浮力擺式波浪能發電裝置結構設計與強度優化

李　蒙，李雪臨，王兵振，段云棋

（1.國家海洋技術中心，天津　300012；2.國電聯合動力技術有限公司，北京　100039）

浮力擺式波浪能發電裝置結構設計與強度優化

李蒙1，李雪臨2，王兵振1，段云棋1

（1.國家海洋技術中心，天津300012；2.國電聯合動力技術有限公司，北京100039）

波浪能作為一種蘊藏豐富、可再生的清潔能源，在世界上受到了廣泛關注。文中提出了一種浮力擺式波浪能發電裝置，簡要介紹了該裝置的工作原理以及基本組成，并對其關鍵技術進行了研究；建立了裝置動力響應特性模型，結合站址海域波浪環境條件對裝置進行了水動力特性分析，獲取裝置對波浪的響應狀況，確定了關鍵設計參數；利用該參數對裝置進行了結構設計，并對其關鍵受力部位進行強度計算與優化。結果表明，裝置在規則波條件下具有較高的能量轉換效率，同時滿足其在極限波況下的強度要求。

波浪能；發電裝置；水動力分析；結構設計；強度

當今世界對能源的需求越來越大，然而傳統能源卻面臨枯竭以及環境污染等一系列問題。在這種形勢下，可再生能源的開發日益受到重視。海洋能作為可再生能源，因其清潔環保、潛力巨大等特點而備受矚目。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等。其中波浪能是海洋中蘊藏量最為豐富的能源之一，也是被研究利用得較多的能源之一。世界上許多國家，包括英國、法國、日本、挪威，都對波浪能進行了研究開發。中國也是世界上主要的波浪能研究開發國家之一，擁有豐富的海洋資源，波浪能開發潛力巨大。目前，國際上較為主流的波浪能發電技術主要有擺式、筏式、振蕩水柱式、點吸收式技術等[1]。本文設計了一種擺式波浪能發電裝置，對其設計原理、結構參數、強度優化進行了研究。

1　裝置工作原理

浮力擺式波浪能發電裝置的原理如圖1所示。整個擺式波浪能裝置主要由擺板、液壓缸、擺板底座、重力式基礎等部分組成，均位于水下。擺板的擺動軸線置于擺板的底部，液壓缸與擺板、底座間均通過鉸鏈連接。擺板、液壓缸和底座形成了一個曲柄搖塊的四連桿機構，其中擺板為曲柄，液壓缸活塞桿為連桿，液壓缸桶為搖塊，底座為機架。在波浪作用下，擺板繞轉軸往復擺動，從而帶動液壓缸活塞實現往復直線運動。當液壓缸活塞運動時，從液壓缸中排出帶有一定壓力的液壓油進入水下液壓系統；其所產生的高壓液壓油通過管路輸送到液壓系統并驅動液壓馬達，液壓馬達驅動發電機發電[2]。

圖1　擺式裝置工作原理

2　裝置水動力特性分析

2.1波浪資源

波浪能發電裝置的布放地點位于浙江省嵊山島。根據對站址海域波浪狀況的調查與分析，以及觀測站的長期觀測數據，可以得出站址海域設計波浪要素和潮汐變化情況。站址海域波浪環境條件如下：

（1）波浪能裝置的工作波況為H=1～3 m，帶載荷狀態。極限波況為3.75 m，自由擺狀態。

（2）站址海域波浪累年各月周期分布平均值約為4.7 s。

（3）站址海域水深12.5 m，平均潮差2.45 m，最大潮差4.65 m，為正規則半日潮[3]。

2.2水動力分析

對于擺式波浪能裝置而言，在波浪作用下的動力響應問題可簡化為一個二階系統，如圖2所示。圖中，θ為擺板與垂直平衡位置的夾角；B為水作用在擺板上的浮力；P為作用在擺板上的重力，在此假定擺板的浮力大于擺板的重力；b為擺板的厚度。在波浪作用下，擺板產生往復擺動運動，其平衡方程可近似為：

式中：I為擺板的轉動慣量；I1為擺板在水中運動時的附加轉動慣量；N為擺板在水中擺動時水對擺板運動形成的阻尼系數；N1為液壓系統（含發電機）對擺板形成的運動阻尼系數；K為恢復力矩系數；θ為擺板擺角；M為波浪產生的激振力矩幅值；ω為間變量。

