半转叶轮水轮机模组化载体平台的水动力性能分析

于晓峰，孙承坤，张旭成，王孝义

(安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243032)

潮流能是一种可预测性强、能量密度大的可再生清洁能源，主要通过布设水轮机实现能量获取，而水轮机在海洋中稳定高效运行需载体平台的支撑。潮流电站载体平台主要有漂浮式、桩柱式和座底式，与后两者相比，漂浮式载体平台受水深影响小、可利用表层较高流速，发电效率高[1]。

为提高载体平台的水动力性能，国内外学者进行了大量研究。Lopez[2-3]通过在平台上安装垂直襟翼改善其阻尼特性，提高水动力性能；Jeong Du Kim[4-5]为提高张力腿平台(TLP)的水动力性能，对船体形式与肌腱系统进行多目标优化；Goncalves[6-7]等对圆形倒角的立柱浮式平台进行水动力分析，计算在不同流向下平台运动响应；Islam等[8]对浮式平台的运动响应与水动力性能进行研究，结果表明，采用升沉板结构的圆柱形平台具有良好的静动态特性；丁勤卫等[9]通过在平台上附加垂荡板以及螺旋侧板来改善平台的运动响应；李洪仙等[10]对多浮体海上平台进行水动力分析，将6个相同的平台两排连接，计算其附加阻尼与运动响应；邹强等[11]采用数值模拟与实验对铰接多浮体结构进行稳定性分析；魏东泽等[12]研究两种不同截面立柱对浮式平台的水动力影响。Deng Wei[13]提出了一种拓扑优化方法，通过最大化腿部结构刚度来寻找腿部的优化形状，为极端环境载荷提供足够的阻力。以上文献采用不同的方式提高浮式平台的水动力性能，其海洋平台均为大型平台。本文则聚焦于一种小型化海洋平台设计，将其进行模组化布置，既提高水轮机总功率，又提高平台的水动力性能。

半转叶轮水轮机是一种新型垂直轴水轮机[14]，基于驳船式漂浮平台设计半转叶轮水轮机载体平台——双体浮式平台。为提高水轮机总功率，将双体浮式平台进行模组化布置，提出两种布置方案——横向布置与环形布置。采用ANSYS AQWA对两种不同方案进行数值计算，选择一种适用于半转叶轮水轮机的布置方案，并对其进行水动力分析，以保证半转叶轮水轮机稳定高效的运行。

1 半转叶轮水轮机载体平台性能需求分析及结构设计

1.1 半转叶轮水轮机工作原理

半转叶轮水轮机由半转机构演变而来，图1为半转机构示意图。定轮为固定构件，定轮与动轮的齿数比是1∶2。因此，当系杆以的角速度转动，半转构件以的角速度同向转动，从而形成不对称运动。将半转机构应用于潮流能能量捕获中，系杆延伸为转臂，半转构件延伸为叶片，将半转机构延伸为半转叶轮水轮机。半转叶轮水轮机是由叶片、转臂、偏航机构(偏航轴承、偏航轴、尾翼)、齿轮传动、带传动和输出轴等组成，如图2所示。通过实验研究，其获能效率可达46%[15]。

图1 半转机构示意图

图2 半转叶轮水轮机结构示意图

1.2 半转叶轮水轮机与载体平台性能关系

由于半转叶轮水轮机固定在载体平台上，当平台发生运动时，半转叶轮水轮机会发生与平台一致的运动。由于载体平台在海域中有六自由运动，在平台的重心处建立坐标系，如图3所示，平台的平动(纵荡、横荡、垂荡)对半转叶轮水轮机的水动力影响甚小，由于半转叶轮水轮机具有偏航机构，因此艏摇不会对其水动力产生影响。因此，针对半转叶轮水轮机载体平台的横摇与纵摇对水轮机的水动力性能影响进行研究。

