垂直轴潮流能水轮机设计及水动力性能分析

邹淑云，黄杨成，刘 忠

(1.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114；2.华能湖南清洁能源分公司，湖南 长沙 410000)

垂直轴潮流能水轮机设计及水动力性能分析

邹淑云1，黄杨成2，刘 忠1

(1.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114；2.华能湖南清洁能源分公司，湖南 长沙 410000)

为了对比不同结构形式的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能，对三叶片-单列叶片式与六叶片-双列叶片式垂直轴型水轮机进行结构参数设计，采用CFD软件对处于特殊旋转角下的单列叶片式和双列叶片式垂直轴潮流能水轮机进行了2D流场计算，并对压力云图和流速场图进行了对比分析。结果表明：在设计流速2.5 m/s下，双列叶片式水轮机叶片受到的压力的合力大于单列叶片式，即自启动性能优于单列叶片式；但是双列叶片式水轮机在轴线旋转角为0°、60°时，叶片间会产生流场相互干扰的问题，在轴线旋转角为30°、90°时，叶片出现尾流脱节、尾流紊乱的现象。

潮流能；垂直轴水轮机；自启动性能；单列叶片式；双列叶片式

0 引言

我国可开发的潮流能资源量超过1 400万 kW，海域广阔，资源丰富[1]。潮流能水轮机作为能量转换部件，影响着整个设备的结构性能以及发电效率等，所以研究设计潮流能水轮机、优化其水力性能等是至关重要的。垂直轴水轮机因其叶片结构简单，不需要对流装置，维护成本低，正受到越来越多的关注[2-4]。文献[5]采用改进离散涡和几何精确梁理论混合方法对三叶片垂直轴水轮机进行结构动力响应分析，结果表明：当叶片高度和半径的比值大于3.0时，叶片强度将会失效。文献[6]采用水轮机旋转运动与强迫振荡运动的组合模拟立轴水轮机的纵荡和横荡运动，并用CFX软件对均匀来流中二维水轮机强迫振荡时的流场和水动力特性进行了分析，阐明了不同振荡圆频率、幅值、速比等参数对水轮机水动力的影响规律。文献[7]采用 FLUENT 软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定常数值模拟，通过 4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响，分析了潮流能水轮机水动力性能。以上研究为新型垂直轴潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。在垂直轴水轮机水动力性能预报和分析中，CFD方法相对于涡方法和流管法能够获得更多的流场瞬时信息，所以在垂直轴水轮机的设计与性能研究中得以非常广泛的应用[8-12]。

为了寻求固定偏角垂直轴水轮机的启动性能规律，文献[13]应用CFX流体-刚体耦合运动求解方法实现了垂直轴潮流能水轮机自启动过程的瞬态数值模拟，研究结果表明方位角在某些范围内启动性能较差。为了改善普通三叶片垂直轴水轮机的自启动性能，文献[14]提出了一种新型六叶片水轮机，通过数值模拟和模型试验的方法，研究了新型六叶片水轮机与普通三叶片水轮机的自启动性能和能量捕获性能，结果表明，新型六叶片水轮机总体优于普通三叶片水轮机。但是，文献[14]中并未考虑新型六叶片水轮机中新增叶片对流场的干扰，而且流速范围偏低(0.3～0.6 m/s)。为了获得性能更优的水轮机结构形式，十分有必要对文献[14]的2种结构形式水轮机的水动力性能进行分析和比较。本文在文献[14]的基础上，重新设计三叶片-单列叶片式与六叶片-双列叶片式垂直轴型水轮机的结构参数，并采用CFD软件中的2D模拟对这2种方案进行流场分析，以比较分析2种水轮机的水动力性能。

1 垂直轴潮流能水轮机结构参数设计

海洋工作环境复杂，设计时需考虑诸多因素，如水流速度、波浪影响、抗风抗浪程度、海水腐蚀等。选址一般选择少台风或无台风的水道，结合海洋流速，取设计流速为2.5 m/s。

水深对水轮机工作会产生影响。过浅会使水轮机正常工作时受波浪流影响甚至受到海流冲击力的破坏，过深则会导致垂直轴水轮机的压力载荷上升。一般选取中等水深，当水深达到海浪波长的一半时，可以忽略波浪流的影响。故本文设计中不考虑波浪的影响。海底地质构造会影响水轮机的稳定运行、抗波浪能力，一般选取基岩和较平整的底面。

