張金鳳，喻德輝，方玉建，謝立恒，唐 留

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德利用阿基米德螺旋線發(fā)明了阿基米德螺旋管，極大地提高了農(nóng)業(yè)灌溉的效率。在后人改進(jìn)之后，各種螺旋類裝置應(yīng)運(yùn)而生，它們?cè)谂潘喔取⑽锪陷斔?、心臟移植等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。幾千年的歷史中該螺旋類裝置大都需要驅(qū)動(dòng)機(jī)械來(lái)提供動(dòng)力，如以往的風(fēng)車、蒸汽機(jī)和當(dāng)今的電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)[1]。到20世紀(jì)末，在可再生能源的開發(fā)進(jìn)程中，阿基米德螺旋裝置又煥發(fā)出了新生，歐洲人從阿基米德螺旋泵得到啟示，開發(fā)出了一種新型的微型水力發(fā)電設(shè)備，因其具備諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐洲的低水頭場(chǎng)合。

近年來(lái)，這一新型水力發(fā)電設(shè)備也逐漸出現(xiàn)在了南美洲、澳大利亞和亞洲等地區(qū)。我國(guó)是小水電大國(guó)，小型和微型水利資源極其豐富,但目前各地區(qū)的開發(fā)程度差別非常大，市場(chǎng)開發(fā)空間還很廣闊[2]。并且我國(guó)政府十分重視微水電的發(fā)展，推廣微水電技術(shù)可帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益[3]。因此，本文對(duì)該螺旋葉片式水力發(fā)電設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱ASG)進(jìn)行了分析介紹，希望有助于該高效、環(huán)保的新型水力發(fā)電裝置在我國(guó)的推廣利用。

1 ASG的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

阿基米德螺旋葉片式水力發(fā)電機(jī)主要由阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪(以下簡(jiǎn)稱AST，見圖1)、圓筒槽、變速箱和發(fā)電機(jī)組成。AST置于圓筒形的水槽中，該水槽可以是環(huán)繞螺旋轉(zhuǎn)輪的圓管，也可以是圍繞螺旋轉(zhuǎn)輪下半部分的半圓管。AST兩端用軸承支撐固定，使得螺旋葉片外緣與圓管內(nèi)壁面保留一定的間隙δ。實(shí)際中的ASG轉(zhuǎn)速較低，所以在發(fā)電機(jī)前通常需要接入變速箱。

圖1 阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪[6]Fig.1 The Archimedean screw[6]

AST由空心圓管以及垂直纏繞在管上的螺旋葉片構(gòu)成，其葉片數(shù)N可以是一個(gè)或多個(gè)，且在圓周上均勻分布。d是螺旋轉(zhuǎn)輪的直徑，dm是圓筒管的外徑，每一個(gè)螺旋葉片都有相同的螺距P，螺旋葉片在軸向也是彼此均勻分布，他們的間隔取決于葉片數(shù)量，螺旋葉片的總長(zhǎng)L是軸線方向上起點(diǎn)到終點(diǎn)的距離[4,5]。AST的主要參數(shù)見表1。

表1 阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪參數(shù)Tab.1 Parameters of the Archimedean screw

2 ASG布置方式及分析

目前在實(shí)際應(yīng)用中，ASG主要有2種布置方式，分別是傾斜布置和水平布置，不同的布置方式在結(jié)構(gòu)上也有所差異。

2.1 傾斜布置

傾斜布置如圖2所示，AST軸線與水平成一定角度安裝，水流從圓筒槽上端進(jìn)入并驅(qū)動(dòng)螺旋葉片，從而帶動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，這是目前較普遍的安裝方式，適合溪水、河流、排水渠道等眾多低水頭場(chǎng)合。值得注意的是，此種布置方式下的空心圓管與螺旋葉片、圓筒槽應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度差，以使ASG上端零部件遠(yuǎn)離入流水面。另外，下端軸承選用的是水潤(rùn)滑軸承，不需潤(rùn)滑油和密封，既環(huán)保又減少維護(hù)成本。

