用于潮汐和波浪及低水頭電站的新型直流式水輪機

[俄羅斯]Yu.B.什波爾揚斯基 B.L.伊斯托里克 I.N.烏薩切夫等

范春生 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

俄羅斯北部的謝夫馬什(Sevmash)機械制造廠已生產(chǎn)了2臺試驗用的直流式水輪機,一臺直徑為2.5m的臥式水輪機,安裝在基斯羅古布斯卡亞(Kislogubskaya)電站較低的壓力鋼管中,另一臺直徑為5 m的立式直流式水輪機,安裝在 M.梅津(Malaya Mezenskaya)潮汐電站的一個單獨的浮臺上,與基斯羅古布斯卡亞電站的輔助壓力鋼管相連。

該直流式水輪機的設計參數(shù)已由現(xiàn)場試驗所確認,最高效率為0.75,另外,它還有其他諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點對于將該水輪機廣泛應用于潮汐、波浪及常規(guī)低水頭電站提供了有力的支持。

近20a來,俄羅斯一直致力于開發(fā)用于潮汐和波浪電站的直流式水輪機。這種水輪機不僅可以顯著增加電站的經(jīng)濟效益,而且還有助于廣泛利用由潮汐和波浪所蘊含的可再生及生態(tài)意義上的清潔能源。該水輪機基本上是在達里尤斯轉輪的基礎上改進而來,具有平行于水輪機軸的直葉片和翼形斷面。本文還介紹了最簡單、最可行的直流式水輪機的設計,其特點是具有固定安裝的葉片和平行于水輪機軸的直母線。當今設計最成功的直流式水輪機可與現(xiàn)在風電工業(yè)(如立軸風電廠)所使用的經(jīng)典軸流式風機相媲美,并且可用于低水頭電站或河流、大海及海洋的明流中。本文還簡要介紹了一種有趣的直流式水輪機,它有一個轉輪室和壓力輸水管(空氣管),可增加水輪機效率。同時介紹了從數(shù)值模擬計算中得到的一些結果、結論,以及水輪機的現(xiàn)場試驗。

1 直流式轉輪

該轉輪可歸類為一種完全浸沒于氣流或液流中的反擊雙擊式機組,這種水輪機就像是受到吸力那樣旋轉,它顯示升力在葉片運動方向上的分力作用,該升力的徑向分力不做有用功,僅通過葉片連接件(流線型的徑向支架加盤形輪轂)傳到轉輪軸上,再從軸傳到安裝在轉輪腔室壁上的軸承上。發(fā)電機有時與升速齒輪耦合在一起,連接于從轉輪腔室伸出的軸的自由端,連接方式以不影響轉輪的流體流動為準,這里,流體指水、空氣或任何其他氣體。當直流式轉輪上的壓力梯度較低時,與水相比,氣體可被認為是一種低密度的不可壓縮流體。轉輪軸垂直于流動方向布置,不僅要保證在轉輪室的外端可布置發(fā)電機和升速齒輪,而且要保證在一根單軸上可同時安裝幾個轉輪,目的是要開發(fā)一種更經(jīng)濟可行的多軸承且共用同一個發(fā)電機的多級轉子的布置方案。

與軸流式轉輪(威爾士轉輪除外)相比,直流式轉輪另一個最大的優(yōu)點是轉輪的旋轉方向不隨流動方向的改變而改變,即,如果轉輪室是中心對稱的,則當流動方向改變時,出力是不變的,所以,直流式轉輪確實適合于雙向運行,而雙向運行是潮汐或波浪電站最有效的生產(chǎn)方式。直流式轉輪的這一特性與葉片周圍流動方向的改變有關,相對于直接流過轉輪,當流體沿盤狀軌跡從凸斷面流進、從凹斷面流出時,葉片周圍的流動方向是變化的,這種方向的改變發(fā)生在靠近轉輪室壁的特殊的軌跡點上。

直流式轉輪的數(shù)值模擬和現(xiàn)場研究的目的是開發(fā)出一種結構簡單、技術可行、可靠性高、相對便宜,且能量參數(shù)高的轉輪,這一工作相當復雜,它必須考慮葉片繞流的不穩(wěn)定特性,這一特性是由轉輪每轉一周時在葉片軌跡的某些特殊點上發(fā)生的流動環(huán)量的周期性改變所引起。

如果軸流式轉輪不具備效率和出力優(yōu)勢,那么,直流式轉輪將優(yōu)于軸流式轉輪。

2 過去和現(xiàn)在的研究

2.1 直流式轉輪的研發(fā)

