潮汐機(jī)組雙向發(fā)電性能數(shù)值模擬研究

楊春霞，鄭 源

（河海大學(xué)　能源與電氣學(xué)院，江蘇　南京　211100）

潮汐機(jī)組雙向發(fā)電性能數(shù)值模擬研究

楊春霞，鄭 源*

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100）

為了提高潮汐機(jī)組雙向發(fā)電的綜合性能，研究了采用單側(cè)、雙側(cè)導(dǎo)葉兩種形式對(duì)貫流式潮汐機(jī)組水力性能的影響。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型，采用SIMPLIC算法，分別對(duì)采用單側(cè)導(dǎo)葉、雙側(cè)導(dǎo)葉方案的水輪機(jī)全流道進(jìn)行了三維定常數(shù)值模擬，分析了正向、反向發(fā)電時(shí)水輪機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)狀況。對(duì)不同導(dǎo)葉開度下水輪機(jī)的水頭、流量和力矩等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，雖然正向發(fā)電效率有所降低，但反向發(fā)電的效率大大提高。

潮汐機(jī)組；單側(cè)導(dǎo)葉；雙側(cè)導(dǎo)葉；數(shù)值模擬

潮汐能作為蘊(yùn)藏在海洋中的一種可再生資源，蘊(yùn)藏量非常巨大，世界海洋能蘊(yùn)藏量約為20億kW，可開發(fā)利用的容量達(dá)8億kW，是可開發(fā)水電站容量的1/5，因此，潮汐能的開發(fā)潛力巨大。潮汐能是可再生、無污染的潔凈能源，與常規(guī)水電能源發(fā)電站相比，潮汐發(fā)電沒有水力發(fā)電帶來的淹沒損失和水土流失，運(yùn)行中不消耗燃料，也沒有核電站可能產(chǎn)生的輻射污染。建設(shè)潮汐電站，不需要移民，不淹沒土地，還可以結(jié)合潮汐發(fā)電發(fā)展圍墾、水生養(yǎng)殖和海洋化工等綜合利用項(xiàng)目，開發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。目前，世界上潮汐能資源較豐富的國(guó)家?guī)缀醵荚谶M(jìn)行開發(fā)利用研究[1]。

貫流式水輪機(jī)因其過流量大、轉(zhuǎn)速高、效率高，且高效區(qū)寬、結(jié)構(gòu)緊湊、布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而成為開發(fā)低水頭潮汐資源的一種最經(jīng)濟(jì)、適宜的水輪機(jī)形式。本文擬開發(fā)研究一種新型低水頭大流量雙向貫流式機(jī)組，在水頭為2.5 m時(shí)，單機(jī)出力為150 kW，轉(zhuǎn)輪直徑為1.6 m。葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉數(shù)為15。原型水輪機(jī)的主要工作參數(shù)為：額定水頭2.5 m，最大水頭3.65 m，最小水頭2.0 m，平均水頭2.5 m，設(shè)計(jì)單位流量2.0 m3/s。

采用CFD理論[2-4]進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算，計(jì)算分析采用單側(cè)導(dǎo)葉、雙側(cè)導(dǎo)葉對(duì)水輪機(jī)水力性能的影響。計(jì)算了不同導(dǎo)葉開度下水輪機(jī)的水頭、流量和力矩等參數(shù)，并計(jì)算出水輪機(jī)的效率和出力。

1　數(shù)值模擬

1.1幾何模型

圖1為低水頭大流量貫流式水輪機(jī)組的整體流道示意圖。由圖可見，在轉(zhuǎn)輪的兩邊分別有活動(dòng)導(dǎo)葉1和活動(dòng)導(dǎo)葉2。正向發(fā)電時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉2全開，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉1的開度來調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)的流量；反向發(fā)電時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉1全開，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉2的開度來調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)的流量。數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)閳D1所示的水輪機(jī)整體流道。