圖2 傾斜布置Fig.2 Inclined axis turbine

有研究者認(rèn)為是流經(jīng)螺旋葉片的水流的重力驅(qū)動(dòng)了AST，并作出假設(shè)：如果水的重力全部作用在葉片上并且忽略機(jī)械損失，那么水流的能量將全部轉(zhuǎn)化為電能[7]。后來(lái)這種觀點(diǎn)遭到了否定，因?yàn)槁菪D(zhuǎn)輪中水的重力大部分作用在了固定于地面的圓筒槽上,施加在螺旋葉片上并對(duì)其做功的重力幾乎可以忽略。Müller等認(rèn)為驅(qū)動(dòng)AST的主要是水流的沖擊和靜壓的聯(lián)合作用，由于螺旋轉(zhuǎn)輪中的水流是呈階梯狀流向下端出口的，所以螺旋葉片上下游存在水頭落差，導(dǎo)致上游的靜壓F2大于下游的靜壓F1(見圖3)，從而水流的壓差和沖擊驅(qū)動(dòng)AST旋轉(zhuǎn)[6,8]。

圖3 理想的AST[6]Fig.3 Idealized Archimedean screw[6]

2.2 水平布置

水平布置適合水面較寬、水頭接近0的河流、湖泊等場(chǎng)合，見圖4。

圖4 水平布置[11]Fig.4 Horizontal axis turbine[11]

特別地如果是在沿海區(qū)域，那么不論潮漲潮落，AST正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都可以為ASG提供發(fā)電的能量。這種ASG在結(jié)構(gòu)上省去了圓筒槽，且AST的軸線可以平行或者垂直來(lái)流方向，還可以采用多臺(tái)ASG串聯(lián)或并聯(lián)的組合方式來(lái)安裝[9-11]。

此外,水平布置時(shí)沒(méi)有壓差的作用，即只有水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了電能[12,13]。因?yàn)檗D(zhuǎn)化能量的原理不完全相同，所以水平布置的螺旋轉(zhuǎn)輪應(yīng)采用不同的設(shè)計(jì)方法，但目前的設(shè)計(jì)仍參照傾斜布置的螺旋轉(zhuǎn)輪，所以水平布置下的轉(zhuǎn)輪還需更多的研究改進(jìn)，以充分轉(zhuǎn)化水流的動(dòng)能，提高轉(zhuǎn)化效率[8]。

3 ASG的特性

1993年歐洲公開報(bào)道了第1臺(tái)阿基米德螺旋葉片式發(fā)電機(jī)[14]。之后數(shù)以百計(jì)的ASG在澳大利亞、德國(guó)、英國(guó)等地區(qū)安裝并運(yùn)行[15]。ASG專門適用于0～10 m的超低水頭，發(fā)電功率為1～500 kW，這一新型的微型水力發(fā)電設(shè)備有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 適應(yīng)超低水頭和流量不穩(wěn)定，效率高

ASG最大的優(yōu)勢(shì)是在超低水頭情況下，轉(zhuǎn)化能量的效率高于傳統(tǒng)的反擊式或沖擊式轉(zhuǎn)輪，即使在水頭接近0時(shí)，它也最易保持高效[16]。同時(shí)AST可以在較寬的流量范圍高效的運(yùn)行。由圖5中曲線1可知：即使在0.2倍最大流量下AST也能保持較高的效率，其最高效率超過(guò)了90%，只有Kaplan式轉(zhuǎn)輪效率略高于AST，但是它運(yùn)行的流量范圍沒(méi)有那么寬。

圖5 不同轉(zhuǎn)輪的效率曲線[21]Fig.5 Efficiency curves of different turbines[21]

國(guó)外對(duì)ASG機(jī)組效率也有研究報(bào)道：Hawle和Pelikan(2012年)對(duì)歐洲電站的調(diào)查表明：實(shí)際應(yīng)用中ASG機(jī)組平均效率為69%，此類發(fā)電系統(tǒng)的最高效率超過(guò)了75%[17]。Brada(1999年)報(bào)道，德國(guó)的一個(gè)ASG裝置的效率達(dá)到了80%[18]。某試驗(yàn)研究中[11]，最佳入流條件下的ASG效率達(dá)到了83%。甚至有變轉(zhuǎn)速的ASG產(chǎn)品效率可以穩(wěn)定在80%～85%[19]。袁林娟等人針對(duì)國(guó)內(nèi)低水頭微型水輪機(jī)效率低下的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明效率提高了23%，達(dá)到了76%～80%，比市場(chǎng)上同類機(jī)組效率高出40%～50%[20]，可見ASG比起國(guó)內(nèi)低水頭微型水輪機(jī)有較高的效率。

