浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化

李　蒙，李雪临，王兵振，段云棋

（1.国家海洋技术中心，天津　300012；2.国电联合动力技术有限公司，北京　100039）

浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化

李蒙1，李雪临2，王兵振1，段云棋1

（1.国家海洋技术中心，天津300012；2.国电联合动力技术有限公司，北京100039）

波浪能作为一种蕴藏丰富、可再生的清洁能源，在世界上受到了广泛关注。文中提出了一种浮力摆式波浪能发电装置，简要介绍了该装置的工作原理以及基本组成，并对其关键技术进行了研究；建立了装置动力响应特性模型，结合站址海域波浪环境条件对装置进行了水动力特性分析，获取装置对波浪的响应状况，确定了关键设计参数；利用该参数对装置进行了结构设计，并对其关键受力部位进行强度计算与优化。结果表明，装置在规则波条件下具有较高的能量转换效率，同时满足其在极限波况下的强度要求。

波浪能；发电装置；水动力分析；结构设计；强度

当今世界对能源的需求越来越大，然而传统能源却面临枯竭以及环境污染等一系列问题。在这种形势下，可再生能源的开发日益受到重视。海洋能作为可再生能源，因其清洁环保、潜力巨大等特点而备受瞩目。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、温差能、盐差能等。其中波浪能是海洋中蕴藏量最为丰富的能源之一，也是被研究利用得较多的能源之一。世界上许多国家，包括英国、法国、日本、挪威，都对波浪能进行了研究开发。中国也是世界上主要的波浪能研究开发国家之一，拥有丰富的海洋资源，波浪能开发潜力巨大。目前，国际上较为主流的波浪能发电技术主要有摆式、筏式、振荡水柱式、点吸收式技术等[1]。本文设计了一种摆式波浪能发电装置，对其设计原理、结构参数、强度优化进行了研究。

1　装置工作原理

浮力摆式波浪能发电装置的原理如图1所示。整个摆式波浪能装置主要由摆板、液压缸、摆板底座、重力式基础等部分组成，均位于水下。摆板的摆动轴线置于摆板的底部，液压缸与摆板、底座间均通过铰链连接。摆板、液压缸和底座形成了一个曲柄摇块的四连杆机构，其中摆板为曲柄，液压缸活塞杆为连杆，液压缸桶为摇块，底座为机架。在波浪作用下，摆板绕转轴往复摆动，从而带动液压缸活塞实现往复直线运动。当液压缸活塞运动时，从液压缸中排出带有一定压力的液压油进入水下液压系统；其所产生的高压液压油通过管路输送到液压系统并驱动液压马达，液压马达驱动发电机发电[2]。

图1　摆式装置工作原理

2　装置水动力特性分析

2.1波浪资源

波浪能发电装置的布放地点位于浙江省嵊山岛。根据对站址海域波浪状况的调查与分析，以及观测站的长期观测数据，可以得出站址海域设计波浪要素和潮汐变化情况。站址海域波浪环境条件如下：

（1）波浪能装置的工作波况为H=1～3 m，带载荷状态。极限波况为3.75 m，自由摆状态。

（2）站址海域波浪累年各月周期分布平均值约为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，为正规则半日潮[3]。

2.2水动力分析

对于摆式波浪能装置而言，在波浪作用下的动力响应问题可简化为一个二阶系统，如图2所示。图中，θ为摆板与垂直平衡位置的夹角；B为水作用在摆板上的浮力；P为作用在摆板上的重力，在此假定摆板的浮力大于摆板的重力；b为摆板的厚度。在波浪作用下，摆板产生往复摆动运动，其平衡方程可近似为：

式中：I为摆板的转动惯量；I1为摆板在水中运动时的附加转动惯量；N为摆板在水中摆动时水对摆板运动形成的阻尼系数；N1为液压系统（含发电机）对摆板形成的运动阻尼系数；K为恢复力矩系数；θ为摆板摆角；M为波浪产生的激振力矩幅值；ω为间变量。