圖1　雙側(cè)導(dǎo)葉貫流式水輪機(jī)整體流道示意圖

1.2數(shù)值模擬方法

考慮到流動(dòng)為三維不可壓縮粘性流體，數(shù)值計(jì)算采用連續(xù)性方程和Navier-Stokes[5]方程為控制方程，即：

1.3算法及邊界條件

計(jì)算區(qū)域?yàn)檫M(jìn)水流道、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪室和出水流道。網(wǎng)格采用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件。速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍動(dòng)能粘度系數(shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。速度和壓力方程用SIMPLEC算法耦合[6-8]。在固壁區(qū)采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2　雙向發(fā)電性能數(shù)值模擬

2.1單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)正向發(fā)電性能

圖2為單側(cè)導(dǎo)葉豎井貫流式水輪機(jī)全流道示意圖。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)的一個(gè)重要部件，導(dǎo)葉是過流部件中的主要部分，水流經(jīng)過導(dǎo)葉后形成一定的環(huán)量，同時(shí)還可以均勻分布，最終軸對(duì)稱地旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。常規(guī)的水輪機(jī)只有一側(cè)導(dǎo)葉，表1給出了單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)水輪機(jī)的正向發(fā)電性能計(jì)算結(jié)果。由表1可見，只有一側(cè)導(dǎo)葉（安放在豎井末端）時(shí)，正向發(fā)電效率較高，水力性能較好。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，通過水輪機(jī)的流量降低，效率和出力也都下降。可見，對(duì)于正向發(fā)電而言，采用單側(cè)導(dǎo)葉具有較好的發(fā)電性能。

圖2　單側(cè)導(dǎo)葉豎井貫流式水輪機(jī)全流道示意圖

表1　單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉正向發(fā)電情況數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖3和圖4分別為單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉正向發(fā)電時(shí)軸面流速分布圖，由圖可見，兩種情況下，進(jìn)水流態(tài)沿豎井呈對(duì)稱分布，且水流未受到導(dǎo)葉及水輪機(jī)葉輪擾動(dòng)及環(huán)量的影響，流動(dòng)穩(wěn)定。流速比較均勻地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，流線平順，沒有產(chǎn)生局部漩渦等不良流態(tài)。

圖3　單側(cè)導(dǎo)葉水輪機(jī)正向發(fā)電時(shí)流速分布圖

圖4　雙側(cè)導(dǎo)葉水輪機(jī)正向發(fā)電時(shí)流速分布圖

2.2單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)反向發(fā)電性能

反向發(fā)電時(shí)豎井段為出水流道，表2給出了單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)水輪機(jī)的反向發(fā)電性能計(jì)算結(jié)果。由表2可見，只有一側(cè)導(dǎo)葉（安放在豎井末端）時(shí)，反向發(fā)電的效率較低，只有71.55%。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，通過水輪機(jī)的流量有所降低，但是反向發(fā)電效率大幅提高，達(dá)到80.66%，出力也有所提高?？梢姡瑢?duì)于反向發(fā)電而言，采用雙側(cè)導(dǎo)葉具有較好的性能。

表2　單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉反向發(fā)電情況數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5和圖6分別為單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉反向發(fā)電時(shí)軸面流速分布圖，由圖可見，反向發(fā)電時(shí)，單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉的進(jìn)水流線平順，流態(tài)較好；但是在豎井的末端，流道的出口都有漩渦產(chǎn)生，流態(tài)較差，水力損失較大，從而使得反向發(fā)電效率不高。

圖5　單側(cè)導(dǎo)葉水輪機(jī)反向發(fā)電時(shí)流速分布圖

圖6　雙側(cè)導(dǎo)葉水輪機(jī)反向發(fā)電時(shí)流速分布圖

3　不同導(dǎo)葉開度下計(jì)算結(jié)果分析

圖7給出了采用單側(cè)導(dǎo)葉、雙側(cè)導(dǎo)葉正向發(fā)電時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。由效率-流量曲線可見，采用單側(cè)導(dǎo)葉或雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，兩者效率隨流量的變化趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，正向發(fā)電的最高效率都在85%以上。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，其發(fā)電效率比采用單側(cè)導(dǎo)葉時(shí)有所下降。由出力-流量曲線可見，采用單側(cè)導(dǎo)葉或雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，兩者出力隨流量的變化趨勢(shì)相同，最大出力都在150 kW以上。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，水輪機(jī)出力比采用單側(cè)導(dǎo)葉時(shí)也有所下降。