20a前,加拿大科學家[福雷(Faure),1986年]首次使用直徑0.63 m的模型進行了直流式轉輪的研發(fā),他們將幾種型式的轉輪安放在單向流轉輪室中,壓力鋼管在轉輪進口收縮,在轉輪出口擴散。研究結果表明,直流式轉輪的最大效率不超過0.37。幾乎同時,幾名日本科學家在一個矩形渠道中,針對幾臺直徑0.2m級的小尺寸直流式轉輪模型進行了研究,結果顯示,當水頭大于1.5m時,這些轉輪發(fā)生初生空蝕,且轉輪效率也明顯降低[高松(Takamatsu)等,19853年]。從此,這種轉輪受關注的程度驟減。

與此同時,以理想流體非線性運動方程數(shù)值解為基礎,開發(fā)了一套針對直流式轉輪的簡化數(shù)學模型[伊斯托里克(Istorik)和什波爾揚斯基(Shpolyanskij),1991年],在這個模型中,認為沿著圓形軌跡運動的葉片是一個不連續(xù)的表面,在此表面,動量按葉片與流體之間力的相互作用進行傳送,方程的右側包括葉片翼形的升力和阻力系數(shù),這一系數(shù)在風洞中按照攻角進行翼形研究時確定。在給定速度下,葉片沿著圓形軌跡運動時,給定計算區(qū)域的初始和邊界條件,采用有限差分方法,對輸入方程進行封閉的數(shù)值計算可得到攻角。

大量的數(shù)值研究結果給出了直流式轉輪的綜合無量綱參數(shù)和典型的速度矢量和壓力分布,這些計算結果反過來確認了機組的運行原理,同時還顯示直流式轉輪的最大理論效率可接近0.90。

以上介紹的模型考慮了直流式轉輪的極端情況,即與直徑相比可忽略葉片翼形尺寸,且葉片遮蓋程度相對較小、直徑非常巨大的轉輪的情況。當時,由于計算機的存儲和處理能力有限,要開發(fā)更復雜的數(shù)學模型幾乎是不可能的,因此,數(shù)值分析的良好結果成為系統(tǒng)實體研究的基礎。這種實體研究是在一個壓力試驗臺上,采用一臺直徑為0.25m的直流式轉輪模型進行的,其重點在于優(yōu)化轉輪室和直流式轉輪的結構,研究得出了一些新的技術措施。

這些新的技術措施使得這臺直流式機組在靜水頭為 3～4m、吸出水頭為 0的情況下最高效率從0.37增加到了0.58。但如果水頭進一步提高,如達到 6 m,最高效率反而不會超過0.52～0.55。在進行這些研究時,當時設想轉輪室壁可加固導葉,然而,實際上它顯著影響了這種轉輪的最高效率和其他重要特性,同時還發(fā)現(xiàn),直流式轉輪的特性取決于葉片翼形斷面的絕對和相對尺寸。

影響轉輪特性的無量綱參數(shù)可采用如下方程計算:

式中 b為斷面弦長;δb為葉片斷面厚度 ;δ為葉片到轉輪室壁的最小距離;i為葉片數(shù);D為轉輪直徑。

方程(2)中的參數(shù) σ是特征化了的轉輪葉片圓形運動軌跡的投影度,σ=0,意味著沒有葉片,σ=π,意味著整個軌跡被葉片所占據(jù),也就是說,轉輪是不透水的。

在數(shù)值和實驗室研究時,設想轉輪的最高效率受葉片雷諾數(shù)(Reb)的影響非常大:

式中 Vb為葉片線性速度;ν為運動粘滯系數(shù)。

最高效率與 Reb的關系是非線性的。當 Reb相對較低時(如0.15×106),最高效率隨著 Reb的增加而增加;當 Reb≥3×106時,最高效率幾乎不隨 Reb的增加而增加,且基本與 Reb無關。如果考慮某些限制,如空蝕和水力學噪音,則葉片速度 Vb可增加到一定極限,尤其在實驗室研究階段,可以確定,如果 Vb低于 9m/s,則轉輪效率較高。

如果轉輪直徑不變,則 Reb和葉片弦長的增加范圍也是有限的。參數(shù) ˉb與斯特羅哈數(shù)有關,它越高,靠近轉輪室壁的水流的穩(wěn)定性越差,效率越低。在其他條件相同的情況下,ˉb的增加還會導致轉輪過流量的減少和速度的降低,而且,轉輪葉片的質量會按比例增加,顯然,這將導致轉輪成本的增加。因此,在轉輪直徑為0.25 m的實驗室研究階段,所有主要實驗均是以 ˉb和 b均為0.05 m為基礎來完成的。在 ˉb一定的情況下,只有增加轉輪直徑,才能增加 Reb,從而使轉輪效率最高。所以,裝置尺寸對直流式轉輪效率的影響要大于軸流式或轉槳式機組。因而,要設計大直徑的直流式轉輪,必須針對原型進行現(xiàn)場試驗研究[伊斯托里克(Istorik)等,1998年]。

