第２８卷第４期２０１０年８月
可再生能源
ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
Ｖ０１．２８Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０ＩＯ
潮流水轮机的研究进展
戴
军，单忠德，王西峰，杨
杰
．
（机械科学研究总院先进制造技术研究中心，先进成型技术与装备国家重点实验室，北京
摘
１０００８３）
要：概述了潮流水轮机的国内外发展情况，对３种不同结构的潮流水轮机的类型和特点作了比较分析，介
绍了潮流水轮机的研究方法以及性能研究，指出了潮流水轮机的未来发展方向。关键词：可再生能源；潮流能；潮流水轮机；研究进展中图分类号：ＴＫ７９
文献标志码：Ｂ
文章编号：１６７１—５２９２（２０１０）０４－０１３０－－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｕｒｂｉｎｅ
ＤＡＩＪｕｎ，ＳＨＡＮＺｈｏｎｇ－ｄｅ，ＷＡＮＧＸｉ－ｆｅｎｇ，ＹＡＮＧＪｉｅ
（１．ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｄｖａｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，ＳｔａｔｅＫｅｙ
ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＦｏｒｍｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒ－
ｅｎｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ；ｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙ；ｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｕｒｂｉｎｅ；ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓ
０引言
潮流能是２０世纪７０年代提｝ｎ的可供利用的可再生能源ＩｌＪ．Ｉ１２１。与常规能源相比具有以下优点：能源储量大。良好的可预测性，环境影响相对小。水轮机作为最主要的潮流能换能装置，被称为潮流水轮机。传统水力发电站（如三峡电站）、潮汐
是速度水头的作用ｆ３Ｉ・［４１。本文从结构出发．分别介绍了３类潮流水轮机的特点。综述了国内外潮流水轮机的研究现状、方法及性能，分析了潮流水轮机研究存在的不足及其发展趋势。１潮流水轮机的结构特点
潮流发电技术作为目前海洋能源开发的重要
电站（如江厦电站）的水轮机是通过势能产生的压‘技术之一，受到了研究者们的广泛关注。潮流水轮力差推动叶片转动。而潮流水轮机是一种无压降或低水头的水轮机，与风力机的基本原理相近，将流体动能转换为机械能。根据伯努力方程，两者的本质区别为前者主要是压力水头的作用，后者
海平面
潮漉方向
机是其中的核心技术之一。近年来，潮流水轮机的研究已经取得了长足的发展。出现了多种类型的结构形式［５１。根据其结构运行的情况，潮流水轮机可分为水平轴、竖轴和横轴３类（图１）。
海平面
————◆
崖转轴
兰一
—－——＋
轴———◆
（ｂ）竖轴水轮机
图１潮流水轮机的结构分类
Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｉｄａｌ
ｃｕｒｒｅｎｔ
兰Ｑ
———－．卜么：叉
————＋ｆ工＇ＩＪ
————◆
、，、
（ａ）水平轴水轮机
ｔｕｒｂｉｎｅ
水平轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向平行，