图3 半转叶轮水轮机载体平台的六自由度示意图

基于CFD数值模拟载体平台横摇与纵摇对半转叶轮水轮机的水动力性能影响，得到半转叶轮水轮机横摇与纵摇的许用角范围，从而确定半转叶轮水轮机载体平台的横摇与纵摇许用角范围。平台的运动响应采用幅值响应算子(RAO)来表征，其定义为不同波浪频率引起的平台的自由度幅值与波浪振幅的比值，即可得到平台的横摇角与纵摇角。因此平台横摇与纵摇角须使得在水轮机的横摇与纵摇的许用角范围之内，以保证水轮机高效稳定的运行。水轮机本体与载体平台之间的性能参数要求关系如图4所示。

图4 半转叶轮水轮机本体与载体平台之间的性能参数要求关系

1.3 半转叶轮水轮机横摇角与纵摇角分析

基于CFD对半转叶轮水轮机横摇与纵摇进行数值模拟，得到水轮机获能系数随横摇角/纵摇角的变化曲线如图5所示。

图5 平台横摇与纵摇对水轮机的效率影响

由图5可知，平台横摇与纵摇对水轮机影响趋势一致，均随横摇角/纵摇角的增大而减小。平台在理想工况下，即未发生横摇与纵摇，半转叶轮水轮机的获能系数为0.47。根据电机的设计准则[16]，半转叶轮水轮机的损失效率不高于10%，即不小于42.3%，水轮机横摇许用角范围为(0°，8°)，纵摇许用角范围为(0°，12°)。

1.4 半转叶轮水轮机载体平台结构设计

水轮机载体平台采用双体浮式平台(下文简称为平台)，该平台主要由浮体、浮筒、水密舱室、浮体连接板和水轮机连接板组成(见图6)。图6为平台的主尺度参数示意图，B1为浮体宽度；L为平台长度；H为平台高度；h1为水密舱室高度；h2为浮筒高度；B2为浮筒长度；B3为浮筒宽度。

图6 双体浮式平台示意图

平台主尺度参数如表1所示。

表1 平台的主尺度参数表 m

利用ANSYS AQWA对双体浮式平台进行频域分析，计算得到平台横摇与纵摇的RAO，从而得到平台的横摇与纵摇角。利用Hydrodynamic Diffraction对平台进行波浪频率以及浪向角的设置，由于模型是关于坐标轴X、Y方向对称的。因此，采用0°～ 90°的浪向进行数值模拟，采取7种工况进行分析，分别是遭遇浪向角0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，圆频率为0.2～4.5 rad/s，水深设置为50 m，波浪振幅为1 m。双体浮式平台的横摇与纵摇的RAO曲线如图7所示。

由图7可知，在浪向角为0°～ 90°之间，横摇的RAO随浪向角的增加而增加，纵摇的RAO随浪向角的增加而减小。由于波浪振幅为1 m，因此，该平台在浪向角为0°，波浪频率为1.652 9 rad/s时的最大横摇角为7.4668°；在浪向角为90°，波浪频率为1.739 2 rad/s时的最大纵摇角为8.7853°。

图7 双体浮式平台横摇/纵摇的RAO

2 半转叶轮水轮机载体平台模组化布置方案

2.1 布置方案

为提高水轮机的总功率，将双体浮式平台进行模块化布置——横向布置与环形布置，布置方式如图8所示。

图8 平台布置方案

2.2 方案的确定

在双体浮式平台的数目相同及重心位置一致的情况下计算在不同浪向角及波浪频率下的平台横摇与纵摇的RAO，将不同浪向角下横摇与纵摇的最大RAO对比，结果如图9所示。

图9 两种方案横摇与纵摇结果对比

通过图9对比发现，横向布置的横摇最大幅值算子为4.656 8°/m，纵摇最大响应算子为2.462 7°/m；环形布置的横摇最大幅值响应算子为3.093°/m，纵摇最大幅值响应算子为2.976°/m。通过对比可知，横向布置横摇最大幅值响应算子要高于环形布置的50.57%，环形布置纵摇的最大响应算子要高于横向布置的20.71%。因此，环形布置方案要优于横向布置方案。

