阿基米德螺旋叶片式水力发电设备简介与展望

张金凤，喻德辉，方玉建，谢立恒，唐 留

(江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

古希腊数学家阿基米德利用阿基米德螺旋线发明了阿基米德螺旋管，极大地提高了农业灌溉的效率。在后人改进之后，各种螺旋类装置应运而生，它们在排水灌溉、物料输送、心脏移植等领域发挥了重要作用。几千年的历史中该螺旋类装置大都需要驱动机械来提供动力，如以往的风车、蒸汽机和当今的电动机、柴油机[1]。到20世纪末，在可再生能源的开发进程中，阿基米德螺旋装置又焕发出了新生，欧洲人从阿基米德螺旋泵得到启示，开发出了一种新型的微型水力发电设备，因其具备诸多独特的优势，目前已经广泛应用于欧洲的低水头场合。

近年来，这一新型水力发电设备也逐渐出现在了南美洲、澳大利亚和亚洲等地区。我国是小水电大国，小型和微型水利资源极其丰富,但目前各地区的开发程度差别非常大，市场开发空间还很广阔[2]。并且我国政府十分重视微水电的发展，推广微水电技术可带来重大的经济、环境效益[3]。因此，本文对该螺旋叶片式水力发电设备(以下简称ASG)进行了分析介绍，希望有助于该高效、环保的新型水力发电装置在我国的推广利用。

1 ASG的结构和参数

阿基米德螺旋叶片式水力发电机主要由阿基米德螺旋转轮(以下简称AST，见图1)、圆筒槽、变速箱和发电机组成。AST置于圆筒形的水槽中，该水槽可以是环绕螺旋转轮的圆管，也可以是围绕螺旋转轮下半部分的半圆管。AST两端用轴承支撑固定，使得螺旋叶片外缘与圆管内壁面保留一定的间隙δ。实际中的ASG转速较低，所以在发电机前通常需要接入变速箱。

图1 阿基米德螺旋转轮[6]Fig.1 The Archimedean screw[6]

AST由空心圆管以及垂直缠绕在管上的螺旋叶片构成，其叶片数N可以是一个或多个，且在圆周上均匀分布。d是螺旋转轮的直径，dm是圆筒管的外径，每一个螺旋叶片都有相同的螺距P，螺旋叶片在轴向也是彼此均匀分布，他们的间隔取决于叶片数量，螺旋叶片的总长L是轴线方向上起点到终点的距离[4,5]。AST的主要参数见表1。

表1 阿基米德螺旋转轮参数Tab.1 Parameters of the Archimedean screw

2 ASG布置方式及分析

目前在实际应用中，ASG主要有2种布置方式，分别是倾斜布置和水平布置，不同的布置方式在结构上也有所差异。

2.1 倾斜布置

倾斜布置如图2所示，AST轴线与水平成一定角度安装，水流从圆筒槽上端进入并驱动螺旋叶片，从而带动轴和发电机旋转而发电，这是目前较普遍的安装方式，适合溪水、河流、排水渠道等众多低水头场合。值得注意的是，此种布置方式下的空心圆管与螺旋叶片、圆筒槽应有足够的长度差，以使ASG上端零部件远离入流水面。另外，下端轴承选用的是水润滑轴承，不需润滑油和密封，既环保又减少维护成本。

图2 倾斜布置Fig.2 Inclined axis turbine

有研究者认为是流经螺旋叶片的水流的重力驱动了AST，并作出假设：如果水的重力全部作用在叶片上并且忽略机械损失，那么水流的能量将全部转化为电能[7]。后来这种观点遭到了否定，因为螺旋转轮中水的重力大部分作用在了固定于地面的圆筒槽上,施加在螺旋叶片上并对其做功的重力几乎可以忽略。Müller等认为驱动AST的主要是水流的冲击和静压的联合作用，由于螺旋转轮中的水流是呈阶梯状流向下端出口的，所以螺旋叶片上下游存在水头落差，导致上游的静压F2大于下游的静压F1(见图3)，从而水流的压差和冲击驱动AST旋转[6,8]。

图3 理想的AST[6]Fig.3 Idealized Archimedean screw[6]

2.2 水平布置

水平布置适合水面较宽、水头接近0的河流、湖泊等场合，见图4。

图4 水平布置[11]Fig.4 Horizontal axis turbine[11]

特别地如果是在沿海区域，那么不论潮涨潮落，AST正转或反转都可以为ASG提供发电的能量。这种ASG在结构上省去了圆筒槽，且AST的轴线可以平行或者垂直来流方向，还可以采用多台ASG串联或并联的组合方式来安装[9-11]。

此外,水平布置时没有压差的作用，即只有水流的动能转化为了电能[12,13]。因为转化能量的原理不完全相同，所以水平布置的螺旋转轮应采用不同的设计方法，但目前的设计仍参照倾斜布置的螺旋转轮，所以水平布置下的转轮还需更多的研究改进，以充分转化水流的动能，提高转化效率[8]。