收稿日期：２００９—１０—２７。
如图１（ａ）所示，主要利用水流对叶片的升力作
基金项目：国家高新技术研究与发展计划（“８６３”计划）资助项目（２００９ＡＡ０５７Ａ３０）。
作者简介：戴军（１９８４一）。男，汉族。山西省大同人，硕士研究生，主要从事新能源技术开发研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄａｉｊｔｍｌ００＠１６３，ｃｏｒｎ
・１３０・
万方数据
戴军．等潮流水轮机的研究进展
用，由于与传统轴流式水轮机相似，所以有时也称为轴流式水轮机。竖轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直，如图１（ｂ）所示。横轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面平行，如图ｌ（ｃ）所示。１．１水平轴水轮机
水平轴水轮机正对水流方向时．发电功率较大。当水流方向与旋转轴方向有夹角时。其获能利用率迅速下降，一般须要安装偏航控制系统来调节．以提高发电输出功率。水轮机结构类似于水平轴风力机，须要同定于海床或悬挂于浮体之下。它的叶片形状、个数、间矩以及安装角度等直接影响水轮机的性能。此类结构最具代表的水轮机是英国ＭＣＴ公司的ＳｅａＦｌｏｗ和ＳｅａＧｅｎ
１６１。
ＳｅａＦｌｏｗ是英困贸易工业部经费支持下的第一个工程项目。转子直径为１１ｍ，在２．５ｍ／ｓ流速下的额定发电功率为３００ｋＷ．设计效率为２７％．在英国北德文郡的布里斯托尔海峡测试的效率为４０％。ＳｅａＧｅｎ则是双转子型的ＳｅａＦｌｏｗ，发电功率为１．２ＭＷ。是世界上第一个兆瓦级潮流水轮机。于２００８年１１月建成．已进入试运行阶段。由于大型水平轴风力机的快速发展。推动了潮流水平轴水轮机的丁程应用进程，已具备工业制造生产的能力，是最具商业发展前景的潮流水轮机结构。１．２竖轴水轮机
竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直．不受水流方向的影响，不仅减少了偏航机械系统的设计。还可以直接通过旋转轴将扭矩输出。减小机械传动损失。根据叶片的结构，竖轴水轮机分为Ｈ—Ｄａｒｒｉｅｕｓ式、Ｏ—Ｄａｒｒｉｅｌｌｓ式、Ｓａｖｏｎｉｕｓ式以及Ｇｏｆｌｏｖ式等。Ｄ式与Ｓ式结构在垂直轴风力机方面得到了广泛的应用。１９９４年，美国东北大学Ｇｏｒｌｏｖ教授基于Ｄａｒｒｉｅｕｓ风力机的结构。发明了Ｇｏｒｌｏｖ式水轮机．是垂直轴水轮机中的重要结构类型之一。Ｇｏｒｌｏｖ式水轮机采用非传统的螺旋式叶片。将叶片旋转一定角度，当叶片转动时，阻力与升力都能有效地产生对转动轴的力矩。在１９９８年的项目技术报告中．Ｇｏｒｌｏｖ表示三叶片转子的效率稳定在３５％左右Ｉ引，并且对倾斜角的大小进行了优化分析计算，得出不同尺寸结构的最佳倾斜角。以获得最大的扭转力矩。竖轴水轮机不仅结构简单．方便工程制造．而且具有良好的力学性
万方数据
能，近年来许多学者和研究机构对其产生兴趣．进行了大量的研究。１．３横轴水轮机
横轴水轮机与呸轴水轮机结构相似，只是放置方式不同，常将两种水轮机统称为垂直轴水轮机。如文献［７】所述的横轴转子就是一种横轴水轮机结构，它的旋转轴与水平面平行，获能利用率受水流方向的影响，因其不便配置偏航机械结构．安装方式和位置受到一定的限制。一般通过固定横轴水轮机的两端，将其安装在跨桥下面，或以类型浮桥的形式固定在特定河道两岸。横轴水轮机因其应用的局限性，常被嚷轴水轮机所代替。多数资料中所说的垂直轴水轮机特指竖轴水轮机。因此本文在后面以竖轴式为主介绍垂直轴水轮机。
１．４获能利用效率
