0 引言
能源是工业发展的血液,是国民经济的命脉。近年来随着能源供给的危机,世界各国纷纷调整能源结构,提高可再生能源占据的比例。我国拥有广阔的海域与数量众多的岛屿,具有分布广、储量大、形式多等优点的海洋能是富有开发潜力的新型能源。
海洋能以波浪能、潮汐能、温差能、海流能等形式存在于海水中,其中波浪能是风力推动波浪运动具有的能量,具有能量密度高、分布范围广、时间分布均衡等优点,是“深耕深蓝”的首选能源。国内外已有许多波浪能发电装置投入使用。根据捕获波浪能原理的不同,波浪能发电装置可分为振荡水柱（oscillating water column, OWC）式、振荡浮子式、摆式和筏式等,其中OWC式波浪能装置成本较低,结构简单,主要运动器件与海水无直接接触,是目前应用较广泛的波浪能发电技术。
OWC装置的能量转换过程主要有三级：第一级,水柱在波浪的作用下上下振荡,带动气室内空气做往复运动;第二级,空气往复运动带动输气管内的空气透平做单向旋转;第三级,空气透平的旋转机械能经发电机转化为电能,存储于电池中或供负载使用。其中空气透平是第二、第三级能量转换的核心组成部分,直接影响整个装置的性能与效率。
本文总结对OWC装置使用的Wells透平和冲击透平进行的一系列试验和数值研究,指出透平与OWC气室的耦合作用是目前仍然欠缺的研究方向,并对未来的发展方向和前景进行预测。
1 研究现状
1.1 空气透平的分类
透平是撷取流体的动能、位能或内能使之转换成机械能,或者将机械能转化为流体动能、位能或内能的装置。
根据流体流向不同,透平可分为轴流式、径流式与混流式。顾名思义,径流式的流体沿半径方向流动,轴流式的流体沿轴向流动,而混流式同时具有以上两种运动形式。实际应用中需要改变流体方向的情况多存在于压缩机、压气机和水泵中,OWC装置中使用的空气透平多为轴流式。
透平机械在稳定气流下可具有较高的能量转化效率。然而,OWC装置中的水柱具有往复振荡的特性,产生的气流也往复运动,显著降低了透平的性能。为保证透平的单向旋转,需要整流功能,主要有配备额外的整流系统和设计自整流透平两种方法。其中较为传统的方法是在输气管中使用配备止回阀的整流系统,在小型的OWC装置（如导航浮标）中常用此方法。然而,在规模较大的OWC装置中,气体流量瞬时值高达数十立方米每秒,留给止回阀的反应时间可能不足一秒,不足以进行充分整流。
大型OWC装置往往采用自整流空气透平,主要有Wells透平和冲击透平两类。Wells透平于20世纪70年代首先由WELLS[1]发明,工作原理如图1 ,具有结构简单、效率较高、造价较低等优点,实验室条件下的最高效率可达70%,已应用于许多波浪能电站。冲击透平最早由BABINTSEV[2]于1975年申请专利,随后SETOGUCHI等[3]提出在上下游具有自调节导叶的冲击透平,工作原理如图2 所示。该透平峰值效率高,大流量时效率下降缓慢,自调节的导叶使其在变工况下运行仍然能维持较高的效率,因此吸引了很多研究者的注意。其缺点是实现导叶的自调节功能需要复杂的机械结构,这使得系统对零件加工的要求较高,成本较高。为简化结构,可将上、下游导叶固定不动,形成具有双向固定导叶的冲击透平。具有固定导叶的冲击透平尽管效率不如具有自调节导叶的空气透平,但仍然保留了自调节透平在大流量系数区域效率下降缓慢的优点,因此也常用于OWC波能装置的二级能量转化。
Fig. 1 Wells turbine图1 Wells透平 |
Fig. 2 Impulse turbine图2 冲击式透平 |
1.2 空气透平的应用
随着人们对海洋能源的研究和探索,OWC波浪能发电装置经历了从小型化到大型化、从近海到深海的发展过程,也是在这个过程中,空气透平成为OWC装置二级能量转换的首选,得到了长足发展。
OWC发电装置最早应用于19世纪,作为响哨浮标的获能装置,响哨浮标能发声来帮助船只进行导航。20世纪60年代,振荡水柱结构被正式提出,并广泛应用于航标灯、浮标等小型波浪能装置。
