新型趸船船底横卧式低速平水流发电系统设计

周利兰， 黄炜祥， 卓思雨， 马栋梁

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

0 引 言

我国水能资源的开发呈现出利用方式单一、利用率低等特点，长期以来多建坝蓄水，利用水头势能发电，对于那些水能资源丰富但不宜修建水电站的区域，水能资源尚处在未开发利用的状态[1]。长江众多码头上的趸船被用作内河港口锚地中船舶的系泊、上下船的接驳平台、货物转驳或横水渡等，在内河航运业中充当相当重要的一环，趸船建设自然成为码头基础设施建设的重要内容之一。此外，大量的趸船具有特殊性，它们远离岸边，不适宜接岸电，现多采用柴油机发电，既不经济也不环保[2]；而现有的趸船发电装置，发电效率低，纵向摆放占用空间大[3-6]。本文从空间布置、发电效率等方面入手，开发适用于趸船船底的横卧式平水流发电系统，使得趸船能实现供电自给自足，以期代替柴油机发电。

1 发电系统的设计

发电系统的设计主要以高效利用水流、产生大推力为目标进行。图1为系统布置于趸船船底的示例，系统主要由横卧式导流罩、新型水轮叶片、叶片自旋转机构组成(如图2所示)，低速水流流入导流罩，通过导流罩的加速和稳流作用后流向叶片，推动叶片旋转，从而产生电流。其简要工作流程如图3所示，系统的设计主要包括横卧式导流罩、机翼型水轮叶片及叶片自旋转机构等，设计过程中采用理论分析结合数值模拟的方法对具体设计方案进行论证分析。

图1 发电系统布置于趸船位置示例 图2 横卧式低速平水流发电系统结构

图3 发电系统工作流程

1.1 横卧式导流罩

考虑到趸船作业处水流呈低速、平水流特征，以及长江水流质点速度矢量杂乱，不利于发电装置高效发电的具体情况，发电系统通过设计横卧式导流罩来获得増流、整流、阻流的三重效果。横卧式导流罩由导流槽与挡板外壳组成，如图4所示。导流槽的截面积逐渐由大变小，水流由大截面处进入导流槽，由小截面处流出冲击水轮叶片，由流体力学中的质量守恒定理可知此设计可增大冲击水轮叶片的水流流速且使水流单向冲击叶片。设置挡板外壳的目的是挡住横向流场流向叶片的水流，从而减小水流对叶片转动的影响，即减小阻力；水流出口处设计成90°的开口而非180°的开口，可使水流作用于水轮叶片的时间更长，并且可避免横流的影响。

图4 导流罩示例

1.2 机翼型水轮叶片

发电系统采用一种机翼型的新型水轮叶片，如图5所示。水轮叶片的剖面呈机翼型，在长度方向上无曲率变化，叶根部稍有收缩且厚度较大。

在水流做正功的一侧(顺流侧)，叶片为垂直于来流姿态，水流冲击叶片正面，叶片的受力面积大，可利用凹面有效地兜住水流，带动转动毂旋转；在水流做负功的一侧(逆流侧)，叶片在水流的作用下，通过自旋转机构绕自身轴线旋转90°，此时叶片呈平行于来流姿态，机翼型设计可减小逆流阻力。由此，水流在顺流侧对叶片的推动力远大于在逆流侧对叶片的阻力，可带动水轮机旋转进行发电。

图5 新型水轮叶片

1.3 叶片自旋转机构

虽然发电系统设置有挡板外壳和机翼型水轮叶片以减少水流对反侧叶片背面的冲击，但仍有较大的阻力，为提高系统的发电效率，发电系统设计了叶片自旋转机构(见图6)以进一步减少水流冲击反侧叶片产生的阻力。设计中采用自制的转动毂以连接叶片和传动轴，转动毂上设有凸轮、叶片支承座、从动摆杆和滚子(见图7)。凸轮底部固定，叶片支承座通过推力轴承与凸轮同轴配合；叶片通过轴承固定在支撑座上；叶片轴根部与从动摆杆固定连接；滚子为调心轴承，安装在从动摆杆的凸台上，并且和凸轮路径配合。

图6 自旋转机构示例

图7 自旋转机构工程图

2 数值计算

本文采用Fluent软件对发电系统的设计进行数值计算，以验证设计的合理性和有效性，同时也可为设计提供数据基础。采用基于RANS方程的方法对计算域流场进行数值模拟[7]。叶片旋转运动所带来的流动在固定坐标系下是非定常的，但是在不考虑叶片梢涡、空泡等非定常条件下，其运动在其自身旋转坐标系下是定常的，因此本文采用相关的运动参考系方法MRF(Moving Reference Frame)来解决叶片旋转运动问题。