根据贝茨极限理论。水平轴水轮机与竖轴水轮机的利用效率均不会超过５９％。由于水平轴水轮机借助水平轴风力机和螺旋桨的成熟科研成果，取得了快速的发展．其获能利用率达到４０％左右。竖轴水轮机的研究来源于垂直轴风力机．起步相对较晚。基础理论和设计方法还处于发展阶段，其获能利用率在２５％。４０％。潮流水轮机在水下运行，为了不影响海洋生物自由通过，其转速为２０—２５
ｄｒａｉｎ。
２潮流水轮机的国内外研究现状
早期，人们采用转桨式、混流式、水戽式等传统水轮机。利用河流、海流、潮流等水流动能进行发电。由于水流低水头的特性降低了获能利用率．增加了发电成本，机组单位成本较高。不适合应用在潮流发电技术上，因此，传统水轮机没有得到应用和推广ｆ３】．１［４１。何世钧曾采用装在船尾的两台卧轴螺旋浆式水轮机．通过油压传动发电，在流速３ｍ／ｓ下机组输出功率为５．７ｋ剐８１，验证了潮流发电的可行性，说明传统水轮机用于潮流发电不仅效率低．而且不经济。２．１国内外发展情况
２０世纪７０年代，ＩＴＰｏｗｅ公司可再生能源技术顾问Ｐｅｔｅｒ开始进行潮流水轮机的研究．在苏丹进行了两年多的实地测试。９０年代末，该公司得到欧盟委员会和英国政府的经费支持，成立了ＭＣＴ公司，先后开展了Ｓｅａｆｌｏｗ和ＳｅａＧｅｎ项目的研究，是目前最成功的一种水平轴水轮机结构。
・１３ｌ・
可再生能源
２０１０，２８（４）
１９８０年．由工程师ＢａｒｒｙＶ．Ｄａｖｉｓ发明的Ｄａｖｉｓ水轮机是一种Ｈ—Ｄａｒｒｉｅｕｓ式的竖轴水轮机。先后进行了４．２０。１００ｋＷ的比例模型测试研究。１９９７年成立的ＢｌｕｅＥｎｅｒｇｙ公司开始专门从事Ｄａｖｉｓ水轮机的商业化运行。１９９７年，挪威Ｈａｍｍｅｒｆｅｓｔ
ＳｔｒＵｍＡｓ公司设计发明了一种３叶片的水平轴
潮流水轮机，经过４年多的试验模型测试研究，在克瓦尔松桥海峡成功地安装了直径为２０ｎｌ的比例模型。在额定流速１．８ｍ／ｓ的条件下，发电功率达到３００ｋＷ。２０００年，意大利阿基米德公司在墨西拿海峡对其设计的漂浮式ｋｏｂｏｌｄ竖轴水轮机进行了试验．通过变攻角机械结构方式提升了获能利用率，目前已与中国、印尼和菲律宾等国建立了合作关系。
从现有文献看，国内潮流水轮机的研究主要集中在科研单位。目前还没有专门从事此方面研究的企业。哈尔滨工程大学首先在实验室研制成功６０Ｗ水轮机，随后研制出ｌｋＷ发电装置．并置于水库进行了两个月的试验，取得了试验阶段的基础成果。我国在“九五”期间进行了７０ｋＷ潮流试验电站项目的研究．该电站于２００２年建成。采用漂浮式安装方式，由电站载体、双转子水轮机、锚固系统、液压恒频发电与控制系统等组成。其水轮机采用直叶片竖轴式。通过偏心机构实现转子定向转动，提高获能利用率。该试验电站命名为“万向Ｉ”，建造在浙江省岱山县龟山水道。水深
４０～７０
ｍ．距岸边１００ｍ．是当时世界上第一个漂
浮式潮流能试验电站。２００３年开展了４０ｋＷ潮流发电试验电站的实用化研究，研制海底固定式竖轴潮流水轮机。将其安装在导流罩结构的中心位置。该电站于２００５年建成于岱山县的仙洲桥下，命名为“万向ＩＩ”。
２００４年，浙江大学开始研究一种新型水下风车，于２００６年在岱山县进行了５ｋＷ模型样机的试验，并成功发电两天两夜，测定流速为２ｎｄｓ，转速为５０ｒ／ｍｉｎ，叶轮半径为１．３
ｍｌｇｌ。
２００６年，东北师范大学研制了１ｋＷ水下漂浮式水平轴潮流水轮机。为避免反复调整水轮机的浆距，解决逆水流时效率低等问题，采用软轴技术将水轮机与垂直放置的发电机相连。同年．机械科学研究总院与中国海洋大学联合开展海洋潮流能驱动的柔性叶片发电设备研究。提出了一种非
・１３２・
万方数据
传统刚性叶片的柔性叶片技术．采用柔性材料不仅改善了水流的流场特性．而且能有效地利用流体的阻力与升力特性提高获能利用率。该柔性叶片水轮机已在中国海洋大学进行了水槽模型试验，取得了较好的试验结果。