图2　摆式波浪能俘获装置示意图

由方程（1）可得摆板的摆角：

摆板的能量转化效率为：

其中：

由式（3）可以看出，当摆板的固有圆频率ω0和波浪的圆频率ω相等时，摆式波浪能装置的能量转换效率达到最大[6]。因此，应尽力保证摆式装置的固有频率与拟建电站海域的波浪特性相对应。根据站址海域波浪观测和调研结果，研制的摆式装置在水中的固有频率对应的周期应在4.0 s左右。

建立了基于特征函数法的二维摆板动力响应特性计算模型，对摆式波浪能转换装置的特性进行了研究，对比分析了摆板（在水中的）高度、浮力大小、摆板质量大小对其固有频率和在波浪作用下响应幅度（摆角）的影响。

摆板在水中的高度对稳态响应角度幅值的影响如图3所示。计算中波浪为规则波，波高0.2 m，周期变化范围为2～20 s。图中，横轴为波浪周期，单位为s；纵轴为摆板在波浪作用下摆角的幅值，单位为度；H表示摆板高度。由图可见，摆板存在一个最佳响应周期。综合考虑站址海域波浪平均周期和潮差对摆板响应特性的影响，最终确定摆板的高度为5 m。

不同浮力大小对摆板输出特性的影响如图5所示。在计算过程中摆板的高度为5 m，为便于比较，假定每种摆板的质量均为其浮力的1/5。图中，横轴为波浪的周期，单位s；纵轴为摆板在波浪作用下的摆动角度幅值的稳定解，单位度；b代表摆板的厚度，单位m，b越小代表摆板的浮力也越小。对于4 s周期的波浪来说，考查范围内（摆板厚度0.8～2.0 m）的摆板的浮力均能够适用，而考虑到摆板需要保证一定的机械强度，最终确定摆板的厚度在1.0 m左右。

图3　不同摆板高度对响应特性的影响

图4　不同质量的影响

图5　不同浮力大小的影响

分析不同质量对摆板响应特性的影响，如图4所示。计算中设定摆板的高度为5 m，摆板的厚度b为1.0 m。图中，横轴为波浪的周期，单位s；纵轴为摆板在波浪作用下的摆动角度幅值的稳定解，单位(°)；P为摆板的净浮力，B为摆板的浮力（排水量），B-P即为摆板的重量；对于图中所有考察情况，B为一个定值，而不同的曲线代表不同质量的摆板（P值不同）。由图可见：对于周期＜6 s的波况，摆板的净浮力应控制在0.5～0.9倍的排水量范围内。

通过仿真分析，对于站址海域波周期来说（平均周期约为4 s），确定了摆板的高度为5 m、厚度为1 m，净浮力应控制在0.5～0.9倍的排水量范围内。

根据水动力分析结果，对装置进行了优化设计，并开展了小比例尺物理模型水槽测试试验。在模拟波况下，测试波高、周期以及摆板自身浮力和重浮心位置对模型转换效率的影响。通过测试试验，验证了装置水动力分析结果。

3　装置结构设计

根据水动力分析和模型试验结果，对摆式装置进行了设计。如图6所示，装置主要由摆板、底座、轴部、液压缸等部分组成。其中，底座与重力式水工基础连接，摆板绕轴部做往复摆动。液压缸活塞杆头与摆板连接，缸底与底座连接；两端均为铰链连接。

图6　摆板装置结构

摆板由5个主体管筒组成；空主体管筒为A3空心钢筒，外径为Φ 920 mm，壁厚8 mm，长度为6 900 mm，符合装置结构参数要求。摆板总重量约为11 t，全部没入水中时的排水量约为23 t，其净浮力占排水量达比例为0.52，满足净浮力控制在0.5～0.9的要求。底座由A3空心钢管构成主体框架，再加入辅管和加强筋以增加强度。轴承使用防腐蚀、抗泥沙的自润滑滑动轴承。底座下方法兰盘与重力式水工基础通过螺栓连接。