随着大型离岸OWC装置和OWC防波堤的应用,OWC装置的俘获宽度比越来越高,获能的总量越来越大,对二级能量转换效率的要求也更高,空气透平得到了广泛的应用。迄今为止,对OWC装置的研发与应用主要集中在西欧、澳洲、日本等波浪能丰富的国家和地区。例如2011年,德国福伊特公司在西班牙穆特利库建成了首个成功向陆地供电的防波堤[4]。如图3 所示,该装置将OWC波浪能装置与防波堤相结合,发电功率达300 kW,能够满足数百个家庭的用电需要。其二级能量转换装置由16台功率达18.5 kW的Wells透平组成,为OWC波浪能装置的研究与维护提供了很好的平台。
Fig. 5 WanShan wave energy converters图5 “万山号”波浪能转换装置 |
这些应用中,主要的优化方向均是OWC水动力部分,而对二级能量转换的优化相对较少,使用的空气透平也均为Wells透平。冲击透平尽管理论上拥有更高的效率和变工况的适应能力,但由于其较为复杂的结构与较高的成本,往往限于实验室研究中。
1.3 研究成果
1.3.1 Wells透平性能研究
（1）几何结构
Wells结构简单、建造成本低,具有自整流特性,实验室条件下的效率可达70%,实际建造的波浪能装置大多使用该结构。过去对Wells透平的研究主要着重其几何结构参数。由于透平的几个重要参数之间具有复杂的相互关系,很难得到其最佳几何形状。KIM等[9]曾使用数值方法研究了轮毂比和展弦比对Wells透平能量转换效率的影响,得到了其他条件不变情况下NACA0020叶型的最佳轮毂比0.7和展弦比0.5。KIM等[10]求解三维纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程,对NACA0020叶型的Wells透平进行了数值研究,获得NACA0020的最佳叶片扫掠比为0.35。GOVARDHAN等[11]采用有限体积法研究了可变翼型Wells透平的效率,发现流量系数在0.1 ~ 0.28之间,可变翼形的Wells透平效率可达60%以上,最高效率达77%,相比不可变翼型的Wells透平有很大的改进。SUZUKI等[12]研究了叶片的前掠和后掠对Wells透平效率的影响,发现相比一般情况,前掠叶片的效率显著下降,而后掠叶片在相同的攻角下获得了相似的运行效率,同时能保持更大的压降系数。TAKAO等[13]研究了叶片形状和不规则叶顶间隙对Wells透平效率的影响,发现相比于固定的0.5 mm和1 mm叶顶间隙,介于二者之间变化的叶顶间隙尽管峰值效率较小叶顶间隙更低,但却拥有更大的高效率流量系数范围,更好地满足了变工况的情况。
（2）工作机理
对气流流动过程与透平工作机理的研究是提高透平性能效率的根本方法。TAHA等[14]采用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法研究了叶顶间隙与Wells透平性能的关系及其机理,发现均匀叶顶间隙透平边界层的分离现象相比非均匀叶顶间隙透平要严重得多。SHEHATA等[15]研究了Wells透平开槽角度对其性能的影响,获取了最佳开槽角度为顺时针旋转10°。GHISU等[16]研究了Wells透平内部空气的非定常流动,观察了OWC系统中气流的加速减速、流入流出在性能和二次流结构上的差异,重点考察了气流迟滞效应及其产生机理,得出造成迟滞效应的原因是空气的压缩与膨胀;在等效流动下,转子附近空气的流动和二次流结构差异可忽略不计。HALDER等[17]研究了透平转速与波浪入口速度之间的关系,获取了不同入射波条件下Wells透平的最优转速;对叶尖有凹槽和无凹槽两种情况分别进行了研究,发现叶尖凹槽加强了各向异性流体间的动量交换,降低了不稳定性。
（3）性能优化