根据我国目前的情况。潮流水轮机发展可分为３个阶段。第一阶段是实验室理论分析和模型试验的研究阶段，第二阶段是实地测试、收集数据的工程实践技术准备阶段。第ｉ阶段是开展产业化的商业运作阶段。目前。国外的潮流水轮机已经进入了第三阶段。纵览国内潮流水轮机研究方面的文献资料，国内基本上处于第一个试验阶段，只有哈尔滨工程大学已经进入了第二阶段。但与国外相比还有很大的差距。２．２研究方法
潮流水轮机的研究多数是从风力发电和船舶螺旋桨等技术延伸而来的１－０１．大多采用模型试验、理论分析和数值模拟三者相结合的方法进行研究。它不仅避免了多次模型试验的人力、物力的大量投入。减少了研制周期。而且可以通过试验数据改进数值模拟的数学模型．提高数值计算的精确性和科研效率。
目前。国内已经建成多个大型的试验水洞、船模试验水槽等相关的模型试验平台。如北航的水洞实验室、海洋大学的风一浪一流实验水槽．这些平台不仅方便潮流水轮机的试验研究，同时提升了试验精度，为潮流水轮机的研究提供更为合理的数据。近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术得到了广泛的重视和应用。在计算流体力学（ＣＦＤ）和计算同体力学（ＣＳＤ）等数值方面已取得很大的突破和发展，并开发出许多商用ＣＦＤ和ＣＳＤ软件。ＣＦＤ软件有Ｆｌｕｅｎｔ．ＣＦＸ和和ＡＢＡＱＵＳ等，这些软件的应用方便了潮流水轮机的数值模型的求解，省略了编程过程。同时可以进行软件间的耦合计算。结合模型试验观察的现象和所测的数据，修正数值模型的求解条件，计算出合理的数值解．然后调整部分结构参数进行求解，获得最优值，再进行模型试验，如此反复进行２．３性能研究
潮流水轮机的性能研究包括机械结构设计、
Ｓｔａｒ—ＣＤ等，ＣＳＤ软件有Ａｎｓｙｓ。ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ研究，是目前最有效的研究手段。
戴军。等潮流水轮机的研究进展
水动力特性研究等．其关键在于水轮机水动力特性的预测，分析优化机械结构特性。叶片是水轮机的核心部件，设计优化叶片结构有助于提高水轮机效率。叶片截面多选用机翼型，其力学参数可以查阅相关机翼数据。特殊的叶片需要通过模型试验测定。或者利用流体力学相关知识（如势流理论、叶素原理等）进行求解。除叶片截面的影响外．还有叶片的外形结构、表面粗糙度和材料特性等对水轮机性能的影响，此时需要进行水槽试验分析，得出修正系数。
在水轮机的水动力特性预测数学模型方面．
Ｐａｒａｓｃｈｉｖｏｉｕ
Ｉｏｎ分别介绍了基于动量定理和涡理
论的两种模型方法，对其进行了详细论述与比较Ｉ¨１。张桂湘、张亮分别分析和总结了４种基于动量定理的计算模型。说明这些模型在潮流水轮机的水动力性能方面，能够定性地预报能量利用率的总体趋势。为水轮机的性能计算提供了一种可行的方法１１２ｔ－４ｔ４１。虽然基于动最定理的模型精度较低，但冈其理论原理简单、应用方便，目前多用于垂直轴水轮机的性能预测计算。涡理论是用升力线（升力面）表示转子叶片和尾涡，可以精确计算出叶片表面的受力情况，适合于利用升力作用的水平轴水轮机的性能预测。
３潮流水轮机的未来发展方向及结论
目前，潮流水轮机多数采用水平轴水轮机，且兆瓦级以上的都采用此结构．如ＭＣＴ公司１．２ＭＷ的ＳｅａＧｅｎ．ＬｕｎａｒＥｎｅｒｇｙ公司８ＭＷ的ＲＴｒ等。大型水平轴风力机的技术已经成熟，完全可以转化应用在潮流水轮机方面，使潮流水轮机朝着大型商业化的水平轴水轮机发展。竖轴水轮机因其不受来流方向的影响和适应于双向流沿同一方向旋转的优点．得到研究者们的关注，成为潮流水轮机的另一个发展方向。实用化小规模的竖轴水轮机可以方便地应用在一些河道、海峡、海滨等地区，满足近海周边村落用户日常用电、海上航标灯照明以及驻岛守卫储电的需求。