圖7　正向發(fā)電數(shù)值模擬結(jié)果

圖8給出了采用單側(cè)導(dǎo)葉、雙側(cè)導(dǎo)葉反向發(fā)電時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。由效率-流量曲線可見，采用單側(cè)導(dǎo)葉或雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，兩者效率隨流量的變化趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，反向發(fā)電效率比采用單側(cè)導(dǎo)葉時(shí)大幅提高，最高發(fā)電效率達(dá)81%。由出力-流量曲線可見，采用單側(cè)導(dǎo)葉或雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，兩者出力隨流量的變化趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。采用單側(cè)導(dǎo)葉或雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，反向發(fā)電的最大出力都在150 kW以上。采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，反向發(fā)電的出力大大提高。

圖8　反向發(fā)電數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

綜上所述，采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，雖然正向發(fā)電效率和出力有所降低，但是其反向發(fā)電效率大幅提高，且反向發(fā)電的出力也有所上升。因此，考慮到水輪機(jī)的雙向發(fā)電性能，決定采用雙側(cè)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)論

本文對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)出的新型低水頭大流量雙向貫流式潮汐機(jī)組在2.5 m水頭下、不同導(dǎo)葉開度時(shí)的工況，采用單側(cè)導(dǎo)葉和雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用單側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，機(jī)組正向發(fā)電效率較高，出力較大，效率為90.49%，流量為8.45 m3/s，出力為187.46 kW；反向發(fā)電時(shí)，機(jī)組的效率很低，最高效率只有71.55%，出力為156.88 kW。

（2）采用雙側(cè)導(dǎo)葉時(shí)，機(jī)組正向發(fā)電最高效率降低到85.81%，流量為7.98 m3/s，出力為167.94 kW；反向發(fā)電的效率大幅提高，最高發(fā)電效率為80.66%，流量為8.19 m3/s，出力為162.01 kW。

（3）綜合考慮正向發(fā)電和反向發(fā)電性能，采用雙側(cè)導(dǎo)葉效果較好。

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Research on the Numerical Simulation of a Tidal Unit's Bidirectional Power Generating Performance

YANG Chun-xia,ZHENG Yuan
College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,Jiangsu Province,China

In order to improve the bidirectional power generating performance of a tidal unit,study is conbducted on the influence of two forms of design,unilateral and double guide vanes of tubular tidal unit,on the hydraulic performance of the tidal unit.Based on the N-S equations and RNG k-ε turbulence model,the SIMPLIC algorithm is used for 3-D steady numerical simulation of the turbine's whole flow passage,with unilateral and double guide vanes respectively adopted.The internal flow condition is analyzed under the forward and reverse power generating conditions.At the same time,the turbine's water head,flow-rate and moment are calculated under different guide vane openings.The results show that,with double side guide vanes,the efficiency of positive power generation decreases,but the efficiency of reverse power generation improves substantially.

tidal units;unilateral guide vane;double guide vanes;numerical simulation

TK79；P743.3

A

1003-2029（2016）05-0037-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.007

2016-07-10

中央高?；究蒲许?xiàng)目資助——潮汐電站中豎井貫流式水輪機(jī)的水利優(yōu)化研究（2015B12514）

楊春霞（1988-），女，講師，主要從事水利水電工程及流體機(jī)械研究。E-mail:yangchunxia@hhu.edu.cn

鄭源（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水利水電工程、流體機(jī)械研究。E-mail:zhengyuan@hhu.edu.cn