2.2 直流式水輪機在工程中的具體應用

在白海,正計劃在梅津灣的梅津潮汐電站安裝一臺大型直流式機組,其可行性研究表明:最經(jīng)濟可行的方案是在水下約 30m處布置直徑為5 m的立式直流式機組,其最高效率不低于0.7～0.75,3個同直徑的轉輪通過聯(lián)軸器串聯(lián)在同一根軸上構成一臺三級水電機組,每級葉片高度為5 m,在該機組上,還布置有一臺共用的立式升速齒輪,一臺發(fā)電機及 3根平行的、水平布置的壓力輸水管。若要以臥式燈泡或管狀貫流轉輪代替,且容量相同,則代替轉輪的直徑要達到10m,明顯要貴得多。初步估算,建設成本差別可達25%～30%。

質量明顯減少,主設備成本較低,并采用成本較低的葉片生產(chǎn)技術(如滾軋),無須建造單獨的過流壩以及具有更好的圍堰合龍條件,都使得直流式機組的成本進一步降低。在梅津潮汐電站,可在200個沉箱組成的20km長的廠房內布置2000臺 3級發(fā)電機組。

在梅津潮汐電站項目開工前,決定在摩爾曼斯克(Murmansk)市附近巴倫支(Barents)海岸的多伽亞(Dolgaya)灣建設一座試驗性的謝韋爾納亞(Severnagya)電站。在該電站,計劃采用 3臺如梅津電站的三級發(fā)電機組。在基斯羅古布斯卡亞中間試驗電站,一臺直徑5 m、葉片高度減到 4 m的單級立軸直流式機組正在試驗中。

在北德文斯克(Severodvinsk)的北方造船廠安裝了一臺 OGA-5型直流式水輪發(fā)電機組(及浮箱)。該轉輪由海上運到基斯羅古布斯卡亞現(xiàn)場,在現(xiàn)場與壓力輸水管相連。在2008年夏進行的OGA-5型機組的現(xiàn)場試驗中,通過對導葉近邊的現(xiàn)代化處理,使得轉輪的最高效率達到了0.71,其之前的效率不超過0.64。試驗是在莫斯科國立建設大學研究小組的指導下完成的。在直徑為5m的直流式轉輪的設計中,使用了專利(伊斯托里克和什波爾揚斯基,1995年)和一臺直徑2.5 m、σ=0.4的直流式轉輪的現(xiàn)場研究成果。

2.3 數(shù)值模擬方法

在現(xiàn)代程序的基礎上,開發(fā)了一套直流式轉輪的數(shù)值模擬方法,對于研究和指導更有效的近壁導流裝置及轉輪的設計是非常合適的。

該數(shù)值模擬方法采用各種紊流模型,在二維和三維粘性不可壓縮流體的納維爾 -斯托克斯方程解的基礎上進行。在此方法中,計算域包括轉輪室及壓力鋼管進出口。在此計算域中,壓力鋼管壁的輪廓(包括轉輪室固定的近壁導流裝置)在固定坐標系中是特定的。在轉輪室中,具有中心對稱的葉片系統(tǒng)的管狀區(qū)域是獨立的。由此,葉片的所有不透水表面的幾何形狀都是指定的。

在這一研究中,納維爾 -斯托克斯方程在定常角速度坐標系統(tǒng)中輪流定義。根據(jù)質量和能量守恒定律,固定的和旋轉的計算區(qū)域的邊界是可滲透的并且是互相聯(lián)接的。在進口邊界,定義常速度矢量和流量;在出口邊界,對已知流量 Q按流體狀態(tài)守恒條件進行推演,計算是從假定不穩(wěn)定狀態(tài)下開始,直到某些初始條件加入后逐漸開始穩(wěn)定時結束,所提供的結果是壓力和速度的分布,在此基礎上,進一步證實了水輪機運行原理的正確性,同時,通過給定流量 Q下水輪機水頭和效率以及水輪機及葉片速度 Vb的計算,得出轉輪的整體特性。

在確定水輪機效率時,水輪機水頭以計算域邊界的進出口能量差進行計算,也就是說,它包括沿壓力輸水管的水頭損失,在這種情況下,每一次數(shù)據(jù)的改變,即使采用高級的計算方法,在現(xiàn)代計算機上,也需要進行7 d的計算才能得到相應的結果,因此,大量的工作被放在通過將數(shù)據(jù)轉換到準三維計算來優(yōu)化定義上,以加速識別轉輪優(yōu)化設計的過程,達到節(jié)省昂貴的、耗時的物理模擬的目的。