综上所述．在工作原理上潮流水轮机与传统水轮机有本质的区别，其运行方式类似于风力机。通过分析比较３类潮流水轮机的特点．发现水平轴水轮机和竖轴水轮机是最有开发前景的结构形式。从困内发展现状来看。多数潮流水轮机研究还处于试验研究阶段。没有达到兆瓦级以上的商业
万方数据
规模，远没有达到国外的发展水平。所以。国内研究急需从试验阶段转变为工程应用阶段，以加快潮流能发电的研究进程。当前，潮流水轮机普遍采用模型试验和数值模拟相结合的方法对其性能特性进行研究，研究重点是水轮机的水动力特性。在理论分析方面，存在动量定理和涡理论两种求解方法，分别适用于垂直轴和水平轴水轮机。
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潮流水轮机的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
戴军， 单忠德， 王西峰， 杨杰， DAI Jun， SHAN Zhong-de， WANG Xi-feng， YANGJie
机械科学研究总院,先进制造技术研究中心,先进成型技术与装备国家重点实验室,北京,100083
可再生能源
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ncny201004031.aspx
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潮漉方向
机是其中的核心技术之一。近年来，潮流水轮机的研究已经取得了长足的发展。出现了多种类型的结构形式［５１。根据其结构运行的情况，潮流水轮机可分为水平轴、竖轴和横轴３类（图１）。
海平面
————◆
崖转轴
兰一
—－——＋
轴———◆
（ｂ）竖轴水轮机
图１潮流水轮机的结构分类
Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｉｄａｌ
ｃｕｒｒｅｎｔ
兰Ｑ
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（ａ）水平轴水轮机
ｔｕｒｂｉｎｅ
水平轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向平行，
收稿日期：２００９—１０—２７。
如图１（ａ）所示，主要利用水流对叶片的升力作
基金项目：国家高新技术研究与发展计划（“８６３”计划）资助项目（２００９ＡＡ０５７Ａ３０）。
作者简介：戴军（１９８４一）。男，汉族。山西省大同人，硕士研究生，主要从事新能源技术开发研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄａｉｊｔｍｌ００＠１６３，ｃｏｒｎ
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万方数据
戴军．等潮流水轮机的研究进展
用，由于与传统轴流式水轮机相似，所以有时也称为轴流式水轮机。竖轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直，如图１（ｂ）所示。横轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面平行，如图ｌ（ｃ）所示。１．１水平轴水轮机
水平轴水轮机正对水流方向时．发电功率较大。当水流方向与旋转轴方向有夹角时。其获能利用率迅速下降，一般须要安装偏航控制系统来调节．以提高发电输出功率。水轮机结构类似于水平轴风力机，须要同定于海床或悬挂于浮体之下。它的叶片形状、个数、间矩以及安装角度等直接影响水轮机的性能。此类结构最具代表的水轮机是英国ＭＣＴ公司的ＳｅａＦｌｏｗ和ＳｅａＧｅｎ