3.2 生態(tài)與環(huán)境友好

近年來(lái)為保護(hù)魚類，西歐和北美研發(fā)出了轉(zhuǎn)槳式、燈泡式以及貫流式等魚類友好型水輪機(jī)，但這只能解決下行魚過(guò)壩的問(wèn)題[22]。而AST轉(zhuǎn)速低、葉片間的空間大，魚類直接就能夠安全地通過(guò)(不論順流還是逆流)。此外，ASG施工不必?cái)r截河道，魚類可以正常的洄游，從而保證了上下游魚類生物的繁衍生息，同時(shí)也不會(huì)影響到河流排洪、灌溉的作用。余傳萍[23]指出以常規(guī)模式開發(fā)微型水電站會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，這是制約我國(guó)微水電發(fā)展的重要因素之一，而如果能在我國(guó)推廣ASG就可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。

關(guān)于螺旋轉(zhuǎn)輪魚類友好性的研究國(guó)外還有較詳細(xì)的報(bào)道。Kibel(2008年)在英國(guó)德文郡對(duì)魚類通過(guò)某電站螺旋轉(zhuǎn)輪的情況進(jìn)行了較全面的分析研究，其結(jié)果表明：在所有工況點(diǎn)魚類都可以安全通過(guò)[24]。英國(guó)環(huán)境局建議在ASG系統(tǒng)的入口放置粗格柵，防止較大的魚進(jìn)入而受到傷害，或者在螺旋葉片前緣安裝橡膠緩沖器[25]。然而Kibel(2009年)的研究發(fā)現(xiàn)，AST葉片外緣的速度達(dá)到4.5 m/s時(shí)，1 kg以下的魚是安全的，不需要在葉片前緣加任何保護(hù)措施。他建議，如果沒(méi)有放置粗格柵導(dǎo)致1 kg以上的大魚進(jìn)入，那么為了防止傷害大魚，要么保持外緣速度不超過(guò)3.5 m/s，要么在葉片前緣安裝橡膠緩沖器[26]。

3.3 經(jīng)濟(jì)成本低、收益快

作為超低水頭微型水力發(fā)電裝置，ASG的土建工程小，通常只需修筑一條混凝土水渠，且AST結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉，所以投資成本低。此外，AST可以順利通過(guò)漂浮的雜物，不需要安裝格柵和定期清理，這樣也可以節(jié)省人力和清理設(shè)備的成本[8]。對(duì)此胡霆也有較詳細(xì)的介紹：在超低水頭場(chǎng)合常用的是燈泡貫流式水電機(jī)組，成本高于25 000 元/kW，若小型化后成本甚至高達(dá)35 000 元/kW，而ASG的成本大概在15 000 元/kW左右[27]。

3.4 維修方便、壽命長(zhǎng)

AST轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以穩(wěn)定性高、不易出現(xiàn)損壞，敞開的結(jié)構(gòu)也便于維修。除了軸承、密封等易損件，機(jī)組壽命至少為30 a[28]。

4 水力設(shè)計(jì)與優(yōu)化的探討

對(duì)水力發(fā)電裝置而言，設(shè)計(jì)高效率轉(zhuǎn)輪的關(guān)鍵是根據(jù)外部參數(shù)設(shè)計(jì)出與之匹配的幾何參數(shù)，常規(guī)水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)就是根據(jù)水頭選取合適的比轉(zhuǎn)速，再確定直徑比和轉(zhuǎn)輪直徑，最后確定其他的幾何尺寸[29]。而目前AST的設(shè)計(jì)基本都是參考了阿基米德螺旋泵的設(shè)計(jì)方法[5,30,31]，即根據(jù)外部參數(shù)選取轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)與轉(zhuǎn)輪直徑的比值，見表2。此外再參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、公式確定葉片厚度以及轉(zhuǎn)輪外緣與圓筒槽內(nèi)壁的間隙。

