一个转轮室和压力输水管(空气管),可增加水轮机效率。同时介绍了从数值模拟计算中得到的一些结果、结论,以及水轮机的现场试验。

1 直流式转轮

该转轮可归类为一种完全浸没于气流或液流中的反击双击式机组,这种水轮机就像是受到吸力那样旋转,它显示升力在叶片运动方向上的分力作用,该升力的径向分力不做有用功,仅通过叶片连接件(流线型的径向支架加盘形轮毂)传到转轮轴上,再从轴传到安装在转轮腔室壁上的轴承上。发电机有时与升速齿轮耦合在一起,连接于从转轮腔室伸出的轴的自由端,连接方式以不影响转轮的流体流动为准,这里,流体指水、空气或任何其他气体。当直流式转轮上的压力梯度较低时,与水相比,气体可被认为是一种低密度的不可压缩流体。转轮轴垂直于流动方向布置,不仅要保证在转轮室的外端可布置发电机和升速齿轮,而且要保证在一根单轴上可同时安装几个转轮,目的是要开发一种更经济可行的多轴承且共用同一个发电机的多级转子的布置方案。

与轴流式转轮(威尔士转轮除外)相比,直流式转轮另一个最大的优点是转轮的旋转方向不随流动方向的改变而改变,即,如果转轮室是中心对称的,则当流动方向改变时,出力是不变的,所以,直流式转轮确实适合于双向运行,而双向运行是潮汐或波浪电站最有效的生产方式。直流式转轮的这一特性与叶片周围流动方向的改变有关,相对于直接流过转轮,当流体沿盘状轨迹从凸断面流进、从凹断面流出时,叶片周围的流动方向是变化的,这种方向的改变发生在靠近转轮室壁的特殊的轨迹点上。

直流式转轮的数值模拟和现场研究的目的是开发出一种结构简单、技术可行、可靠性高、相对便宜,且能量参数高的转轮,这一工作相当复杂,它必须考虑叶片绕流的不稳定特性,这一特性是由转轮每转一周时在叶片轨迹的某些特殊点上发生的流动环量的周期性改变所引起。

如果轴流式转轮不具备效率和出力优势,那么,直流式转轮将优于轴流式转轮。

2 过去和现在的研究

2.1 直流式转轮的研发

20a前,加拿大科学家[福雷(Faure),1986年]首次使用直径0.63 m的模型进行了直流式转轮的研发,他们将几种型式的转轮安放在单向流转轮室中,压力钢管在转轮进口收缩,在转轮出口扩散。研究结果表明,直流式转轮的最大效率不超过0.37。几乎同时,几名日本科学家在一个矩形渠道中,针对几台直径0.2m级的小尺寸直流式转轮模型进行了研究,结果显示,当水头大于1.5m时,这些转轮发生初生空蚀,且转轮效率也明显降低[高松(Takamatsu)等,19853年]。从此,这种转轮受关注的程度骤减。

与此同时,以理想流体非线性运动方程数值解为基础,开发了一套针对直流式转轮的简化数学模型[伊斯托里克(Istorik)和什波尔扬斯基(Shpolyanskij),1991年],在这个模型中,认为沿着圆形轨迹运动的叶片是一个不连续的表面,在此表面,动量按叶片与流体之间力的相互作用进行传送,方程的右侧包括叶片翼形的升力和阻力系数,这一系数在风洞中按照攻角进行翼形研究时确定。在给定速度下,叶片沿着圆形轨迹运动时,给定计算区域的初始和边界条件,采用有限差分方法,对输入方程进行封闭的数值计算可得到攻角。

大量的数值研究结果给出了直流式转轮的综合无量纲参数和典型的速度矢量和压力分布,这些计算结果反过来确认了机组的运行原理,同时还显示直流式转轮的最大理论效率可接近0.90。

以上介绍的模型考虑了直流式转轮的极端情况,即与直径相比可忽略叶片翼形尺寸,且叶片遮盖程度相对较小、直径非常巨大的转轮的情况。当时,由于计算机的存储和处理能力有限,要开发更复杂的数学模型几乎是不可能的,因此,数值分析的良好结果成为系统实体研究的基础。这种实体研究是在一个压力试验台上,采用一台直径为0.25m的直流式转轮模型进行的,其重点在于优化转轮室和直流式转轮的结构,研究得出了一些新的技术措施。

这些新的技术措施使得这台直流式机组在静水头为 3～4m、吸出水头为 0的情况下最高效率从0.37增加到了0.58。但如果水头进一步提高,如达到 6 m,最高效率反而不会超过0.52～0.55。在进行这些研究时,当时设想转轮室壁可加固导叶,然而,实际上它显著影响了这种转轮的最高效率和其他重要特性,同时还发现,直流式转轮的特性取决于叶片翼形断面的绝对和相对尺寸。

影响转轮特性的无量纲参数可采用如下方程计算:

式中 b为断面弦长;δb为叶片断面厚度 ;δ为叶片到转轮室壁的最小距离;i为叶片数;D为转轮直径。

方程(2)中的参数 σ是特征化了的转轮叶片圆形运动轨迹的投影度,σ=0,意味着没有叶片,σ=π,意味着整个轨迹被叶片所占据,也就是说,转轮是不透水的。

在数值和实验室研究时,设想转轮的最高效率受叶片雷诺数(Reb)的影响非常大:

式中 Vb为叶片线性速度;ν为运动粘滞系数。

最高效率与 Reb的关系是非线性的。当 Reb相对较低时(如0.15×106),最高效率随着 Reb的增加而增加;当 Reb≥3×106时,最高效率几乎不随 Reb的增加而增加,且基本与 Reb无关。如果考虑某些限制,如空蚀和水力学噪音,则叶片速度 Vb可增加到一定极限,尤其在实验室研究阶段,可以确定,如果 Vb低于 9m/s,则转轮效率较高。

如果转轮直径不变,则 Reb和叶片弦长的增加范围也是有限的。参数 ¯b与斯特罗哈数有关,它越高,靠近转轮室壁的水流的稳定性越差,效率越低。在其他条件相同的情况下,¯b的增加还会导致转轮过流量的减少和速度的降低,而且,转轮叶片的质量会按比例增加,显然,这将导致转轮成本的增加。因此,在转轮直径为0.25 m的实验室研究阶段,所有主要实验均是以 ¯b和 b均为0.05 m为基础来完成的。在 ¯b一定的情况下,只有增加转轮直径,才能增加 Reb,从而使转轮效率最高。所以,装置尺寸对直流式转轮效率的影响要大于轴流式或转桨式机组。因而,要设计大直径的直流式转轮,必须针对原型进行现场试验研究[伊斯托里克(Istorik)等,1998年]。

2.2 直流式水轮机在工程中的具体应用

在白海,正计划在梅津湾的梅津潮汐电站安装一台大型直流式机组,其可行性研究表明:最经济可行的方案是在水下约 30m处布置直径为5 m的立式直流式机组,其最高效率不低于0.7～0.75,3个同直径的转轮通过联轴器串联在同一根轴上构成一台三级水电机组,每级叶片高度为5 m,在该机组上,还布置有一台共用的立式升速齿轮,一台发电机及 3根平行的、水平布置的压力输水管。若要以卧式灯泡或管状贯流转轮代替,且容量相同,则代替转轮的直径要达到10m,明显要贵得多。初步估算,建设成本差别可达25%～30%。

质量明显减少,主设备成本较低,并采用成本较低的叶片生产技术(如滚轧),无须建造单独的过流坝以及具有更好的围堰合龙条件,都使得直流式机组的成本进一步降低。在梅津潮汐电站,可在200个沉箱组成的20km长的厂房内布置2000台 3级发电机组。

在梅津潮汐电站项目开工前,决定在摩尔曼斯克(Murmansk)市附近巴伦支(Barents)海岸的多伽亚(Dolgaya)湾建设一座试验性的谢韦尔纳亚(Severnagya)电站。在该电站,计划采用 3台如梅津电站的三级发电机组。在基斯罗古布斯卡亚中间试验电站,一台直径5 m、叶片高度减到 4 m的单级立轴直流式机组正在试验中。

在北德文斯克(Severodvinsk)的北方造船厂安装了一台 OGA-5型直流式水轮发电机组(及浮箱)。该转轮由海上运到基斯罗古布斯卡亚现场,在现场与压力输水管相连。在2008年夏进行的OGA-5型机组的现场试验中,通过对导叶近边的现代化处理,使得转轮的最高效率达到了0.71,其之前的效率不超过0.64。试验是在莫斯科国立建设大学研究小组的指导下完成的。在直径为5m的直流式转轮的设计中,使用了专利(伊斯托里克和什波尔扬斯基,1995年)和一台直径2.5 m、σ=0.4的直流式转轮的现场研究成果。

2.3 数值模拟方法

在现代程序的基础上,开发了一套直流式转轮的数值模拟方法,对于研究和指导更有效的近壁导流装置及转轮的设计是非常合适的。

该数值模拟方法采用各种紊流模型,在二维和三维粘性不可压缩流体的纳维尔 -斯托克斯方程解的基础上进行。在此方法中,计算域包括转轮室及压力钢管进出口。在此计算域中,压力钢管壁的轮廓(包括转轮室固定的近壁导流装置)在固定坐标系中是特定的。在转轮室中,具有中心对称的叶片系统的管状区域是独立的。由此,叶片的所有不透水表面的几何形状都是指定的。

在这一研究中,纳维尔 -斯托克斯方程在定常角速度坐标系统中轮流定义。根据质量和能量守恒定律,固定的和旋转的计算区域的边界是可渗透的并且是互相联接的。在进口边界,定义常速度矢量和流量;在出口边界,对已知流量 Q按流体状态守恒条件进行推演,计算是从假定不稳定状态下开始,直到某些初始条件加入后逐渐开始稳定时结束,所提供的结果是压力和速度的分布,在此基础上,进一步证实了水轮机运行原理的正确性,同时,通过给定流量 Q下水轮机水头和效率以及水轮机及叶片速度 Vb的计算,得出转轮的整体特性。