１６１。
ＳｅａＦｌｏｗ是英困贸易工业部经费支持下的第一个工程项目。转子直径为１１ｍ，在２．５ｍ／ｓ流速下的额定发电功率为３００ｋＷ．设计效率为２７％．在英国北德文郡的布里斯托尔海峡测试的效率为４０％。ＳｅａＧｅｎ则是双转子型的ＳｅａＦｌｏｗ，发电功率为１．２ＭＷ。是世界上第一个兆瓦级潮流水轮机。于２００８年１１月建成．已进入试运行阶段。由于大型水平轴风力机的快速发展。推动了潮流水平轴水轮机的丁程应用进程，已具备工业制造生产的能力，是最具商业发展前景的潮流水轮机结构。１．２竖轴水轮机
竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直．不受水流方向的影响，不仅减少了偏航机械系统的设计。还可以直接通过旋转轴将扭矩输出。减小机械传动损失。根据叶片的结构，竖轴水轮机分为Ｈ—Ｄａｒｒｉｅｕｓ式、Ｏ—Ｄａｒｒｉｅｌｌｓ式、Ｓａｖｏｎｉｕｓ式以及Ｇｏｆｌｏｖ式等。Ｄ式与Ｓ式结构在垂直轴风力机方面得到了广泛的应用。１９９４年，美国东北大学Ｇｏｒｌｏｖ教授基于Ｄａｒｒｉｅｕｓ风力机的结构。发明了Ｇｏｒｌｏｖ式水轮机．是垂直轴水轮机中的重要结构类型之一。Ｇｏｒｌｏｖ式水轮机采用非传统的螺旋式叶片。将叶片旋转一定角度，当叶片转动时，阻力与升力都能有效地产生对转动轴的力矩。在１９９８年的项目技术报告中．Ｇｏｒｌｏｖ表示三叶片转子的效率稳定在３５％左右Ｉ引，并且对倾斜角的大小进行了优化分析计算，得出不同尺寸结构的最佳倾斜角。以获得最大的扭转力矩。竖轴水轮机不仅结构简单．方便工程制造．而且具有良好的力学性
万方数据
能，近年来许多学者和研究机构对其产生兴趣．进行了大量的研究。１．３横轴水轮机
横轴水轮机与呸轴水轮机结构相似，只是放置方式不同，常将两种水轮机统称为垂直轴水轮机。如文献［７】所述的横轴转子就是一种横轴水轮机结构，它的旋转轴与水平面平行，获能利用率受水流方向的影响，因其不便配置偏航机械结构．安装方式和位置受到一定的限制。一般通过固定横轴水轮机的两端，将其安装在跨桥下面，或以类型浮桥的形式固定在特定河道两岸。横轴水轮机因其应用的局限性，常被嚷轴水轮机所代替。多数资料中所说的垂直轴水轮机特指竖轴水轮机。因此本文在后面以竖轴式为主介绍垂直轴水轮机。
１．４获能利用效率
根据贝茨极限理论。水平轴水轮机与竖轴水轮机的利用效率均不会超过５９％。由于水平轴水轮机借助水平轴风力机和螺旋桨的成熟科研成果，取得了快速的发展．其获能利用率达到４０％左右。竖轴水轮机的研究来源于垂直轴风力机．起步相对较晚。基础理论和设计方法还处于发展阶段，其获能利用率在２５％。４０％。潮流水轮机在水下运行，为了不影响海洋生物自由通过，其转速为２０—２５
ｄｒａｉｎ。
２潮流水轮机的国内外研究现状
早期，人们采用转桨式、混流式、水戽式等传统水轮机。利用河流、海流、潮流等水流动能进行发电。由于水流低水头的特性降低了获能利用率．增加了发电成本，机组单位成本较高。不适合应用在潮流发电技术上，因此，传统水轮机没有得到应用和推广ｆ３】．１［４１。何世钧曾采用装在船尾的两台卧轴螺旋浆式水轮机．通过油压传动发电，在流速３ｍ／ｓ下机组输出功率为５．７ｋ剐８１，验证了潮流发电的可行性，说明传统水轮机用于潮流发电不仅效率低．而且不经济。２．１国内外发展情况
２０世纪７０年代，ＩＴＰｏｗｅ公司可再生能源技术顾问Ｐｅｔｅｒ开始进行潮流水轮机的研究．在苏丹进行了两年多的实地测试。９０年代末，该公司得到欧盟委员会和英国政府的经费支持，成立了ＭＣＴ公司，先后开展了Ｓｅａｆｌｏｗ和ＳｅａＧｅｎ项目的研究，是目前最成功的一种水平轴水轮机结构。
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可再生能源
２０１０，２８（４）