3 环形模组平台的水动力性能分析

平台在外载荷的作用下会受到不同的作用力，利用ANSYS AQWA对模组化平台进行水动力性能分析，计算平台在不同的波浪频率下的一阶波浪力与二阶波浪力。

3.1 环形模组平台的受力分析

3.1.1 一阶波浪力

图10为环形模组平台在不同波浪频率以及浪向角下的一阶波浪力，由该图可知以下结论：

图10 一阶波浪力

1)由于平台布置的特殊性，平台的纵荡与横荡(横摇与纵摇)的一阶波浪力随圆频率的变化趋势是一致的；随浪向角的增加，纵荡(横摇)一阶波浪力增加，横荡(纵摇)一阶波浪力减小。因此，横摇与纵荡受横浪的影响，纵摇与横荡受迎浪的影响。

2)平台纵荡在浪向角45°时圆频率为2.343 1 rad/s达到峰值为345.412 kN/m；横荡在浪向角75°时圆频率为1.307 84 rad/s达到峰值为315.107 7 kN/m；垂荡在圆频率0.1 rad/s达到峰值为751.022 9 kN/m；横摇在浪向角90°时圆频率为1.221 57 rad/s达到峰值为23.464 5 kN；纵摇在浪向角为0°时圆频率为1.221 57 rad/s时达到峰值为23.510 58 kN；艏摇在浪向角为45°时圆频率为3.896 1 rad/s时达到峰值为37.870 43 kN。

3.1.2 二阶波浪力

1)环形布置平台的纵荡与横荡随圆频率的变化进行无规律波动。纵荡在浪向角0°，圆频率为2.084 31 rad/s，二阶波浪力达到峰值点为84.473 7 kN/m2，横荡在浪向角为90°时，达到峰值点为88.788 2 kN/m2；

2)平台的垂荡、横摇与纵摇的二阶波浪力均为0，是由于使用远场解的方法进行数值模拟；

3)平台艏摇的二阶波浪力随圆频率的变化波动较大，并且数值有正有负。在浪向角为15°与60°时波动尤为明显，在浪向角为15°，圆频率为2.256 86 rad/s时，二阶波浪力可达171.423 89 kN/m；浪向角为60°，圆频率为2.256 86 rad/s时，二阶波浪力可达-175.151 2 kN/m(见图11)。

图11 二阶波浪力

3.2 模组化浮式平台与单个双体浮式平台对比分析

将模组化平台与单个浮式平台的运动响应进行对比分析，如图12所示。

通过图12可知，单个浮式平台与模组化浮式平台在浪向角为90°时，横摇的最大幅值响应算子分别为7.488 6°/m和3.093°/m；在浪向角为0°时，纵摇的最大幅值响应算子分别为8.78°/m和2.976°/m。由于波浪振幅为1 m，即可得到单个浮式平台与模组化浮式平台最大横摇角分别为7.4886°和3.093°，最大纵摇角分别为8.78°和2.976°，环形模组平台与单个双体浮式平台相比，最大横摇角降低58.697%，最大纵摇角降低66.105%；模块化平台与单个双体浮式平台相比，在提高水轮机总功率前提下，也进一步提高单个双体浮式平台的水动力性能。

图12 单个双体浮式平台与模组化平台横摇与纵摇幅值响应对比

4 结 语

1)半转叶轮水轮机是一种升阻复合型垂直轴水轮机。通过CFD数值模拟可知，所设计的半转叶轮水轮机横摇许用角为(0°，8°)，纵摇的许用角为(0°，12°)。

2)半转叶轮水轮机载体平台采用双体浮式平台，将该平台进行模组化布置时。环形布置方案优于横向布置方案。

3)相对于单个浮式平台而言，最大横摇角降低58.697%，最大纵摇角降低66.105%。因此，环形模组平台既提高水轮机总功率，也提高了平台的水动力性能，能够保证半转叶轮水轮机稳定运行。