在确定水轮机效率时,水轮机水头以计算域边界的进出口能量差进行计算,也就是说,它包括沿压力输水管的水头损失,在这种情况下,每一次数据的改变,即使采用高级的计算方法,在现代计算机上,也需要进行7 d的计算才能得到相应的结果,因此,大量的工作被放在通过将数据转换到准三维计算来优化定义上,以加速识别转轮优化设计的过程,达到节省昂贵的、耗时的物理模拟的目的。

数学模拟的一个非常重要的作用是对本体包括翼形和级数的实验室研究结果进行测试,也可对基斯罗古布斯卡亚电站的 OGA-5型转轮的现场试验结果进行测试。

采用与现场试验相同的流量 Q=52.1 m3/s和相同的速度 Vb=8.58 m/s进行计算,结果显示,水轮机水头为2.02m,水轮机效率为0.628,在现场试验中,实测水轮机水头与计算值相差不到0.08m,实测水轮机效率为0.64。计算与实验特性如此一致,显示了数学模型的可靠性及利用这一模型进行其他计算的可能性。

使用经试验检验过的数学模型进行数值实验的结果表明,通过修改近壁导流装置的设计并在水轮机轴上装一流线型外罩,可使 OGA-5型转轮的最高效率从0.62增加到0.70。而2008年夏进行的OGA-5型转轮的现场试验表明,对水轮机设计进行合理改进后,水轮机最高效率从0.64增加到了0.71,与计算结果近似,这进一步证明了数学模型的有效性。

在使用数学模型进行大量的数值研究后,对近壁导流装置采用了比伊斯托里克等(1995年)所介绍的更有效的设计,这种改进的设计使得谢韦尔纳亚、梅津和土库斯卡亚(Tugurskaya)等电站直流式水轮机的最高效率增加到0.75。这一最高效率是使用直流式水轮机的下列参数通过计算得到的,其中,i=12,=0.0666, σ=0.8,δ/D=0.4,实际上,D=5 m,意味着 b=0.33m,δb=0.08 m,δ=0.2m。

在谢韦尔纳亚和梅津电站,其直流式水轮机的计算水头为2.5 m,然而,具有上述参数的水轮机也适合较高的水头,最高可达约3.5m。如果水头再高,而水轮机转轮布置在相对于潮汐电站最低海水位不太深的位置,则水轮机的最高效率将因空化和水动力噪声而减小。

重要的是注意转轮室的突出部位与转轮叶片旋转到这些部位时的间隙(δ=0.2m)。只要稍微减小此间隙,水轮机效率就会更进一步增加,但是不推荐这样做,因为此间隙确定了位于压力钢管进口和出口拦污栅上的流线型板之间的最小距离,而且,此距离直接影响拦污栅的水头损失。

图1所示为根据前述的数学模型计算所得参数绘制的水轮机的主要理论设计曲线,这里,假定 D≥5m,且 Reb对水轮机效率的影响忽略不计,要得到实际运行机组的实际物理量纲值,应采用下面的方程:

式中 ¯Vb为无量纲参数,也称为叶片比速;Cp为压力钢管阻力系数。

流过水轮机的平均流速 Vt是随流量和横截面积而变的,用方程表示如下:

式中 S=D◦l,l为叶片的长度(高度)。

此特性可用于双向流中,水头 H按压力钢管进出口水位的绝对差进行计算,对潮汐和波浪电站,假定直流式水轮机可在变转速下运行,要增加最大效率下的出力,流量就要达到3.3～3.7 m3/s,因此,机组的发电机配有一台换流器和控制器,以便按水头调整发电机输出,而且可自动选择最优转速。

图1 直流式水轮机的设计综合特性曲线

3 结 语

在数学模型研究、传统实验室和现场试验研究等广泛研究的基础上,开发了一种新型的低水头直流式水轮机,其主要优点概括如下:

(1)与潮汐电站所使用的可在水轮机停机时水流双向流动和双向运行的大直径轴流式水轮机相比,这种新型水轮机出力并不差。对于同等条件的波浪电站,直流式水轮机的出力还会大于轴流式水轮机。

(2)新型水轮机具有设计简单,易于制造等特点。例如,直流式机组的叶片可通过碾压来生产,从而在合理的成本下,极大地加快了水轮机大批量生产的速度。

(3)俄罗斯现在开发的潮汐电站,与使用大直径的卧式贯流式机组相比,可节省 30%左右的成本,这是因为与主要水电设备相关的建设成本大幅降低,电站的整个设计(包括同直径的几个转轮安装在同一根轴上)变得简单且不需要建设隔离坝。

直流式水轮机在潮汐和波浪电站的使用开辟了一种经济安全的开发海洋、潮汐和波浪可再生能源的新途径。