小型水流能发电装置设计与仿真

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(1.国网湖北省电力公司 恩施供电公司，湖北 恩施 445000；2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063；3.长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443000)

水流能源具有清洁、无污染、可再生等特点，被逐渐开发并转化为机械能、电能等形式。在许多流速较低水域，监控、导航设施都需要一个独立的电源系统维持其正常工作，依靠人工充电比较困难，成本也很高[1-2]。为适应低流速水域，以低速启动且输出较大转矩的水流能发电机技术，是当前有待重点研究和开发的新能源技术之一[3-6]。文中针对低流速(≤2 m/s)水域，设计开发达里厄型垂直轴式水流能发电装置，与水库式和水平式等传统发电装置相比，具有更灵活、更有创新空间和发电效率更高等优点；适用于趸船或航标船，对船舶本身的结构强度及稳性影响较小。

根据设计经验给定功率系数(水能利用系数)CP、叶轮实度σ,以及叶尖速比λ等参数，确定垂直轴式水流能发电装置叶轮的几何外形尺寸；然后采用CFD技术对该发电装置的叶轮的水动力学和整机性能进行模拟仿真，进而对垂直轴式水流能发电装置的设计方案进行检验和修正，使之尽可能地捕获更多的能量[7]。

1 发电装置设计

利用达里厄型垂直轴式发电装置进行水力发电，主要确定垂直轴式水流能发电装置叶片数、叶轮直径、叶轮高度、叶片翼型、叶片弦长以及导流装置[8-10]。

1.1 设计目标

针对水流速度较低水域，利用达里厄型垂直轴式水流能发电装置将水流能转化为电能，为该水域的监控、导航设施或趸船上的电力设备提供一个独立的电源系统以维持其正常工作，其主要设计参数为功率100 W；水流速度1 m/s；传动效率97%；发电机效率98%。

1.2 叶轮设计

1)功率。达里厄型垂直轴式水流能发电装置从水流动能中捕获的功率为

(1)

式中:P——发电机的实际功率，W；

ρ——水的密度，1.0×103 kg/m3；

S——叶轮迎水面积，m3，为叶轮直径D以及叶轮高度H的函数；

v——上游流速，m/s；

CP——叶轮功率系数，由表1中可以查到H型达里厄型叶轮的功率系数为0.40，尖速比λ为5～6；

η1——传动效率；

η2——发电机的效率。

表1 能量利用系数CP和叶尖速比λ

2)叶轮的高度。一般情况下，叶轮的高径比H/D与叶轮高度H，以及叶轮直径D之间存在的关系为H/D=0.8～1.2。

3)叶片。选取NACA XYZZ系列翼型。

4)叶片数。叶片数N一般在2～5片之间。

5)叶片弦长。叶片弦长L通常为

(2)

式中:R——叶轮半径，m；

σ——叶轮实度，一般在0.1～0.6之间，本设计取σ=0.6；

N——叶片数。

6)叶尖速比。λ为叶尖速比，计算公式为

(3)

式中:n——叶轮转速;

R——叶轮半径;

v——上游水流速度。

由表1可以查到H型达里厄型叶轮的叶尖速比为5～6，设计中取λ=5.5。

通过以上设计步骤和公式，装置结构见图1，计算结果见表2。

参数数据类型H型叶片翼型NACA系列叶片数N3叶轮实度σ=NL/R0.6高径比H/D1.0直径D/m1.0高度H/m1.0叶片弦长L/m0.1叶尖速比λ5.5雷诺数Re3.6×106最大功率系数CPmax0.40叶轮额定转速n/(r·min-1)105

若采用功率为300 W，速比为10，额定转速为1 500 r/min的微型增速箱，传动效率η1=97%，发电机的发电效率η2=98%，则该发电装置捕获水流动能功率可用式(1)计算得

结果大于100 W，满足供电要求。

2 水翼叶片动力学及其仿真

达里厄型垂直轴式水流能发电装置的叶片是将水流能转化为机械能的关键零部件，其翼型对发电效率会产生比较明显的影响，因此有必要对发电装置叶片翼型的选型进行研究探讨[11]。利用Fluent仿真软件，分析研究不同叶片翼型在相同叶尖速比的升阻比，选择合适的叶轮翼型；针对选中的叶轮翼型进行水动力学分析[12]。

2.1 几种典型翼型的升阻比

选取NACA XYZZ(X-相对弯度，Y-最大弯度位置，ZZ-相对厚度)系列翼型,是美国NACA最早建立的低速翼型，具有较高的升力系数和较低的阻力系数。为选择合理的翼型，以水动力学为理论基础，利用Fluent软件对3种翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412的升阻比进行仿真计算，从而选择合适的翼型。

选取相同来流速度1.0 m/s，雷诺数3.6×106，在不同攻角(0～20°)时，经过计算分析得到3种翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412在不同攻角下的升阻比，见图2。

图2 3种翼型的升阻比

由图2可见，当攻角在0°～6°时，3种翼型的升阻比均随攻角的增加而增加；当攻角在6°～15°时，3种翼型的升阻比均随攻角的增加先减小后增大，攻角在10°左后时，出现波谷；然而当攻角在15°～20°时，3种翼型的升阻比均随攻角的增加而减小。总体而言，当攻角为15°时，3种翼型的升阻比到达最大值。比较得到，在攻角相同的情况下，NACA4412的升阻比均要大于其他两种翼型叶片的升阻比，说明其水动力学性能好于其他两种，因此选择NACA4412翼型叶片为本设计中的叶片。

