新型躉船船底橫臥式低速平水流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

周利蘭， 黃煒祥， 卓思雨， 馬棟梁

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

我國水能資源的開發(fā)呈現(xiàn)出利用方式單一、利用率低等特點，長期以來多建壩蓄水，利用水頭勢能發(fā)電，對于那些水能資源豐富但不宜修建水電站的區(qū)域，水能資源尚處在未開發(fā)利用的狀態(tài)[1]。長江眾多碼頭上的躉船被用作內(nèi)河港口錨地中船舶的系泊、上下船的接駁平臺、貨物轉(zhuǎn)駁或橫水渡等，在內(nèi)河航運業(yè)中充當相當重要的一環(huán)，躉船建設(shè)自然成為碼頭基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容之一。此外，大量的躉船具有特殊性，它們遠離岸邊，不適宜接岸電，現(xiàn)多采用柴油機發(fā)電，既不經(jīng)濟也不環(huán)保[2]；而現(xiàn)有的躉船發(fā)電裝置，發(fā)電效率低，縱向擺放占用空間大[3-6]。本文從空間布置、發(fā)電效率等方面入手，開發(fā)適用于躉船船底的橫臥式平水流發(fā)電系統(tǒng)，使得躉船能實現(xiàn)供電自給自足，以期代替柴油機發(fā)電。

1 發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計主要以高效利用水流、產(chǎn)生大推力為目標進行。圖1為系統(tǒng)布置于躉船船底的示例，系統(tǒng)主要由橫臥式導流罩、新型水輪葉片、葉片自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成(如圖2所示)，低速水流流入導流罩，通過導流罩的加速和穩(wěn)流作用后流向葉片，推動葉片旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電流。其簡要工作流程如圖3所示，系統(tǒng)的設(shè)計主要包括橫臥式導流罩、機翼型水輪葉片及葉片自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等，設(shè)計過程中采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法對具體設(shè)計方案進行論證分析。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)布置于躉船位置示例 圖2 橫臥式低速平水流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 發(fā)電系統(tǒng)工作流程

1.1 橫臥式導流罩

考慮到躉船作業(yè)處水流呈低速、平水流特征，以及長江水流質(zhì)點速度矢量雜亂，不利于發(fā)電裝置高效發(fā)電的具體情況，發(fā)電系統(tǒng)通過設(shè)計橫臥式導流罩來獲得増流、整流、阻流的三重效果。橫臥式導流罩由導流槽與擋板外殼組成，如圖4所示。導流槽的截面積逐漸由大變小，水流由大截面處進入導流槽，由小截面處流出沖擊水輪葉片，由流體力學中的質(zhì)量守恒定理可知此設(shè)計可增大沖擊水輪葉片的水流流速且使水流單向沖擊葉片。設(shè)置擋板外殼的目的是擋住橫向流場流向葉片的水流，從而減小水流對葉片轉(zhuǎn)動的影響，即減小阻力；水流出口處設(shè)計成90°的開口而非180°的開口，可使水流作用于水輪葉片的時間更長，并且可避免橫流的影響。

圖4 導流罩示例

1.2 機翼型水輪葉片

發(fā)電系統(tǒng)采用一種機翼型的新型水輪葉片，如圖5所示。水輪葉片的剖面呈機翼型，在長度方向上無曲率變化，葉根部稍有收縮且厚度較大。

在水流做正功的一側(cè)(順流側(cè))，葉片為垂直于來流姿態(tài)，水流沖擊葉片正面，葉片的受力面積大，可利用凹面有效地兜住水流，帶動轉(zhuǎn)動轂旋轉(zhuǎn)；在水流做負功的一側(cè)(逆流側(cè))，葉片在水流的作用下，通過自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)90°，此時葉片呈平行于來流姿態(tài)，機翼型設(shè)計可減小逆流阻力。由此，水流在順流側(cè)對葉片的推動力遠大于在逆流側(cè)對葉片的阻力，可帶動水輪機旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電。

圖5 新型水輪葉片

1.3 葉片自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

雖然發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置有擋板外殼和機翼型水輪葉片以減少水流對反側(cè)葉片背面的沖擊，但仍有較大的阻力，為提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了葉片自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(見圖6)以進一步減少水流沖擊反側(cè)葉片產(chǎn)生的阻力。設(shè)計中采用自制的轉(zhuǎn)動轂以連接葉片和傳動軸，轉(zhuǎn)動轂上設(shè)有凸輪、葉片支承座、從動擺桿和滾子(見圖7)。凸輪底部固定，葉片支承座通過推力軸承與凸輪同軸配合；葉片通過軸承固定在支撐座上；葉片軸根部與從動擺桿固定連接；滾子為調(diào)心軸承，安裝在從動擺桿的凸臺上，并且和凸輪路徑配合。