本文采用的计算模型尺寸如表1所示，计算分析所用的水文数据为武汉杨泗港水文数据，如表2所示。

表1 计算模型的主要尺度 m

表2 武汉杨泗港水文数据表 m/s

图8为在Fluent软件中模拟计算得到的本系统的整体速度矢量。从图中可以看出，流场速度在整流罩出口处有一定程度的增大，这样会使得等质量的水流具有更大的动能，并有利于水流冲击叶片。另外从图中可以发现，导流罩在正面迎流的一侧水质点分布较紧密，这说明导流罩具有一定的定向整流作用。

图8 Fluent分析整体速度矢量图

另外，计算分析导流槽张口角度为25°，30°，35°，40°，45°和50°时导流罩内的水质点速度矢量情况，发现导流槽的增流作用随张口增大而增强。理论计算中，取导流槽张口角度为35°；实际应用中，考虑到装置结构强度等因素，取导流槽张口角度为45°。

另外，从水轮叶片表面水质点的速度矢量分布和压力分布可发现水质点的速度在顺流侧叶片正面明显降低，水质点的速度转化为水压力对叶片做功，证明了叶片凹面迎流设计的合理性；水质点在逆流侧的速度损失小，即对叶片的阻力小，证明了叶片逆流时水平机翼型剖面设计的合理性。由压力分布图可发现在顺流侧的叶片正、背面存在较大压力差，可使叶片有效带动水轮旋转。由分析结果可知，叶片和转动毂的整体转矩为371.658 N·m。

最后，通过武汉杨泗港的水文数据(见表1)以及模型试验中得到的转速数据，分别计算水流速度v为0.5 m/s，1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s时叶片的转矩Q，由转矩Q与转速N的乘积可以得到相应发电功率，即P0=Q·N。同时，根据相应的水流速度和动能定理可以得到装置的收到功率PD=0.5ρsv3(s为导流槽进口面积，ρ为水密度)及相应流速下的发电效率ζ，如表3所示。计算中取轴系系数ηs=0.9，发电机发电系数为ηd=0.8。

表3 不同速度下的系统发电效率估算

根据以上的计算分析可知，桨叶吃水面积为0.054 m2，当流速v=1 m/s，转速N=10 r/min时，得到的输出功率为44.598 W。在实际的趸船上，根据现有趸船尺度分析可将实物装置尺度设计为试验模型的3倍，则单台装置在同等的条件下的输出功率为401.382 W，而对于1艘50 m×10 m(长×宽)的趸船来说，可以安装4套发电系统。取武汉杨泗港年平均流速1.25 m/s来进行年发电量的计算，得到1年的等效发电量为28 332 kW·h，已经能够基本满足趸船的电量需求。

3 模型试验

为验证本发电系统的有效性，获得该发电系统的发电效率，本研究在武汉理工大学拖曳水池进行试验。试验中将试验模型通过试验固定架装在拖曳水池中的拖车上，通过改变拖车速度来改变水流入流速度，以水流入流速度为变量，进行叶片转速记录，从而计算试验模型的发电效率，模型试验图如图9所示。试验中发现：当拖车速度达到1 m/s时，转速为10 r/min，功率为40 W的灯泡能正常持续发光。

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图9 模型试验图

4 结 论

设计一种横卧安装在趸船船底的新型发电系统，与常规的水平轴水流发电系统不同的是该系统为利用低速平水流发电的垂直轴发电系统。系统设计过程中采用推力大、阻力小的机翼型叶片，并设置横卧式导流罩和利用圆柱凸轮、摆杆组成的自旋转机构以使得系统能产生更大的转矩，有效提高系统的发电效率。数值计算结果和试验结果表明本系统设计的可行性和有效性，后续工作将对自旋转机构的实现和效果进行进一步的试验验证。

[1] 陆民敏.抓住内河水运发展黄金机遇期加快实现长江港口发展方式转变[J].中国水运,2011(6):34-35.

[2] 亓贺贤.利用平水流发电[J].发明与创新,2005(9):23.

[3] 范军,胡玉秋,刘惠,等.一种利用江河水动能发电的趸船水轮机[J].中国农村水利水电,2009(6):171-173.

[4] 潘诚,江蓓,罗宁，等.锚泊趸船新能源供电研究[J].交通信息与安全,2010(6):8-10.

[5] 李向荣.趸船风光互补供电系统的开发研究[J].船海工程,2012,41(5):35-38.

[6] 宋长旺.打造绿色西江黄金水道[C]//中国航海学会内河海事专业委员会海事管理学术交流会，2010:148-152.

[7] 吴明,王骁,应荣镕,等.船舶浅水航行下沉量和纵倾的数值计算[J].船舶,2013(3):7-11.