2.2 NACA4412叶片水动力学分析

2.2.1 边界条件

选取来流速度0.5 m/s，雷诺数3.6×106，攻角为15°，利用Fluent对NACA4412翼型叶片进行水动力学分析。

1)划分网格[13]。选择网格类型Pave，设置 Internal Size=0.02，叶片周围网格采用自适应的四边形网格。网格划分结果：Pave size为0.02，Mesh Faces为18 878。

2)设置翼型外部流场。流场长度20L(L为叶片弦长)，高度6L。流场速度入口距离翼型左端6L，流场出口距离叶片尾端14L，上下边缘距离叶片分别为3L，图3为叶片的网格划分和边界条件加载。

图3 导入Gambit中的几何翼型

2.2.2 仿真结果分析

经过Fluent求解处理器求解计算得到NACA4412翼型叶片在水流场中的速度分布云图(见图4)和压力分布云图(见图5)。

图4 流场速度分布云图

图5 压力分布云图

从图4可见，NACA4412翼型叶片上表面最大速度为0.556 m/s，周围无分离涡出现，说明其水动力性能较好，能很好地将水流能转换成电能。

由图5可见，在叶片上下表面有两个等压环，其中下表面的等压环压力值要大于上表面的等压环压力值，其中最大静压力为270.243 Pa，最小为-49.657 Pa。上下表面的压力差是叶片升力的来源，当叶片以一定攻角在水中转动时，升力的分力提供水流能发电装置叶片的转动力矩。

仿真结果表明，叶片上下表面的压力差较大，能为水流能发电装置叶片提供较大的转动力矩。

综合分析图4和5，叶片上表面，前沿上部水流速度急剧增大至最大值，叶片上表面的压力也急剧缩小，此时极易产生气蚀现象。这种现象在水流发电机叶片叶端的高速减压区经常发生，使金属表面上的保护膜被破坏，从而加快了腐蚀速度。在叶片的设计和加工过程中可以采取以下方法减小或避免气蚀现象[14]：①叶片表面采取流线型设计，减小或避免局部涡流和扰动现象，从而有效地防止气泡的产生；②减小叶片表面的粗糙度；③叶片表面进行喷涂处理，增加其耐腐蚀性；④选择高强度、高韧性的金属材料，能够有效地提高抗气蚀能力。

3 导流装置设计及水流发电机整体仿真

利用Fluent的MRF(moving reference frame)模块，模拟简化的达里厄型垂直轴式水流能发电装置叶轮和周围水流速度关系，验证设计方案的可行性，同时考察装有导流装置的水流能发电装置运行时周围流场的布置情况[15]。

3.1 水流能发电装置叶轮流场分析

此发电装置选用NACA4412翼型，由3片叶片以120°夹角均匀布置在主轴周围，转速为105 r/min，逆时针旋转，来流速度1.0 m/s，雷诺数为3.6×106，攻角15°。利用Fluent中的MRF模块对垂直轴式水流能发电装置叶轮进行流场分析。

1)网格划分。选择四边形网格(uad)分别对外部圆环和内部小圆进行网格划分，Internal size为0.2，网格图见图6。

图6 三叶片水流能发电装置网格划分

2)边界类型和区域类型。两圆环交界处边界类型设置为Wall,外部圆环和内部圆环分别设置为Fluid1和Fluid2，见表3。

表3 水流能发电装置整体仿真边界条件设置

经过Fluent求解处理器计算得到流场速度云图见图7。可以看出水流能发电装置叶片所在区域的速度较大，向区域内外速度逐渐减小，中心点的速度接近于0；其次，叶片所在区域的速度变化也较快，说明此水流能发电装置叶轮区域水流速度分布与实际情况相符。

图7 水流机叶轮水流速度流场云图

3.2 导流装置设计及数值仿真

为了提高水流能的利用率，增大与叶轮接触区域的水流速度，在叶轮所在区域设置一个导流罩，以期获得更大的水流能量和力矩。为了验证导流装置对垂直轴式水流能发电装置流速及流场的影响，在3.1的基础之上，利用Fluent中的MRF模块对带有导流罩的垂直轴式水流能发电装置进行仿真分析，选取来流速度1.0 m/s，雷诺数3.6×106，水流速度攻角15°，逆时针旋转。考虑工程实际情况，在Fluent中绘制流场几何图形，选择自适应四边形网格对流场区域进行网格划分，见图8。

图8 流场网格划分

在Fluent中进行迭代计算得到垂直轴式水流能发电装置的流场速度云图，见图9。

图9 整体流场速度云图

从图9中可以看出，在叶轮与导流装置的间隙，水流的速度得到了较大的提高，最大值达到了1.69 m/s，说明导流罩的设置起到了加速水流的作用。但从其后部的流场分析，导流装置分散了一定的来流水力动能，水流能发电装置尾部出现漩涡分离，降低水动力性能。

4 结论

达里厄型垂直轴式水流能发电装置中叶片的翼型对发电机获能效率有重要影响，合适翼型的叶片能够明显地提高其发电效率；导流装置的设置提高了与水流能发电装置叶片接触区域水流的速度，能够有效地增加发电装置捕获水流动能的效率，但对流场能量的耗散有一定的影响；利用Fluent数值计算方法可以有效地检验现有达里厄型垂直轴式水流能发电装置设计指标和性能。本文设计研究的垂直轴式水流能发电装置能很好地满足设计要求，其设计方案和数值计算方法为合理利用低速水流能转化电能提供了参考和理论依据。

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