4　强度优化

摆式装置的强度是结构设计的一个重要部分。足够的机械强度能保证装置在工作海域中的安全性。利用海洋工程结构及水动力分析软件SESAM软件，对装置摆板、转轴、液压缸活塞杆头等关键受力部位进行强度计算与优化，获取最佳安全系数。

在优化过程中，使用SESAM软件的GeniE程序包中的环境载荷计算程序Wajac模块和结构分析程序Sestra模块建模求解，并使用结果后处理器Xtract进行结果分析；通过建立装置，建立波浪载荷、环境载荷、工作载荷、自重载荷，分析计算等步骤得出摆式装置的受力状况和安全系数[9]。

4.1计算方法

环境载荷计算程序Wajac模块是基于Morison理论计算波浪载荷，采用设计波法（design wave analysis）：即计算重现期内的设计波在某一波峰相位角下作用于结构上的波浪力，该设计波可以来自不同方向，但是每一个方向上只包含一个确定的波浪，计算中波浪理论采用Airy波。Cd=0.7，Cm=2。应用Xtract模块进行结果分析，结果包括模块中摆板单元节点上的von Mises stress；梁单元应力结果为单元上的B-stress，包括轴向应力、弯曲应力和剪应力，转轴所受剪力。

4.2模型建立

（1）定义材料属性：活塞杆头材料为40Cr，屈服极限为400 MPa，其他材料为Q235，屈服强度235 MPa；两种材料的材料密度为7 850 kg/m3；杨氏模量为2.1e11；泊松比位0.3。

（2）定义截面属性和板厚。

（3）以底座几何中心为原点，垂直摆板方向为x轴，平行摆板方向为y轴，根据图纸建立几何模型，所有轴承模拟为铰链约束，底座为固定约束，如图7所示。

图7　结构几何模型

（4）建立结构自重载荷，并根据不同工况加载，液压缸载荷以分布力形式加在活塞杆头。

（5）建立环境载荷，包括两种波况和四种水位。两种波况分别为最大工作波况和极限波况，装置对应波况分别为带载荷工作状态和自由摆状态。四种水位根据站址海域潮汐特性分别为最低水位、中间水位、平均潮差水位和最高水位。

（6）设定网格划分尺寸，划分网格生成有限元模型。

（7）进行结构分析并进行后处理。

4.3计算结果

经过不同作业工况的计算分析，对于装置的强度计算主要得到以下结果：

（1）摆板单元在极限波况中的最大应力为98.01 MPa，发生在摆板与转轴连接处，而在最大工作波况和最大载荷作用下其最大应力为74.38 MPa，出现在摆板与转轴连接处。最大安全系数约为2.4，满足强度要求。

（2）活塞杆头各应力均远小于屈服强度，所有工况中最大应力为28.63 MPa，发生在活塞杆头两端，安全系数为8.2，满足强度要求。

（3）转轴各应力均远小于屈服强度，所有工况中最大应力1.99 MPa，如图8所示，该应力为y方向上的弯曲应力，发生在转轴与摆板连接处，满足强度要求。

综上所述，在给定波浪条件和工作状态下，该摆式波浪能装置关键受力部位的强度满足要求。

图8　转轴y方向弯曲应力云图

5　结论

本文设计了一种摆式波浪能发电装置，并对其关键技术进行了研究。通过对装置的动力特性和站址海域的波浪周期特性进行了分析，计算出在该波浪条件下具有最佳响应特性的摆板结构，并确定摆板的尺寸、重浮力等关键参数。根据该参数对装置进行了结构设计，并对其关键受力部位进行了强度计算。装置在规则波条件下具有较好的能量转换效率，同时保证其在极限波况下的强度满足要求。

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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

海洋可再生能源专项资金资助项目（GHME2011GC01）

李蒙（1983-），女，硕士研究生，主要从事海洋能发电技术研究。Email：limeng_621@163.com