數(shù)學模擬的一個非常重要的作用是對本體包括翼形和級數(shù)的實驗室研究結果進行測試,也可對基斯羅古布斯卡亞電站的 OGA-5型轉輪的現(xiàn)場試驗結果進行測試。

采用與現(xiàn)場試驗相同的流量 Q=52.1 m3/s和相同的速度 Vb=8.58 m/s進行計算,結果顯示,水輪機水頭為2.02m,水輪機效率為0.628,在現(xiàn)場試驗中,實測水輪機水頭與計算值相差不到0.08m,實測水輪機效率為0.64。計算與實驗特性如此一致,顯示了數(shù)學模型的可靠性及利用這一模型進行其他計算的可能性。

使用經(jīng)試驗檢驗過的數(shù)學模型進行數(shù)值實驗的結果表明,通過修改近壁導流裝置的設計并在水輪機軸上裝一流線型外罩,可使 OGA-5型轉輪的最高效率從0.62增加到0.70。而2008年夏進行的OGA-5型轉輪的現(xiàn)場試驗表明,對水輪機設計進行合理改進后,水輪機最高效率從0.64增加到了0.71,與計算結果近似,這進一步證明了數(shù)學模型的有效性。

在使用數(shù)學模型進行大量的數(shù)值研究后,對近壁導流裝置采用了比伊斯托里克等(1995年)所介紹的更有效的設計,這種改進的設計使得謝韋爾納亞、梅津和土庫斯卡亞(Tugurskaya)等電站直流式水輪機的最高效率增加到0.75。這一最高效率是使用直流式水輪機的下列參數(shù)通過計算得到的,其中,i=12,=0.0666, σ=0.8,δ/D=0.4,實際上,D=5 m,意味著 b=0.33m,δb=0.08 m,δ=0.2m。

在謝韋爾納亞和梅津電站,其直流式水輪機的計算水頭為2.5 m,然而,具有上述參數(shù)的水輪機也適合較高的水頭,最高可達約3.5m。如果水頭再高,而水輪機轉輪布置在相對于潮汐電站最低海水位不太深的位置,則水輪機的最高效率將因空化和水動力噪聲而減小。

重要的是注意轉輪室的突出部位與轉輪葉片旋轉到這些部位時的間隙(δ=0.2m)。只要稍微減小此間隙,水輪機效率就會更進一步增加,但是不推薦這樣做,因為此間隙確定了位于壓力鋼管進口和出口攔污柵上的流線型板之間的最小距離,而且,此距離直接影響攔污柵的水頭損失。

圖1所示為根據(jù)前述的數(shù)學模型計算所得參數(shù)繪制的水輪機的主要理論設計曲線,這里,假定 D≥5m,且 Reb對水輪機效率的影響忽略不計,要得到實際運行機組的實際物理量綱值,應采用下面的方程:

式中 ˉVb為無量綱參數(shù),也稱為葉片比速;Cp為壓力鋼管阻力系數(shù)。

流過水輪機的平均流速 Vt是隨流量和橫截面積而變的,用方程表示如下:

式中 S=D?l,l為葉片的長度(高度)。

此特性可用于雙向流中,水頭 H按壓力鋼管進出口水位的絕對差進行計算,對潮汐和波浪電站,假定直流式水輪機可在變轉速下運行,要增加最大效率下的出力,流量就要達到3.3～3.7 m3/s,因此,機組的發(fā)電機配有一臺換流器和控制器,以便按水頭調整發(fā)電機輸出,而且可自動選擇最優(yōu)轉速。

圖1 直流式水輪機的設計綜合特性曲線

3 結 語

在數(shù)學模型研究、傳統(tǒng)實驗室和現(xiàn)場試驗研究等廣泛研究的基礎上,開發(fā)了一種新型的低水頭直流式水輪機,其主要優(yōu)點概括如下:

(1)與潮汐電站所使用的可在水輪機停機時水流雙向流動和雙向運行的大直徑軸流式水輪機相比,這種新型水輪機出力并不差。對于同等條件的波浪電站,直流式水輪機的出力還會大于軸流式水輪機。

(2)新型水輪機具有設計簡單,易于制造等特點。例如,直流式機組的葉片可通過碾壓來生產(chǎn),從而在合理的成本下,極大地加快了水輪機大批量生產(chǎn)的速度。

(3)俄羅斯現(xiàn)在開發(fā)的潮汐電站,與使用大直徑的臥式貫流式機組相比,可節(jié)省 30%左右的成本,這是因為與主要水電設備相關的建設成本大幅降低,電站的整個設計(包括同直徑的幾個轉輪安裝在同一根軸上)變得簡單且不需要建設隔離壩。

直流式水輪機在潮汐和波浪電站的使用開辟了一種經(jīng)濟安全的開發(fā)海洋、潮汐和波浪可再生能源的新途徑。