圖6 自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示例

圖7 自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工程圖

2 數(shù)值計算

本文采用Fluent軟件對發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計進行數(shù)值計算，以驗證設(shè)計的合理性和有效性，同時也可為設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用基于RANS方程的方法對計算域流場進行數(shù)值模擬[7]。葉片旋轉(zhuǎn)運動所帶來的流動在固定坐標系下是非定常的，但是在不考慮葉片梢渦、空泡等非定常條件下，其運動在其自身旋轉(zhuǎn)坐標系下是定常的，因此本文采用相關(guān)的運動參考系方法MRF(Moving Reference Frame)來解決葉片旋轉(zhuǎn)運動問題。

本文采用的計算模型尺寸如表1所示，計算分析所用的水文數(shù)據(jù)為武漢楊泗港水文數(shù)據(jù)，如表2所示。

表1 計算模型的主要尺度 m

表2 武漢楊泗港水文數(shù)據(jù)表 m/s

圖8為在Fluent軟件中模擬計算得到的本系統(tǒng)的整體速度矢量。從圖中可以看出，流場速度在整流罩出口處有一定程度的增大，這樣會使得等質(zhì)量的水流具有更大的動能，并有利于水流沖擊葉片。另外從圖中可以發(fā)現(xiàn)，導流罩在正面迎流的一側(cè)水質(zhì)點分布較緊密，這說明導流罩具有一定的定向整流作用。

圖8 Fluent分析整體速度矢量圖

另外，計算分析導流槽張口角度為25°，30°，35°，40°，45°和50°時導流罩內(nèi)的水質(zhì)點速度矢量情況，發(fā)現(xiàn)導流槽的增流作用隨張口增大而增強。理論計算中，取導流槽張口角度為35°；實際應用中，考慮到裝置結(jié)構(gòu)強度等因素，取導流槽張口角度為45°。

另外，從水輪葉片表面水質(zhì)點的速度矢量分布和壓力分布可發(fā)現(xiàn)水質(zhì)點的速度在順流側(cè)葉片正面明顯降低，水質(zhì)點的速度轉(zhuǎn)化為水壓力對葉片做功，證明了葉片凹面迎流設(shè)計的合理性；水質(zhì)點在逆流側(cè)的速度損失小，即對葉片的阻力小，證明了葉片逆流時水平機翼型剖面設(shè)計的合理性。由壓力分布圖可發(fā)現(xiàn)在順流側(cè)的葉片正、背面存在較大壓力差，可使葉片有效帶動水輪旋轉(zhuǎn)。由分析結(jié)果可知，葉片和轉(zhuǎn)動轂的整體轉(zhuǎn)矩為371.658 N·m。

最后，通過武漢楊泗港的水文數(shù)據(jù)(見表1)以及模型試驗中得到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，分別計算水流速度v為0.5 m/s，1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s時葉片的轉(zhuǎn)矩Q，由轉(zhuǎn)矩Q與轉(zhuǎn)速N的乘積可以得到相應發(fā)電功率，即P0=Q·N。同時，根據(jù)相應的水流速度和動能定理可以得到裝置的收到功率PD=0.5ρsv3(s為導流槽進口面積，ρ為水密度)及相應流速下的發(fā)電效率ζ，如表3所示。計算中取軸系系數(shù)ηs=0.9，發(fā)電機發(fā)電系數(shù)為ηd=0.8。

表3 不同速度下的系統(tǒng)發(fā)電效率估算

根據(jù)以上的計算分析可知，槳葉吃水面積為0.054 m2，當流速v=1 m/s，轉(zhuǎn)速N=10 r/min時，得到的輸出功率為44.598 W。在實際的躉船上，根據(jù)現(xiàn)有躉船尺度分析可將實物裝置尺度設(shè)計為試驗模型的3倍，則單臺裝置在同等的條件下的輸出功率為401.382 W，而對于1艘50 m×10 m(長×寬)的躉船來說，可以安裝4套發(fā)電系統(tǒng)。取武漢楊泗港年平均流速1.25 m/s來進行年發(fā)電量的計算，得到1年的等效發(fā)電量為28 332 kW·h，已經(jīng)能夠基本滿足躉船的電量需求。

3 模型試驗

為驗證本發(fā)電系統(tǒng)的有效性，獲得該發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，本研究在武漢理工大學拖曳水池進行試驗。試驗中將試驗模型通過試驗固定架裝在拖曳水池中的拖車上，通過改變拖車速度來改變水流入流速度，以水流入流速度為變量，進行葉片轉(zhuǎn)速記錄，從而計算試驗模型的發(fā)電效率，模型試驗圖如圖9所示。試驗中發(fā)現(xiàn)：當拖車速度達到1 m/s時，轉(zhuǎn)速為10 r/min，功率為40 W的燈泡能正常持續(xù)發(fā)光。

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圖9 模型試驗圖

4 結(jié) 論

設(shè)計一種橫臥安裝在躉船船底的新型發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)的水平軸水流發(fā)電系統(tǒng)不同的是該系統(tǒng)為利用低速平水流發(fā)電的垂直軸發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計過程中采用推力大、阻力小的機翼型葉片，并設(shè)置橫臥式導流罩和利用圓柱凸輪、擺桿組成的自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以使得系統(tǒng)能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，有效提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計的可行性和有效性，后續(xù)工作將對自旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的實現(xiàn)和效果進行進一步的試驗驗證。

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