潮流能水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究

趙廣, 蘇鈞聰，宿曉輝，郭嘉楠

(大連理工大學(xué) 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

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潮流能水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究

趙廣, 蘇鈞聰，宿曉輝，郭嘉楠

(大連理工大學(xué) 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

水動(dòng)力性能和安全可靠性是評(píng)價(jià)潮流能水輪機(jī)的兩個(gè)基本指標(biāo)，在水輪機(jī)設(shè)計(jì)階段需要對(duì)其結(jié)構(gòu)振動(dòng)與可靠性開(kāi)展研究與評(píng)價(jià)。本文采用有限元法推導(dǎo)豎軸等臂長(zhǎng)和變臂長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的橫向振動(dòng)模型，基于動(dòng)量定理的流管法建立了不同變臂長(zhǎng)方案的流體激勵(lì)模型，采用Newmark數(shù)值仿真計(jì)算了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。最后搭建潮流能水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試水輪機(jī)的振動(dòng)特性。研究結(jié)果表明：和等臂長(zhǎng)相比，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)流體激勵(lì)波動(dòng)幅值增加，且變結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體對(duì)質(zhì)量矩陣的影響不容忽略。豎軸水輪機(jī)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)存在復(fù)雜的倍頻振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果從定性角度驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果。本文的研究為豎軸水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和振動(dòng)預(yù)測(cè)提供了基本的動(dòng)力學(xué)參考，然而仍迫切需要加強(qiáng)潮流水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)、可靠性的研究工作。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)特性；豎軸水輪機(jī)；潮流能；流體激勵(lì)；水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

潮流能是一種由潮汐現(xiàn)象引起的海水流動(dòng)動(dòng)能，受月球影像周期性地改變其大小和方向。在世界范圍內(nèi)合理開(kāi)發(fā)利用潮流能對(duì)解決當(dāng)今能源短缺問(wèn)題具有深遠(yuǎn)影響。潮流能開(kāi)發(fā)的核心是水輪機(jī)，與水平軸水輪機(jī)相比，豎軸水輪機(jī)對(duì)來(lái)流方向沒(méi)有要求，自啟動(dòng)性能好，能量利用率較高，成為潮流能開(kāi)發(fā)利用的主要方向[2-3]。

水動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性是評(píng)價(jià)水輪機(jī)綜合性能的兩個(gè)基本指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能及其預(yù)測(cè)方法[4-5]、實(shí)驗(yàn)[6-7]、新型水輪機(jī)開(kāi)發(fā)[8]等給予了充分的關(guān)注。水輪機(jī)工作在復(fù)雜海洋環(huán)境中，受到海洋潮流波浪、海洋暴風(fēng)潮等自然環(huán)境影響，還存在海水腐蝕、微生物污染等。此外，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還受到自身不平衡力、密封力、剎車力、電磁激勵(lì)等影響，諸因素共同導(dǎo)致水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)，降低其可靠性性，從而影響其服役壽命[9]。

關(guān)于潮流能水輪機(jī)強(qiáng)度和可靠性研究的文獻(xiàn)較少。Mattias等[10]對(duì)水中懸臂結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)與水動(dòng)力特性關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了水流力對(duì)結(jié)構(gòu)作用影響的等效方式。王樹(shù)杰等[11]研究了風(fēng)浪流載荷下潮流能發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，并進(jìn)行了實(shí)際海洋環(huán)境測(cè)量。意大利Ponte diArchimede公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三葉片“Kobold”豎軸水輪機(jī)，在試驗(yàn)和海試時(shí)實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子扭矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控。馬勇等[12]設(shè)計(jì)并進(jìn)行了豎軸水輪機(jī)靜水拖航實(shí)驗(yàn)和波浪實(shí)驗(yàn)，為漂浮式豎軸潮流能水輪機(jī)發(fā)電裝置的振動(dòng)及工程應(yīng)用提供參考。

而國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注水動(dòng)力性能而缺乏結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的研究工作，因而無(wú)法對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中缺乏必要的目標(biāo)和指標(biāo)[13]，因此難以準(zhǔn)確預(yù)估水輪機(jī)的健康狀態(tài)和壽命。綜上，針對(duì)潮流能水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)展振動(dòng)特性分析是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的前提，具有重要的意義。

本文針對(duì)等臂長(zhǎng)和變臂長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，建立了其變結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型和流體激勵(lì)模型，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了潮流流體激勵(lì)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)特性。

1　豎軸水輪機(jī)流體激勵(lì)

所謂的等臂長(zhǎng)水輪機(jī)，是豎軸水輪機(jī)的葉片支撐臂的長(zhǎng)度在運(yùn)行過(guò)程中保持不變；與之相對(duì)，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)是指假定支撐臂長(zhǎng)度在運(yùn)行過(guò)程中有規(guī)律的變化，使得每個(gè)葉片運(yùn)行軌跡為橢圓形等非圓形軌跡，以期提高水輪機(jī)水動(dòng)力性能。