１９８０年．由工程师ＢａｒｒｙＶ．Ｄａｖｉｓ发明的Ｄａｖｉｓ水轮机是一种Ｈ—Ｄａｒｒｉｅｕｓ式的竖轴水轮机。先后进行了４．２０。１００ｋＷ的比例模型测试研究。１９９７年成立的ＢｌｕｅＥｎｅｒｇｙ公司开始专门从事Ｄａｖｉｓ水轮机的商业化运行。１９９７年，挪威Ｈａｍｍｅｒｆｅｓｔ
ＳｔｒＵｍＡｓ公司设计发明了一种３叶片的水平轴
潮流水轮机，经过４年多的试验模型测试研究，在克瓦尔松桥海峡成功地安装了直径为２０ｎｌ的比例模型。在额定流速１．８ｍ／ｓ的条件下，发电功率达到３００ｋＷ。２０００年，意大利阿基米德公司在墨西拿海峡对其设计的漂浮式ｋｏｂｏｌｄ竖轴水轮机进行了试验．通过变攻角机械结构方式提升了获能利用率，目前已与中国、印尼和菲律宾等国建立了合作关系。
从现有文献看，国内潮流水轮机的研究主要集中在科研单位。目前还没有专门从事此方面研究的企业。哈尔滨工程大学首先在实验室研制成功６０Ｗ水轮机，随后研制出ｌｋＷ发电装置．并置于水库进行了两个月的试验，取得了试验阶段的基础成果。我国在“九五”期间进行了７０ｋＷ潮流试验电站项目的研究．该电站于２００２年建成。采用漂浮式安装方式，由电站载体、双转子水轮机、锚固系统、液压恒频发电与控制系统等组成。其水轮机采用直叶片竖轴式。通过偏心机构实现转子定向转动，提高获能利用率。该试验电站命名为“万向Ｉ”，建造在浙江省岱山县龟山水道。水深
４０～７０
ｍ．距岸边１００ｍ．是当时世界上第一个漂
浮式潮流能试验电站。２００３年开展了４０ｋＷ潮流发电试验电站的实用化研究，研制海底固定式竖轴潮流水轮机。将其安装在导流罩结构的中心位置。该电站于２００５年建成于岱山县的仙洲桥下，命名为“万向ＩＩ”。
２００４年，浙江大学开始研究一种新型水下风车，于２００６年在岱山县进行了５ｋＷ模型样机的试验，并成功发电两天两夜，测定流速为２ｎｄｓ，转速为５０ｒ／ｍｉｎ，叶轮半径为１．３
ｍｌｇｌ。
２００６年，东北师范大学研制了１ｋＷ水下漂浮式水平轴潮流水轮机。为避免反复调整水轮机的浆距，解决逆水流时效率低等问题，采用软轴技术将水轮机与垂直放置的发电机相连。同年．机械科学研究总院与中国海洋大学联合开展海洋潮流能驱动的柔性叶片发电设备研究。提出了一种非
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万方数据
传统刚性叶片的柔性叶片技术．采用柔性材料不仅改善了水流的流场特性．而且能有效地利用流体的阻力与升力特性提高获能利用率。该柔性叶片水轮机已在中国海洋大学进行了水槽模型试验，取得了较好的试验结果。
根据我国目前的情况。潮流水轮机发展可分为３个阶段。第一阶段是实验室理论分析和模型试验的研究阶段，第二阶段是实地测试、收集数据的工程实践技术准备阶段。第ｉ阶段是开展产业化的商业运作阶段。目前。国外的潮流水轮机已经进入了第三阶段。纵览国内潮流水轮机研究方面的文献资料，国内基本上处于第一个试验阶段，只有哈尔滨工程大学已经进入了第二阶段。但与国外相比还有很大的差距。２．２研究方法
潮流水轮机的研究多数是从风力发电和船舶螺旋桨等技术延伸而来的１－０１．大多采用模型试验、理论分析和数值模拟三者相结合的方法进行研究。它不仅避免了多次模型试验的人力、物力的大量投入。减少了研制周期。而且可以通过试验数据改进数值模拟的数学模型．提高数值计算的精确性和科研效率。