圖2　擺式波浪能俘獲裝置示意圖

由方程（1）可得擺板的擺角：

擺板的能量轉化效率為：

其中：

由式（3）可以看出，當擺板的固有圓頻率ω0和波浪的圓頻率ω相等時，擺式波浪能裝置的能量轉換效率達到最大[6]。因此，應盡力保證擺式裝置的固有頻率與擬建電站海域的波浪特性相對應。根據站址海域波浪觀測和調研結果，研制的擺式裝置在水中的固有頻率對應的周期應在4.0 s左右。

建立了基于特征函數法的二維擺板動力響應特性計算模型，對擺式波浪能轉換裝置的特性進行了研究，對比分析了擺板（在水中的）高度、浮力大小、擺板質量大小對其固有頻率和在波浪作用下響應幅度（擺角）的影響。

擺板在水中的高度對穩態響應角度幅值的影響如圖3所示。計算中波浪為規則波，波高0.2 m，周期變化范圍為2～20 s。圖中，橫軸為波浪周期，單位為s；縱軸為擺板在波浪作用下擺角的幅值，單位為度；H表示擺板高度。由圖可見，擺板存在一個最佳響應周期。綜合考慮站址海域波浪平均周期和潮差對擺板響應特性的影響，最終確定擺板的高度為5 m。

不同浮力大小對擺板輸出特性的影響如圖5所示。在計算過程中擺板的高度為5 m，為便于比較，假定每種擺板的質量均為其浮力的1/5。圖中，橫軸為波浪的周期，單位s；縱軸為擺板在波浪作用下的擺動角度幅值的穩定解，單位度；b代表擺板的厚度，單位m，b越小代表擺板的浮力也越小。對于4 s周期的波浪來說，考查范圍內（擺板厚度0.8～2.0 m）的擺板的浮力均能夠適用，而考慮到擺板需要保證一定的機械強度，最終確定擺板的厚度在1.0 m左右。

圖3　不同擺板高度對響應特性的影響

圖4　不同質量的影響

圖5　不同浮力大小的影響

分析不同質量對擺板響應特性的影響，如圖4所示。計算中設定擺板的高度為5 m，擺板的厚度b為1.0 m。圖中，橫軸為波浪的周期，單位s；縱軸為擺板在波浪作用下的擺動角度幅值的穩定解，單位(°)；P為擺板的凈浮力，B為擺板的浮力（排水量），B-P即為擺板的重量；對于圖中所有考察情況，B為一個定值，而不同的曲線代表不同質量的擺板（P值不同）。由圖可見：對于周期＜6 s的波況，擺板的凈浮力應控制在0.5～0.9倍的排水量范圍內。

通過仿真分析，對于站址海域波周期來說（平均周期約為4 s），確定了擺板的高度為5 m、厚度為1 m，凈浮力應控制在0.5～0.9倍的排水量范圍內。

根據水動力分析結果，對裝置進行了優化設計，并開展了小比例尺物理模型水槽測試試驗。在模擬波況下，測試波高、周期以及擺板自身浮力和重浮心位置對模型轉換效率的影響。通過測試試驗，驗證了裝置水動力分析結果。

3　裝置結構設計

根據水動力分析和模型試驗結果，對擺式裝置進行了設計。如圖6所示，裝置主要由擺板、底座、軸部、液壓缸等部分組成。其中，底座與重力式水工基礎連接，擺板繞軸部做往復擺動。液壓缸活塞桿頭與擺板連接，缸底與底座連接；兩端均為鉸鏈連接。

圖6　擺板裝置結構

擺板由5個主體管筒組成；空主體管筒為A3空心鋼筒，外徑為Φ 920 mm，壁厚8 mm，長度為6 900 mm，符合裝置結構參數要求。擺板總重量約為11 t，全部沒入水中時的排水量約為23 t，其凈浮力占排水量達比例為0.52，滿足凈浮力控制在0.5～0.9的要求。底座由A3空心鋼管構成主體框架，再加入輔管和加強筋以增加強度。軸承使用防腐蝕、抗泥沙的自潤滑滑動軸承。底座下方法蘭盤與重力式水工基礎通過螺栓連接。

4　強度優化

擺式裝置的強度是結構設計的一個重要部分。足夠的機械強度能保證裝置在工作海域中的安全性。利用海洋工程結構及水動力分析軟件SESAM軟件，對裝置擺板、轉軸、液壓缸活塞桿頭等關鍵受力部位進行強度計算與優化，獲取最佳安全系數。

在優化過程中，使用SESAM軟件的GeniE程序包中的環境載荷計算程序Wajac模塊和結構分析程序Sestra模塊建模求解，并使用結果后處理器Xtract進行結果分析；通過建立裝置，建立波浪載荷、環境載荷、工作載荷、自重載荷，分析計算等步驟得出擺式裝置的受力狀況和安全系數[9]。