表2 主要參數(shù)與轉(zhuǎn)輪直徑的比值Tab.2 The ratio of the main parameters and the AST’s diameter

雖然這種簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有一定的成效，但并不能作為ASG水力設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。因此目前還沒(méi)有歸納ASG水力設(shè)計(jì)的理論，仍缺少完善的水力設(shè)計(jì)方法。

Müller和Senior[6]指出ASG的效率通常由相關(guān)參數(shù)和損耗共同決定，相關(guān)參數(shù)見表1，它包含了螺旋轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)參數(shù)和外部參數(shù)，目前相關(guān)的研究初步總結(jié)了它們對(duì)效率的影響。

4.1 轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)直徑比Dr。根據(jù)流量來(lái)確定轉(zhuǎn)輪直徑的大小，在流量充分的情況下直徑的增大可以輸出更多的電能，但是直徑一般不會(huì)超過(guò)4 m[14],這是因?yàn)樵诤附尤~片和內(nèi)筒軸時(shí)有疲勞限制[32]。如果引進(jìn)新材料，比如乙烯基酯，那么直徑還可以制造得更大[19]。參考國(guó)外的AST模型，直徑比可取0.2～0.55，如果直徑較大，那么直徑比也取較大值。

(2)螺距比Pr。Rorres[33]研究表明螺距比對(duì)AST的效率有顯著的影響,Lyons[5]在常見的螺距比范圍內(nèi)選取了Pr=0.8、1.0和1.4的AST進(jìn)行研究,結(jié)果顯示電能與效率都隨著螺距比的增加而增加。Lyons分析指出，較大的螺距會(huì)得到更大的靜壓差，從而產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，但是螺距較小時(shí)泄漏損失也會(huì)更小。

(3)轉(zhuǎn)速n。AST的轉(zhuǎn)速通常為25～80 r/min，對(duì)于泵裝置而言增加轉(zhuǎn)速可以增加其效率[33]，但是該結(jié)論不能直接應(yīng)用于AST。Müller和Senior認(rèn)為在理論上轉(zhuǎn)速與效率無(wú)關(guān)[6]。Lyons[5]和Nuernbergk[14]研究表明轉(zhuǎn)速較低時(shí)AST的機(jī)械損失會(huì)較小，即效率會(huì)較高，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，ASG就需要安裝更復(fù)雜的變速箱，這會(huì)增加裝置的成本。國(guó)外有報(bào)道[19]ASG可以設(shè)計(jì)為變轉(zhuǎn)速，在不同流量下它可以保持最高效的運(yùn)行狀態(tài)，效率可以穩(wěn)定在80%～85%，但它的初期成本要高于固定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)[30]。

4.2 外部參數(shù)

(1)長(zhǎng)度比Lr。在一定范圍內(nèi)AST越長(zhǎng)，水流通過(guò)時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)化出更多的能量[35]。但是因?yàn)橄到y(tǒng)存在損失，所以AST長(zhǎng)度增加到某一值時(shí)，效率會(huì)達(dá)到最大值，AST的長(zhǎng)度比Lr可取2～5[36,37]。在特定環(huán)境下可以通過(guò)改變安裝角度來(lái)改變AST的長(zhǎng)度。

(2)流量Q。AST適用的流量范圍廣，在0.1～50 m3/s情況下可以高效的運(yùn)行[11]。對(duì)同一AST,流量增加后效率和電能都會(huì)增加，并且AST存在一個(gè)最大的流量值[5,15]。當(dāng)流量減小時(shí)，效率會(huì)顯著降低，因?yàn)锳SG系統(tǒng)損失所占的比例變大了[5]。但是當(dāng)流量大幅度的變化時(shí)，ASG也可以正常運(yùn)行，見圖5[21]。