3 ASG的特性

1993年欧洲公开报道了第1台阿基米德螺旋叶片式发电机[14]。之后数以百计的ASG在澳大利亚、德国、英国等地区安装并运行[15]。ASG专门适用于0～10 m的超低水头，发电功率为1～500 kW，这一新型的微型水力发电设备有许多独特的优点。

3.1 适应超低水头和流量不稳定，效率高

ASG最大的优势是在超低水头情况下，转化能量的效率高于传统的反击式或冲击式转轮，即使在水头接近0时，它也最易保持高效[16]。同时AST可以在较宽的流量范围高效的运行。由图5中曲线1可知：即使在0.2倍最大流量下AST也能保持较高的效率，其最高效率超过了90%，只有Kaplan式转轮效率略高于AST，但是它运行的流量范围没有那么宽。

图5 不同转轮的效率曲线[21]Fig.5 Efficiency curves of different turbines[21]

国外对ASG机组效率也有研究报道：Hawle和Pelikan(2012年)对欧洲电站的调查表明：实际应用中ASG机组平均效率为69%，此类发电系统的最高效率超过了75%[17]。Brada(1999年)报道，德国的一个ASG装置的效率达到了80%[18]。某试验研究中[11]，最佳入流条件下的ASG效率达到了83%。甚至有变转速的ASG产品效率可以稳定在80%～85%[19]。袁林娟等人针对国内低水头微型水轮机效率低下的问题进行了优化设计，样机试验结果表明效率提高了23%，达到了76%～80%，比市场上同类机组效率高出40%～50%[20]，可见ASG比起国内低水头微型水轮机有较高的效率。

3.2 生态与环境友好

近年来为保护鱼类，西欧和北美研发出了转桨式、灯泡式以及贯流式等鱼类友好型水轮机，但这只能解决下行鱼过坝的问题[22]。而AST转速低、叶片间的空间大，鱼类直接就能够安全地通过(不论顺流还是逆流)。此外，ASG施工不必拦截河道，鱼类可以正常的洄游，从而保证了上下游鱼类生物的繁衍生息，同时也不会影响到河流排洪、灌溉的作用。余传萍[23]指出以常规模式开发微型水电站会对农业灌溉和生态环境造成一定的影响，这是制约我国微水电发展的重要因素之一，而如果能在我国推广ASG就可以较好地解决这个问题。

关于螺旋转轮鱼类友好性的研究国外还有较详细的报道。Kibel(2008年)在英国德文郡对鱼类通过某电站螺旋转轮的情况进行了较全面的分析研究，其结果表明：在所有工况点鱼类都可以安全通过[24]。英国环境局建议在ASG系统的入口放置粗格栅，防止较大的鱼进入而受到伤害，或者在螺旋叶片前缘安装橡胶缓冲器[25]。然而Kibel(2009年)的研究发现，AST叶片外缘的速度达到4.5 m/s时，1 kg以下的鱼是安全的，不需要在叶片前缘加任何保护措施。他建议，如果没有放置粗格栅导致1 kg以上的大鱼进入，那么为了防止伤害大鱼，要么保持外缘速度不超过3.5 m/s，要么在叶片前缘安装橡胶缓冲器[26]。

3.3 经济成本低、收益快

作为超低水头微型水力发电装置，ASG的土建工程小，通常只需修筑一条混凝土水渠，且AST结构简单，没有复杂的转轮和导叶，所以投资成本低。此外，AST可以顺利通过漂浮的杂物，不需要安装格栅和定期清理，这样也可以节省人力和清理设备的成本[8]。对此胡霆也有较详细的介绍：在超低水头场合常用的是灯泡贯流式水电机组，成本高于25 000 元/kW，若小型化后成本甚至高达35 000 元/kW，而ASG的成本大概在15 000 元/kW左右[27]。

3.4 维修方便、寿命长

AST转速低、结构简单，所以稳定性高、不易出现损坏，敞开的结构也便于维修。除了轴承、密封等易损件，机组寿命至少为30 a[28]。

4 水力设计与优化的探讨

对水力发电装置而言，设计高效率转轮的关键是根据外部参数设计出与之匹配的几何参数，常规水轮机的水力设计就是根据水头选取合适的比转速，再确定直径比和转轮直径，最后确定其他的几何尺寸[29]。而目前AST的设计基本都是参考了阿基米德螺旋泵的设计方法[5,30,31]，即根据外部参数选取转轮主要参数与转轮直径的比值，见表2。此外再参照相关经验、公式确定叶片厚度以及转轮外缘与圆筒槽内壁的间隙。

表2 主要参数与转轮直径的比值Tab.2 The ratio of the main parameters and the AST’s diameter

虽然这种简单的经验设计方法有一定的成效，但并不能作为ASG水力设计的理论依据。因此目前还没有归纳ASG水力设计的理论，仍缺少完善的水力设计方法。

Müller和Senior[6]指出ASG的效率通常由相关参数和损耗共同决定，相关参数见表1，它包含了螺旋转轮的水力设计参数和外部参数，目前相关的研究初步总结了它们对效率的影响。