4.1計算方法

環境載荷計算程序Wajac模塊是基于Morison理論計算波浪載荷，采用設計波法（design wave analysis）：即計算重現期內的設計波在某一波峰相位角下作用于結構上的波浪力，該設計波可以來自不同方向，但是每一個方向上只包含一個確定的波浪，計算中波浪理論采用Airy波。Cd=0.7，Cm=2。應用Xtract模塊進行結果分析，結果包括模塊中擺板單元節點上的von Mises stress；梁單元應力結果為單元上的B-stress，包括軸向應力、彎曲應力和剪應力，轉軸所受剪力。

4.2模型建立

（1）定義材料屬性：活塞桿頭材料為40Cr，屈服極限為400 MPa，其他材料為Q235，屈服強度235 MPa；兩種材料的材料密度為7 850 kg/m3；楊氏模量為2.1e11；泊松比位0.3。

（2）定義截面屬性和板厚。

（3）以底座幾何中心為原點，垂直擺板方向為x軸，平行擺板方向為y軸，根據圖紙建立幾何模型，所有軸承模擬為鉸鏈約束，底座為固定約束，如圖7所示。

圖7　結構幾何模型

（4）建立結構自重載荷，并根據不同工況加載，液壓缸載荷以分布力形式加在活塞桿頭。

（5）建立環境載荷，包括兩種波況和四種水位。兩種波況分別為最大工作波況和極限波況，裝置對應波況分別為帶載荷工作狀態和自由擺狀態。四種水位根據站址海域潮汐特性分別為最低水位、中間水位、平均潮差水位和最高水位。

（6）設定網格劃分尺寸，劃分網格生成有限元模型。

（7）進行結構分析并進行后處理。

4.3計算結果

經過不同作業工況的計算分析，對于裝置的強度計算主要得到以下結果：

（1）擺板單元在極限波況中的最大應力為98.01 MPa，發生在擺板與轉軸連接處，而在最大工作波況和最大載荷作用下其最大應力為74.38 MPa，出現在擺板與轉軸連接處。最大安全系數約為2.4，滿足強度要求。

（2）活塞桿頭各應力均遠小于屈服強度，所有工況中最大應力為28.63 MPa，發生在活塞桿頭兩端，安全系數為8.2，滿足強度要求。

（3）轉軸各應力均遠小于屈服強度，所有工況中最大應力1.99 MPa，如圖8所示，該應力為y方向上的彎曲應力，發生在轉軸與擺板連接處，滿足強度要求。

綜上所述，在給定波浪條件和工作狀態下，該擺式波浪能裝置關鍵受力部位的強度滿足要求。

圖8　轉軸y方向彎曲應力云圖

5　結論

本文設計了一種擺式波浪能發電裝置，并對其關鍵技術進行了研究。通過對裝置的動力特性和站址海域的波浪周期特性進行了分析，計算出在該波浪條件下具有最佳響應特性的擺板結構，并確定擺板的尺寸、重浮力等關鍵參數。根據該參數對裝置進行了結構設計，并對其關鍵受力部位進行了強度計算。裝置在規則波條件下具有較好的能量轉換效率，同時保證其在極限波況下的強度滿足要求。

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Structural Design and Strength Optimization for Buoyant Pendulum Wave Power Generation Device

LI Meng1,LI Xue-lin2,WANG Bing-zhen1,DUAN Yun-qi1
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China; 2.GuoDian United Power Technology Company Ltd,Beijing 100039,China

As a kind of abundant and renewable clean energy,wave power has

widespread attention across the world.This paper proposes a buoyancy pendulum wave power generation device,briefly introduces its working principle and basic composition,and reports the researches on its key technology.It also establishes a model of the device on its dynamic response characteristics,and conducts hydrodynamic analysis on the device in the wave environment conditions in the site sea area,so as to obtain the response situation of the device for the wave,and confirm the key design parameters.Then it carries out structural design for the device based on these parameters,and has a strength calculation and optimization for the key forced parts of the device.The results show that,in regular waves,the device has a high energy conversion efficiency,meanwhile it meets the requirements of the strength in extreme waves.

wave energy;power generation device;hydrodynamic analysis;structural design;strength

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0085-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.017

2016-04-01

海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2011GC01）

李蒙（1983-），女，碩士研究生，主要從事海洋能發電技術研究。Email：limeng_621@163.com