(3)安裝角度θ。安裝角度即AST軸線與水平面的夾角，在一定水頭落差情況下，也可以通過(guò)改變AST的長(zhǎng)度來(lái)改變安裝角度。Muller[6]給出了0°～50°的安裝角度與效率的關(guān)系：隨著角度逐漸減小到0°，效率也逐漸增大接近于1，Raza[32]的研究也證實(shí)了減小安裝角效率增大的結(jié)論。然而，Lyons[5]的研究結(jié)論卻相反，他對(duì)17.2°～34.7°的5個(gè)角度進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)安裝角度較大的條件下效率較高。此外，Wright在28°～35°范圍內(nèi)對(duì)Pr=0.6的AST的試驗(yàn)研究表明，安裝角度在31°±3°是比較合理的，超過(guò)了34°效率會(huì)有所下降[38]。所以目前效率和安裝角的研究結(jié)論還存在分歧，有待更深入的研究。

5 展 望

5.1 設(shè)計(jì)理論和方法

目前AST的設(shè)計(jì)大都參考阿基米德螺旋泵(ASP)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，在具體環(huán)境下AST的設(shè)計(jì)還沒(méi)有充分的理論來(lái)指導(dǎo)，未來(lái)應(yīng)完善AST的理論和設(shè)計(jì)方法。且傾斜布置時(shí)安裝角度的研究結(jié)論還存在爭(zhēng)議，關(guān)于水平布置的ASG也只有少量的報(bào)道，還有待更多的研究。

5.2 研究方法

相比于泵類裝置AST的研究還遠(yuǎn)未成熟，相關(guān)研究主要基于實(shí)地調(diào)查、試驗(yàn)和少量的數(shù)值計(jì)算。William介紹了AST的三維建模與網(wǎng)格劃分，并運(yùn)用數(shù)值模擬總結(jié)了內(nèi)部流場(chǎng)和壓力分布規(guī)律[39]。Jacob利用CFD軟件對(duì)封閉管道內(nèi)不同螺距的AST進(jìn)行了空化研究，初步總結(jié)了空化發(fā)生的位置以及條件[40]。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算可以對(duì)AST進(jìn)行較全面的分析，而且成本較低，所以未來(lái)在數(shù)值計(jì)算方面應(yīng)投入更多的研究。

5.3 ASG在我國(guó)的潛在市場(chǎng)

(1)偏遠(yuǎn)、分散地區(qū)供電。目前我國(guó)仍有相當(dāng)一部分居民生活在缺電的偏遠(yuǎn)、分散地區(qū)，電網(wǎng)輸電技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)成本高，而這些區(qū)域的微水利資源大都十分豐富，如四川、云南、貴州、江西、廣西、西藏等地區(qū)的微水利資源占全國(guó)的50%以上，且“三小電”中的微水電是最為經(jīng)濟(jì)可靠的發(fā)電方式[41]，如上所述ASG相對(duì)于傳統(tǒng)的微型水電技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢(shì)，若能在這些區(qū)域得到應(yīng)用，不僅能滿足山區(qū)人民的用電需求，還有助于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

(2)農(nóng)業(yè)設(shè)備的配套動(dòng)力。在我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)如東三省，由于農(nóng)業(yè)灌溉的需要已經(jīng)建有較成熟的水利設(shè)施，也配備了現(xiàn)代化的灌溉設(shè)備，但是還缺少配套的農(nóng)用動(dòng)力[42]，若利用當(dāng)?shù)氐乃O(shè)施(如堰壩、水庫(kù)生態(tài)水放流處等)安裝ASG，便可解決這些農(nóng)業(yè)設(shè)備的供電問(wèn)題，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。

(3)城市水處理設(shè)備供電。我國(guó)最新的環(huán)保法為ASG提供了新的市場(chǎng)，如城市地表水處理設(shè)備的供電，若對(duì)某些河流治理設(shè)備專線敷設(shè)，成本極高[27]。由于城市河流的水頭很低，流量也不穩(wěn)定，因此適合用來(lái)開發(fā)ASG，從而實(shí)現(xiàn)就地發(fā)電自用，為環(huán)保治理設(shè)備提供電力供應(yīng)。

(4)水庫(kù)、水電站的能量回收。我國(guó)有大量的水庫(kù)和水電站，其下游排放的生態(tài)水的能量還有待開發(fā)利用。若在水庫(kù)、水電站下游安裝ASG回收能量，不僅創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，還起到了節(jié)能減排、促進(jìn)生態(tài)文明的作用。

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