振荡水柱波能电站冲击式透平的非定常动力性能研究与优化

Oscillating Water Column(OWC)is the most widely used wave energy converting type, which has been applied in onshore grid-connection plants.The OWC plant from Portugal and Scotland illustrate that the turbine based on the former steady dynamic characteristics can not fit the demand of real sea operation. The present proposal aims at the practical engineer demands of OWC plant and takes the impulse turbine as the investigating object. The self-starting and power output characteristics under steady and unsteady flow conditions are studied through the unsteady experiments, in order to find the operating discipline of impulse turbines. The principle parameter will be picked up for validation of numerical simulation as the data support. The 3D transient numerical simulation model for impulse turbine will be established through the secondary development of CFD code. The sliding mesh and User Defined Function program interface is taken as the principle technology which will be utilized in the calculation. The self-starting and operating performance of impulse turbines under wave-driving force within real sea conditions will be investigated to analyze the interaction between turbines and unsteady flow field, to demonstrate the energy converting mechanism. The design scenario for better self-starting character, mean energy converting ratio and integrated operating performance of impulse turbines will be proposed to serve the 500KW OWC wave energy plant on Jeju island of South Korea, which has been contributed from Ocean Unversity of China.

目前世界上应用最为广泛、已投入商业化并网运行的岸式波能电站均为振荡水柱型。葡萄牙与英国的OWC波能电站实际运行状况表明，早期传统以定常动力特性为基础的透平设计方案无法满足实海况运行的要求。本项目以OWC电站的工程实践诉求为出发点，以冲击式透平为研究对象，通过非稳态物理模型试验，考察不同流场条件下的透平自启动与发电出力特征，发现并对比定常与非定常条件下的透平工作规律，并遴选出关键参量，为数值模拟提供数据支持。以CFD软件为基础，通过二次开发，构建冲击式透平三维瞬态数值模拟计算模型，以滑移网格与UDF自定义函数程序接口为核心技术，研究实海况波浪动力输入条件下的透平自启动与工作性能，分析非定常流场与透平结构的相互作用，揭示能量转换机理，并提出自启动性能更好、平均能量转换效率更高、综合工作性能更优的冲击式透平设计方案。本课题的研究成果将直接服务于中国海洋大学参与研建的韩国济州岛500kW波能电站。

在波浪能开发利用领域，振荡水柱（Oscillating Water Column，简称OWC）波能发电装置因其结构形式简单、无水下活动部件、安全可靠性高等优点逐渐成为世界各国的研究热点及并网发电的首选波浪能利用形式。冲击式透平是OWC装置中能量二次转换过程中的重要部件，具有工作流量系数范围广、自启动性能好、无失速现象、噪声低等优势，因而逐渐成为近年各国OWC试验电站的主要透平形式。.本课题以OWC装置的冲击式透平为主要研究对象，以探索非定常条件下的工作机理为研究目的，以物理模型试验及计算流体力学（CFD）数值模拟为研究手段。数值模拟方面，课题组利用CFD软件构建了冲击式透平三维定常数值模型，开展了关于透平动叶片与导流叶片数目、动叶片弯扭角、动叶片末端结构等优化性研究。在此基础上，本研究结合用户自定义函数及滑移网格功能，实时更新流场与透平动力参数，实现了透平自启动过程的全三维瞬态模拟计算，研究了不同动力输入、透平转动惯量、负载形式对透平非定常动力性能的影响。物理模型试验方面，课题组设计了定常低速风洞、活塞往复流生成装置以及冲击式透平实物模型，结合自动化数据采集及控制系统，搭建了冲击式透平性能测试平台，开展了定常气流条件下透平的定常及自启动性能试验。在项目的资助下，共发表高水平论文13篇，其中SCI期刊论文8篇，中文核心1篇，会议论文4篇，已投稿SCI期刊论文3篇。项目取得了预期的原创性结果，完成了相关考核指标要求。.本课题的研究成果直接服务于中韩合作建设的韩国济州岛Yongsoo 500kW振荡水柱波能电站冲击式透平的设计与优化。目前该装置已经进入并网发电阶段，冲击式透平工作性能良好。此外，课题组设计制造的定常流、正弦往复流冲击式透平性能测试平台，是国内在空气透平试验研究领域的首次系统性探索，填补了我国在空气透平试验方面的数据空白，为今后我国开发OWC波能发电装置率先探索能量二次转换过程的核心技术。因此，本研究具有较高的理论研究与工程实际应用价值及前景。