三叶片-单列叶片式水轮机的设计功率P为

(1)

式中：CP为能量利用率，一般为0.25～0.45；ρ为海水平均密度；A为水轮机叶轮面积；v为海水流速。

潮流能综合流速不高，所以取设计功率PN=10 kW。使用叶片翼型NACA0018[15]，水轮机传动系统效率η=0.8，水能利用系数CP=0.3，则水轮机的输入功率为

(2)

已知v=2.5 m/s，ρ=1 025 kg/m3，由公式(1)得水轮机叶轮面积A=5.16 m2。

为了保持一定的尖速比，取水轮机转轮直径D=3 m，高度H=2 m。在额定转速为20 r/min时的尖速比

(3)

根据叶片数和尖速比的对应关系[16]，取叶片数Z=3，弦长c=0.25 m，叶片厚度σ=0.06 m。将三叶片-单列叶片式水轮机的基本参数列于表1。

表1 三叶片-单列叶片式垂直轴水轮机基本参数Table 1 Basic parameters of three-single-blade type vertical axis hydro turbines

单列叶片式固定偏角式垂直轴水轮机存在自启性能差，效率较低的缺陷。将单列叶片式改为双列叶片式，既不会影响获能效率，又能提高装置的自启动性能[14]。本文在单列叶片式的基础上设计六叶片-双列叶片式垂直轴水轮机，考虑到叶片间距太小会影响叶片的水力性能，取叶片间距为0.5 m。

为了便于比较双列叶片式和单列叶片式固定偏角式垂直轴水轮机的性能，双列叶片式的参数除叶片数Z=6外，其余参数均与表1中的参数相同。

2 单列、双列叶片式垂直轴水轮机流场分析

由于垂直轴水轮机水力特性在轴向分布均匀，所以CFD数值模拟中采用2D模拟方法对处于特殊旋转角下的单列、双列叶片式垂直轴水轮机进行流场计算。通过压力云图和流速场图的对比分析，比较单列、双列叶片式不同结构形式的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能。

2.1 流场分析初始化条件

以水轮机中心轴向右为x轴正轴，采用特殊轴线旋转角对垂直轴水轮机进行数值模拟分析。由于三叶片式垂直轴水轮机在转过120°时会与0°时完全吻合，故将特殊轴线旋转角定义为轴线逆时针转过0°、30°、60°、90°这4种。图1为单列、双列叶片式垂直轴水轮机轴线旋转角为0°时的模型图。

图1 垂直轴水轮机模型Fig.1 Model of vertical axis hydro turbines

由于转轴与水轮机叶片的距离较远，且本文主要研究叶片受力对转矩的作用，所以忽略转轴与连杆对于叶片受力和流速的影响。

对于三叶片-单列叶片式，利用CAD将2D模型导入至Gambit中，利用边界网格划分，设置水轮机叶片壁面划分单位为0.01 m。同时，为了提高计算速度，只取水轮机直径10倍的正方形为计算区域，并将外围壁面划分单位设置为1 m。使用平铺三角型结构化网格进行内部面的网格划分。设定左方为进口，右方为出口，并将除进出口外的其余壁面设置为“wall”，再分别将其余角度的网格输出。对于六叶片-双列叶片式，条件设定与单列叶片式的方式基本相同，在对内部网格划分时使用平铺三角形/四边形网格划分，避免其出现网格缺口。

2.2 流场分析结果

当轴线旋转角为0°时，单列、双列叶片式水轮机在流速为2.5 m/s下的压力云图、流体速度分布云图分别如图2、3所示。由图2可知，叶片受到的升力与推力的合力要大于阻力，所以水轮机是能够运转的，且六叶片-双列叶片式水轮机受到的合力明显大于单列叶片式，有助于提高装置的自启动性能。

图2 轴线旋转角0°、流速2.5m /s下的叶片压力分布(单位：10 5Pa)Fig.2 Blade pressure distribution at 0° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(105Pa)

图3 轴线旋转角0°、流速2.5m/s下的流速分布(单位：m/s)Fig.3 Velocity distribution at 0° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate (m/s)