目前已有许多研究着眼于提高Wells透平的效率。NAZERYAN等[18]使用可变厚度叶片改进了Wells透平在深度失速状态下的效率,相比原叶片扭矩系数提高了63.37%,效率提高了72.8%,达到约68%。SHAABAN等[19]优化了输气管的几何结构,使Wells透平输出功率提高了14%,效率提高了9%。GRATTON等[20]采用自由变形法优化了叶片型线,使转矩系数增加了14%。伍儒康等[21]采用CFD方法得到了Wells透平平面叶珊的压力和效率曲线,并基于这些叶珊吹风数据结果来设计透平,显著提高了Wells透平的流量系数范围,并将能量转换效率从41.14%提高到44.66%。伍儒康等[22]还采用遗传算法（genetic algorithm, GA）对翼型进行了优化,得到的翼型将效率提升至49.74%。
1.3.2 冲击透平性能研究
OWC装置中入射的规则波或不规则波使得水柱附近的空气产生往复垂直振荡,从而形成往复气流。传统的涡轮系统其旋转方向与气流方向相关,从而不能充分利用OWC装置的往复气流。具有上下游导叶冲击透平的轮毂上装有一组转子叶片和两组导流叶片,根据气流运行方向每排导叶可交替作为上游或下游导叶,因此冲击透平在往复气流中能维持单向旋转,具有自整流特性。其工作的流量系数范围大,起动性能好,能更好地在变工况环境下工作。然而,可动导叶也使系统结构更加复杂,造价更加高昂。为保留冲击透平的优势同时降低成本,上下游具有固定导叶的冲击透平也被发明并被广泛研究。
尽管冲击透平工作时的流量系数范围很大,但规则波条件下其最高效率不超过50%。但是实际应用情况表明,在随机波条件下冲击透平仍然表现出更好的性能。例如SETOGUCHI等[23]以模型试验和数值模拟的方法分别对带有自调节导叶、固定导叶的冲击透平和Wells透平在随机波条件下的运行效率进行研究,发现具有双向固定导叶的冲击透平在转子叶片吸力面为椭圆形、压力面为圆弧形时具有较高的能量转化效率,且具有固定导叶的冲击透平尽管其效率低于自调节导叶冲击透平,但仍比Wells透平高得多。目前冲击透平的研究主要还在实验室阶段,由于其可变或不可变上下游导叶使得建造成本较高,冲击透平的实际应用还较少,成熟的商业化OWC装置往往均使用Wells透平。
（1）定常条件下的稳态性能研究
由于冲击透平的气流流道更加复杂,因此大多数研究都在定常条件下研究冲击透平的稳态性能。GONÇALVES等[24]考虑了空气的可压缩性对OWC装置转换效率的影响,在气室顶部施加压力来模拟压缩效应;比较了不可压缩流体与可压缩流体进行CFD计算的结果,提出使用不可压缩空气对OWC装置进行CFD模拟会使预测的能量转换效率降低约20%。CUI等[25]采用试验和数值模拟的方法,对冲击透平在恒定空气流动条件下的自启动特性进行了研究,阐述了自启动及后续运行过程的一系列不稳定情况,并对流场和压力场的分布情况进行了分析,发现非对称流动条件下,错列式排布的冲击透平性能显著优于常规冲击透平。LIU等[26]对三维冲击透平定常情况下的运动进行了数值研究计算,研究了叶顶间隙对叶尖泄流和动叶片顶端涡面卷曲的影响,其成果已被应用于韩国济州岛500 kW OWC装置的结构优化和性能预测中。LIU等[27,28]还进行了规则波和不规则波条件下OWC装置的波浪水槽试验,两种条件下能量转化效率的不同分布特征表明,不规则波试验是研究OWC装置几何参数与运行方式的首选;GOMES等[29]提出了优化二维冲击透平叶片外形的两种方法,并以轴流冲击透平的转子叶片为例进行了多点气动优化设计,验证了该方法的有效性。
（2）非定常条件下的瞬态性能研究
尽管定常条件下冲击透平的研究已经显著提高了装置性能和效率,但是透平几何外形对于流场特性的影响仍然不够清晰,单向稳态或准稳态条件下叶片几何参数对透平效率影响的机理也不够深入。流场瞬态分析的难点在于,即使入射流是稳定的,气流的绕射、反射和折射都会影响流场的瞬态结构,这使得冲击透平运行在不稳定的条件下很难保持恒定的旋转速度。