目前。国内已经建成多个大型的试验水洞、船模试验水槽等相关的模型试验平台。如北航的水洞实验室、海洋大学的风一浪一流实验水槽．这些平台不仅方便潮流水轮机的试验研究，同时提升了试验精度，为潮流水轮机的研究提供更为合理的数据。近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术得到了广泛的重视和应用。在计算流体力学（ＣＦＤ）和计算同体力学（ＣＳＤ）等数值方面已取得很大的突破和发展，并开发出许多商用ＣＦＤ和ＣＳＤ软件。ＣＦＤ软件有Ｆｌｕｅｎｔ．ＣＦＸ和和ＡＢＡＱＵＳ等，这些软件的应用方便了潮流水轮机的数值模型的求解，省略了编程过程。同时可以进行软件间的耦合计算。结合模型试验观察的现象和所测的数据，修正数值模型的求解条件，计算出合理的数值解．然后调整部分结构参数进行求解，获得最优值，再进行模型试验，如此反复进行２．３性能研究
潮流水轮机的性能研究包括机械结构设计、
Ｓｔａｒ—ＣＤ等，ＣＳＤ软件有Ａｎｓｙｓ。ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ研究，是目前最有效的研究手段。
戴军。等潮流水轮机的研究进展
水动力特性研究等．其关键在于水轮机水动力特性的预测，分析优化机械结构特性。叶片是水轮机的核心部件，设计优化叶片结构有助于提高水轮机效率。叶片截面多选用机翼型，其力学参数可以查阅相关机翼数据。特殊的叶片需要通过模型试验测定。或者利用流体力学相关知识（如势流理论、叶素原理等）进行求解。除叶片截面的影响外．还有叶片的外形结构、表面粗糙度和材料特性等对水轮机性能的影响，此时需要进行水槽试验分析，得出修正系数。
在水轮机的水动力特性预测数学模型方面．
Ｐａｒａｓｃｈｉｖｏｉｕ
Ｉｏｎ分别介绍了基于动量定理和涡理
论的两种模型方法，对其进行了详细论述与比较Ｉ¨１。张桂湘、张亮分别分析和总结了４种基于动量定理的计算模型。说明这些模型在潮流水轮机的水动力性能方面，能够定性地预报能量利用率的总体趋势。为水轮机的性能计算提供了一种可行的方法１１２ｔ－４ｔ４１。虽然基于动最定理的模型精度较低，但冈其理论原理简单、应用方便，目前多用于垂直轴水轮机的性能预测计算。涡理论是用升力线（升力面）表示转子叶片和尾涡，可以精确计算出叶片表面的受力情况，适合于利用升力作用的水平轴水轮机的性能预测。
３潮流水轮机的未来发展方向及结论
目前，潮流水轮机多数采用水平轴水轮机，且兆瓦级以上的都采用此结构．如ＭＣＴ公司１．２ＭＷ的ＳｅａＧｅｎ．ＬｕｎａｒＥｎｅｒｇｙ公司８ＭＷ的ＲＴｒ等。大型水平轴风力机的技术已经成熟，完全可以转化应用在潮流水轮机方面，使潮流水轮机朝着大型商业化的水平轴水轮机发展。竖轴水轮机因其不受来流方向的影响和适应于双向流沿同一方向旋转的优点．得到研究者们的关注，成为潮流水轮机的另一个发展方向。实用化小规模的竖轴水轮机可以方便地应用在一些河道、海峡、海滨等地区，满足近海周边村落用户日常用电、海上航标灯照明以及驻岛守卫储电的需求。
综上所述．在工作原理上潮流水轮机与传统水轮机有本质的区别，其运行方式类似于风力机。通过分析比较３类潮流水轮机的特点．发现水平轴水轮机和竖轴水轮机是最有开发前景的结构形式。从困内发展现状来看。多数潮流水轮机研究还处于试验研究阶段。没有达到兆瓦级以上的商业
万方数据
规模，远没有达到国外的发展水平。所以。国内研究急需从试验阶段转变为工程应用阶段，以加快潮流能发电的研究进程。当前，潮流水轮机普遍采用模型试验和数值模拟相结合的方法对其性能特性进行研究，研究重点是水轮机的水动力特性。在理论分析方面，存在动量定理和涡理论两种求解方法，分别适用于垂直轴和水平轴水轮机。
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潮流水轮机的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
戴军， 单忠德， 王西峰， 杨杰， DAI Jun， SHAN Zhong-de， WANG Xi-feng， YANGJie
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