擺式河流動能發(fā)電裝置原理設計與水動力性能研究.pdf

1、河流能作為一種清潔的可再生能源，它具有分布廣泛、儲量豐富、可預測和無污染等諸多優(yōu)點。河流能利用的傳統(tǒng)方式是建設水力發(fā)電樞紐，即利用地勢落差攔河筑壩，將河水高位勢能轉換為高速水流沖擊水輪發(fā)電機組發(fā)電。然而，在地勢平緩的廣大平原或河道寬闊而不易筑壩的地帶，直接利用河流動能發(fā)電成為一種替代方式。河流動能發(fā)電裝置的核心裝備是零水頭或極低水頭水力發(fā)電機組，已成為近些年來研究的熱點領域?，F(xiàn)有的水流能量轉換裝置主要有轉輪式和振蕩（擺動）式兩類，關于轉

2、輪式水輪機的關鍵技術及其水動力性能研究已經(jīng)開展了大量的工作，取得了豐富成果。但是，應用于水深較淺、流速較低的河道時，轉輪式水輪機存在結構上難以實現(xiàn)單機大型化的困難，而適應單向河流特性且結構相對簡單的擺式裝置可拓展優(yōu)勢明顯。擺式能量轉換裝置基于水流與機翼相互作用的升力或渦激振蕩原理而搖擺獲能或推進。對于河流發(fā)電，擺式能量轉換裝置的能量特性、設計參數(shù)規(guī)律等水動力學問題的認識以及研究還很不充分，需要在能量轉換機理、裝置構型設計及其水動力性能與

3、載荷等方面開展系統(tǒng)深入的研究。本文以河流動能轉化和裝置水動力學設計問題為背景，探索研究一種適合于河流動能轉換的新型擺式河流能量轉換裝置，采用理論分析、數(shù)值模擬和原型機試驗相結合的方法，從概念論述、樣機設計、水動力特性與載荷等方面開展研究，為實際應用奠定技術基礎和設計方法，具有重要的意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、沤榻B河流動能的特點、資源分布，分別從裝置開發(fā)、關鍵技術、理論和試驗研究等方面回顧和歸納轉輪式和擺式河流能量轉換裝置的研

4、究進展與現(xiàn)狀，在此基礎上提出主要研究方向、關鍵問題和解決途徑。針對河流動能轉換和發(fā)電裝置原理樣機設計，從河道水深較淺及河水單向流動的特點出發(fā)，提出一種新型河流動能發(fā)電裝置----擺式河流動能發(fā)電裝置。通過對發(fā)電系統(tǒng)原理性樣機和結構設計研究，給出該新型裝置的總體方案和系統(tǒng)布局。該裝置以對稱翼型直葉片作為水流獲能部件，將一組或多組豎直葉片安裝在橫跨河道的直線滑道上，直線滑道兩端分別固定在河道兩岸基座上；在河水的作用下獲能葉片組（擺體）沿滑道

5、作直線往復運動，將水流動能轉換為擺體直線運動機械能，再驅動直線（或旋轉）發(fā)電機發(fā)電。該裝置的主要特點是：能夠基于河道的寬度實施橫跨河道的整機單元設計，盡可能實現(xiàn)單機組容量最大化；裝置的結構簡單、布置緊湊，發(fā)電系統(tǒng)以及機械傳動系統(tǒng)安裝在水面以上，降低水下密封難度；并且易于實現(xiàn)河流動能發(fā)電和橋梁建設一體化設計，提高綜合經(jīng)濟效益。
　　⑵針對該裝置河流動能轉換的水動力數(shù)值模擬方法，基于粘性CFD理論和軟件，建立適合于擺式河流能量轉換裝置

6、的水動力數(shù)值模擬方法。探討了定常、非定常流場的邊界設置、網(wǎng)格劃分、流域分塊技術和湍流模型等因素對數(shù)值結果的影響。通過CFD數(shù)值模擬，研究水流作用下往復運動過程中獲能裝置的流場和水動力，給出對稱翼型直葉片擺體能量轉換的功率特性、水動力載荷特性，揭示能量轉換和水動力隨著葉片的翼型、葉片的橫向和縱向布置間距、葉片的數(shù)量和密實度、葉片安裝角和運動速比等參數(shù)變化的規(guī)律和典型特征，為擺式河流能量轉換裝置的水動力學特征參數(shù)設計和葉片布局設計及其選型提

7、供了理論依據(jù)。針對擺式河流能量轉換裝置葉片往復擺動換向的工作特點，基于上述粘性CFD數(shù)值方法，詳細研究擺式河流能量轉換裝置葉片在水流作用下被動換向過程中的流場特性和換向作用力，分析擺式河流能量轉換裝置兩端設置不同形狀換向體（正弦型、矩形）及其空間布局（上游、中游、下游）對葉片的瞬時流場干擾和換向作用效果，提出可供選擇的換向體的形狀、布局方案和葉片擺軸的位置。
　　⑶針對擺式河流能量轉換裝置的原理性實驗研究和 CFD模擬方法驗證，設

8、計研制擺式河流動能發(fā)電裝置原型機及其水動力特性測試系統(tǒng)，確定原型機性能以及載荷的測試方法。根據(jù)不同設計參數(shù)和運行工況開展發(fā)電系統(tǒng)的性能試驗研究和流動現(xiàn)象觀察，以NACA0018葉片為擺體，進行原型機的定常運動和換向試驗、小角度情況下改變?nèi)~片偏角的固定負載試驗、大角度情況下改變?nèi)~片偏角的固定負載試驗、以及固定葉片偏角改變負載的試驗等研究；將試驗結果與數(shù)值模擬得出的規(guī)律進行對比分析。同時，通過試驗研究驗證擺式河流動能發(fā)電裝置設計方案及其數(shù)值