4.1 转轮水力设计参数

(1)直径比Dr。根据流量来确定转轮直径的大小，在流量充分的情况下直径的增大可以输出更多的电能，但是直径一般不会超过4 m[14],这是因为在焊接叶片和内筒轴时有疲劳限制[32]。如果引进新材料，比如乙烯基酯，那么直径还可以制造得更大[19]。参考国外的AST模型，直径比可取0.2～0.55，如果直径较大，那么直径比也取较大值。

(2)螺距比Pr。Rorres[33]研究表明螺距比对AST的效率有显著的影响,Lyons[5]在常见的螺距比范围内选取了Pr=0.8、1.0和1.4的AST进行研究,结果显示电能与效率都随着螺距比的增加而增加。Lyons分析指出，较大的螺距会得到更大的静压差，从而产生更大的转矩，但是螺距较小时泄漏损失也会更小。

(3)转速n。AST的转速通常为25～80 r/min，对于泵装置而言增加转速可以增加其效率[33]，但是该结论不能直接应用于AST。Müller和Senior认为在理论上转速与效率无关[6]。Lyons[5]和Nuernbergk[14]研究表明转速较低时AST的机械损失会较小，即效率会较高，但是当转速较低时，ASG就需要安装更复杂的变速箱，这会增加装置的成本。国外有报道[19]ASG可以设计为变转速，在不同流量下它可以保持最高效的运行状态，效率可以稳定在80%～85%，但它的初期成本要高于固定转速系统[30]。

4.2 外部参数

(1)长度比Lr。在一定范围内AST越长，水流通过时就会转化出更多的能量[35]。但是因为系统存在损失，所以AST长度增加到某一值时，效率会达到最大值，AST的长度比Lr可取2～5[36,37]。在特定环境下可以通过改变安装角度来改变AST的长度。

(2)流量Q。AST适用的流量范围广，在0.1～50 m3/s情况下可以高效的运行[11]。对同一AST,流量增加后效率和电能都会增加，并且AST存在一个最大的流量值[5,15]。当流量减小时，效率会显著降低，因为ASG系统损失所占的比例变大了[5]。但是当流量大幅度的变化时，ASG也可以正常运行，见图5[21]。

(3)安装角度θ。安装角度即AST轴线与水平面的夹角，在一定水头落差情况下，也可以通过改变AST的长度来改变安装角度。Muller[6]给出了0°～50°的安装角度与效率的关系：随着角度逐渐减小到0°，效率也逐渐增大接近于1，Raza[32]的研究也证实了减小安装角效率增大的结论。然而，Lyons[5]的研究结论却相反，他对17.2°～34.7°的5个角度进行了试验，发现安装角度较大的条件下效率较高。此外，Wright在28°～35°范围内对Pr=0.6的AST的试验研究表明，安装角度在31°±3°是比较合理的，超过了34°效率会有所下降[38]。所以目前效率和安装角的研究结论还存在分歧，有待更深入的研究。

5 展 望

5.1 设计理论和方法

目前AST的设计大都参考阿基米德螺旋泵(ASP)的设计以及相关经验公式，在具体环境下AST的设计还没有充分的理论来指导，未来应完善AST的理论和设计方法。且倾斜布置时安装角度的研究结论还存在争议，关于水平布置的ASG也只有少量的报道，还有待更多的研究。

5.2 研究方法

相比于泵类装置AST的研究还远未成熟，相关研究主要基于实地调查、试验和少量的数值计算。William介绍了AST的三维建模与网格划分，并运用数值模拟总结了内部流场和压力分布规律[39]。Jacob利用CFD软件对封闭管道内不同螺距的AST进行了空化研究，初步总结了空化发生的位置以及条件[40]。运用数值计算可以对AST进行较全面的分析，而且成本较低，所以未来在数值计算方面应投入更多的研究。

5.3 ASG在我国的潜在市场

(1)偏远、分散地区供电。目前我国仍有相当一部分居民生活在缺电的偏远、分散地区，电网输电技术难度大、经济成本高，而这些区域的微水利资源大都十分丰富，如四川、云南、贵州、江西、广西、西藏等地区的微水利资源占全国的50%以上，且“三小电”中的微水电是最为经济可靠的发电方式[41]，如上所述ASG相对于传统的微型水电技术拥有众多优势，若能在这些区域得到应用，不仅能满足山区人民的用电需求，还有助于当地的经济发展。

(2)农业设备的配套动力。在我国粮食主产区如东三省，由于农业灌溉的需要已经建有较成熟的水利设施，也配备了现代化的灌溉设备，但是还缺少配套的农用动力[42]，若利用当地的水利设施(如堰坝、水库生态水放流处等)安装ASG，便可解决这些农业设备的供电问题，提高农业现代化水平。

(3)城市水处理设备供电。我国最新的环保法为ASG提供了新的市场，如城市地表水处理设备的供电，若对某些河流治理设备专线敷设，成本极高[27]。由于城市河流的水头很低，流量也不稳定，因此适合用来开发ASG，从而实现就地发电自用，为环保治理设备提供电力供应。

(4)水库、水电站的能量回收。我国有大量的水库和水电站，其下游排放的生态水的能量还有待开发利用。若在水库、水电站下游安装ASG回收能量，不仅创造了经济效益，还起到了节能减排、促进生态文明的作用。

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