为进一步深入探索不同叶型参数对透平性能的影响形式,以及空气透平内部空气流动的细节,许多学者针对流场瞬态非定常流动进行研究。THAKKER等[33]采用CFD方法探索了冲击透平叶尖间隙泄流的机理,研究了叶顶间隙对透平性能的影响。LIU等[34]建立了一个冲击透平的瞬态数值模型,预测了往复气流条件下OWC装置冲击透平复杂的非定常行为,确定了往复流条件下透平的三种启动方式;并观察到透平的平均效率为0.53,大于稳态情况观察到的实验值。RANJITH等[35]对直径为0.3 m且具有固定导叶的冲击透平进行数值模拟,分析了流动过程发生的各类能量损失,并提出动叶和静叶的下游分流路径透平性能较低的主要原因。
1.3.3 双透平
1.3.4 空气透平与OWC气室的耦合作用研究
OWC波浪能装置领域的研究大致可分为针对气室结构和针对空气透平两部分,研究一个能量转换过程时通常对另一个过程进行简化。大多数对OWC装置气室和一级能量转化效率的研究都对透平进行了简化,使用CFD方法时空气透平往往被简化为孔,提供压降作用。针对空气透平的行为与性能,已有许多试验和数值方面的研究采用将透平从OWC装置中孤立出来的方法,其中有的运行于稳态空气来流下的定常条件,有的使用往复运动的活塞以模拟时变气流,并研究非定常瞬态流场。这里的活塞代替了实际装置气室中水柱的震荡运动。然而,活塞的时变运动是事先指定的,而不是系统内力和主动力（海浪、透平气动阻力、墙壁摩擦阻力等）共同作用的结果,这种透平与气室之间双向耦合作用的影响在过去的研究中被忽略了。无法保证相同的OWC装置使用另一个空气透平时,振荡水柱的运动仍能保持不变。
针对空气透平与OWC气室之间耦合作用的研究相对较少。LIU等[28]进行了规则波条件下的实验研究,考虑了冲击透平与OWC气室之间的相互作用,获得具有峰值效率时OWC模型的谐振长度比。史宏达等[39]考察了孔板结构替代空气透平的可行性,结果表明,气室内压强与波高的变化相位相差0.5个周期,内置孔板直径为输气管三分之二时,其性能与内置空气透平接近;气室内压强随孔板结构直径的减小而增大。CAMBULI等[40]采用集总参数模型（lumped parameter model, LPM）和CFD两种方法对OWC装置和空气透平进行了模拟,结果表明CFD方法需要较高的计算资源,在分析透平流场结构时具有更高的适用性;而LPM方法消耗较低的计算资源,也具有较好的准确预测OWC系统特征的能力。
2 空气透平未来发展方向
综上,尽管针对透平的研究内容广泛,成果丰富,但仍有进一步发展的空间。
（1）叶片参数影响整体性能的机理研究仍较为缺乏,因此未来的研究中,应当针对透平叶片局部流场的特征做更进一步的分析,更好地揭示叶片的几何参数影响透平性能的机理,为优化透平结构参数、提高获能效率打好基础。
（2）针对透平本身的研究并不能完全复现其实际工作环境。透平与水柱的相互影响是研究的小众领域。过去的研究主要着重替代透平的模型,主要成果是发现了水柱振荡相位与往复气流相位之间的联系。然而在水柱与气流之间相互影响的机理方面仍然缺乏研究。未来应采用CFD与实验的方法对振荡水柱与气室的耦合作用机理进一步探索,以建立适当的模型,使得研究更加符合实际运行工况。
（3）模型试验方面,试验仪器及设备还比较少,无法全面研究空气透平的实际应用效能。
（4）通过串联多个空气透平,参考航空发动机中多个涡轮的使用,有望提高二次能量转换的效率。多级串联空气透平的结构设计与排布方式是未来研究中的难点之一。
3 结论
回顾了国内外针对振荡水柱式波浪能装置二级能量转换部件——空气透平进行的一系列研究,结论如下：
（1）现有的Wells和冲击透平的实验和CFD研究集中在定常情况下透平的几何结构对于整体性能的影响上,针对非定常情况下叶片局部流场特征的分析则相对较少,叶片参数对透平整体性能的影响机理仍不明确。
（2）带有固定导叶的冲击透平既不易失速,又继承了可变导叶大流量系数区域效率下降缓慢的优点,综合性能较好。
（3）单独针对透平或OWC气室的改良并未能有效揭示装置的工作原理。将气室与透平中的两个过程耦合起来,通过模型或数值模拟的方法综合研究,有助于提高OWC波能装置的总体效能。