由图3可知，三叶片-单列叶片式水轮机并不存在相互干扰的问题，但在叶片的背侧流速有明显改变。所以在高流速的环境下，需要考虑叶片背侧的流动速度，以防止水轮机叶片发生空化空蚀现象。在六叶片-双列叶片式水轮机中，左侧叶片之间并无明显影响，右侧叶片会产生相互干扰的问题，相对于单列叶片来说，双列叶片周围流速更低。

当轴线旋转角为30°时，单、双列叶片式水轮机在流速2.5 m/s时的压力云图、流体速度分布云图分别如图4、5所示。由图4可知，双列叶片式水轮机受到的压力较单列叶片式大，且外围叶片受力更大，内圈叶片受力较小，对于平行于来流方向的叶片，两端压力较大。

图4 轴线旋转角30°、流速2.5m /s下的叶片压力分布(单位：10 5Pa)Fig.4 Blade pressure distribution at 30° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(105Pa)

由图5可知，单列叶片式水轮机正对来流方向上的叶片一侧受力较大。双列叶片式水轮机中，液体为分层流动，并没有产生相互干扰的现象，但是在图中都出现了尾流脱节的现象，可能是因为流速问题导致了紊流发生。

图5 轴线旋转角30°、流速2.5m/s下的流速分布(单位：m/s)Fig.5 Velocity distribution at 30° axis rotation angle and 2.5m/s flow rate(m/s)

当轴线旋转角为60°时，叶片受力情况以及流速分布类似于0°的情况。单列叶片式水轮机受力要比双列叶片式强，但是双列叶片式水轮机的合力矩大于单列叶片式。流速分布图中，双列叶片式水轮机因左侧叶片垂直于来流方向，所以左侧叶片的边界液体流动速度最快，且叶片会产生一些相互干扰。

当轴线旋转角为90°时，叶片受力情况以及流速分布类似于30°的情况，双列叶片式水轮机的边界压力大于单个叶片，双列叶片式受力要优于单列叶片式，装置的自启动性能更强。流速分布图中，双列叶片式水轮机上方叶片两侧来流速度变化不大，而下方叶片由于流速的增大，可能会导致尾流紊乱或加剧水轮机叶片间产生相互影响，易产生空化空蚀现象，需要进一步研究。

3 结论

当水轮机处于设计流速时：

(1)双列叶片式水轮机的叶片受力要优于单列叶片式，装置的自启动性能得到提高。

(2)在轴线旋转角为0°、60°时，双列叶片式水轮机叶片间会产生流场相互干扰的问题。在轴线旋转角为30°、90°时，双列叶片式水轮机叶片出现尾流脱节、尾流紊乱的现象，其对空化空蚀性能的影响需要进一步研究。

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DesignandHydrodynamicPerformanceAnalysisofVerticalAxisTidalCurrentTurbines

ZOU Shuyun1, HUANG Yangcheng2, LIU Zhong1

(1. School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China; 2. Hunan Clean Energy Branch, China Huaneng Group, Changsha 410000, Hunan Province, China)

To compare the hydrodynamic performance of vertical axis tidal current turbines with different structures, this paper designed the structural parameters of three-blade single-row-vane type and six-blade double-row-vane type vertical axis turbines. We analyzed the 2D low fields of single-row-vane type and double-row-vane type vertical axis tidal current turbines under special rotation angle by using CFD software, and compared the pressure cloud diagram and velocity field diagram. The results show that the resultant pressure of the blade of double-row-vane type hydro turbine is greater than that of single-row-vane type at the design flow rate 2.5 m/s. The self-starting performance of double-row-vane type hydro turbine is better than that of single-row-vane type. But blades in double-row-vane type turbine will introduce flow field interference when the rotation angle of the axis is 0 and 60 degrees. And disjointed and disordered wake flows arise on the blades of double-row-vane type turbine when the rotation angle of the axis is 30 and 90 degrees.

tidal current energy; vertical axis hydro turbine; self-starting performance; single-row-vane type; double-row-vane type

国家自然科学基金项目(51309034)；湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(14B004)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51309034)

TK 73

A

2096-2185(2017)06-0021-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.004

邹淑云

邹淑云(1979—)，女，硕士、讲师，研究方向为水力机械设计、状态监测与故障诊断；

黄杨成(1995—)，男，学士，主要从事水电站运行与维护工作；

刘忠(1978—)，男，博士、副教授、硕导，通讯作者，研究方向为水力机械设计、状态监测与故障诊断，drliu2003@126.com。

2017-10-07

(编辑 蒋毅恒)