對(duì)于等臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)，垂直水輪機(jī)主軸的截面建立平面直角坐標(biāo)系，主軸圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)。假設(shè)水輪機(jī)葉片的安裝角為0°，葉片受力分析如圖1。

圖1　等臂長(zhǎng)水輪機(jī)葉片受力分析Fig.1　The force analysis of vertical axis equal arm length turbine

對(duì)每個(gè)象限，第z個(gè)葉片的速度三角形、攻角、升阻力及其導(dǎo)致的橫向力、周向力等分別推導(dǎo)如下：

(1)

(2)

式中：VA代表水流速度，θ代表葉片轉(zhuǎn)角，z代表計(jì)算的葉片序號(hào)

根據(jù)雷諾數(shù)定義：

(3)

式中：c是流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度，μ是流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

當(dāng)水輪機(jī)葉片翼型確定以后，根據(jù)翼型理論，翼型在一定攻角、速度的流體流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的升力和阻力可以表示為：

(4)

將上述翼型的升力和阻力沿坐標(biāo)方向分解，在水輪機(jī)橫向(圖1中y向)的綜合作用力即橫向力為

(5)

周向力為：

(6)

因此，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，葉輪產(chǎn)生的橫向力和周向力分別為

(7)

上述橫向力或周向力不能直接求解，因?yàn)閬?lái)流速度VA尚不知，需要通過(guò)如下動(dòng)量定理建立等式獲得。

假設(shè)潮流均勻，速度為V0，作用在盤(pán)面處的流體速度是來(lái)流速度和盤(pán)面誘導(dǎo)速度的疊加：

(8)

誘導(dǎo)速度滿足：u=κV0，κ為誘導(dǎo)速度系數(shù)。

在葉輪盤(pán)面上下游分別運(yùn)用Bernoulli方程，根據(jù)動(dòng)量定理，盤(pán)面的受力為

(9)

其中，Ad為水輪機(jī)垂直于來(lái)流的截面面積：Ad=2RL0。

圖2　變臂長(zhǎng)水輪機(jī)葉片受力分析Fig.2　The force analysis of variable arm length turbine

如果水輪機(jī)臂長(zhǎng)按照橢圓軌跡變化，如圖2所示。假設(shè)葉片弦線方向始終垂直半徑方向，垂直、平行于潮流方向的臂長(zhǎng)分別為a、b。

水輪機(jī)動(dòng)態(tài)臂長(zhǎng)：

(10)

上述與臂長(zhǎng)R相關(guān)的量，均隨轉(zhuǎn)角而變化。

2　豎軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型

2.1等臂長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用有限元法建立其動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程：

(11)

式中：K為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛度矩陣，包含了滾動(dòng)軸承支承剛度；f(t)為水輪機(jī)的激振力，如式(9)所示。Q(t)為水輪機(jī)的不平衡力，C為阻尼矩陣，采用工程中廣泛應(yīng)用的經(jīng)典的Rayleigh阻尼模型;M為質(zhì)量矩陣，由于臂長(zhǎng)不變，且質(zhì)量較輕，忽略其影響，只將葉片等效為輪盤(pán)處理。此外，因?yàn)樗啓C(jī)一般工作轉(zhuǎn)速較低，例如200 r/min以下，因而忽略轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)。為后面推導(dǎo)方便，將質(zhì)量矩陣簡(jiǎn)記為

(12)

2.2變臂長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

變臂長(zhǎng)水輪機(jī)為一個(gè)變結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體，將水輪機(jī)葉片簡(jiǎn)化成附加質(zhì)量和附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為了計(jì)算方便，將NACA0018葉片截面形狀簡(jiǎn)化為近似橢圓處理，橢圓長(zhǎng)半軸為a'，短半軸為b'，則橢圓繞自身軸心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(13)

由于水輪機(jī)臂長(zhǎng)R(θ)隨方位角θ變化，則單葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(14)

當(dāng)水輪機(jī)含有三個(gè)葉片時(shí)：

(15)

考慮葉片的附加質(zhì)量和附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)會(huì)對(duì)原來(lái)水輪機(jī)的質(zhì)量矩陣產(chǎn)生影響，葉片所處結(jié)點(diǎn)的質(zhì)量矩陣變?yōu)椋?/p>

即設(shè)葉片對(duì)軸段施加影響的方程為：

因此，考慮葉片以后，等臂長(zhǎng)水輪機(jī)質(zhì)量矩陣為：

(16)

通過(guò)推導(dǎo)可知，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)的剛度矩陣保持不變。

3　豎軸水輪機(jī)流體激勵(lì)仿真

3.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括水輪機(jī)、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等，如圖3所示。水輪機(jī)葉片采用鋁合金，其余為45#鋼，水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1　水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3　水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及有限元簡(jiǎn)化Fig.3　Turbine rotor system structure and simplification by FEM

采用有限元法，將水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)離散分為10個(gè)軸段，11個(gè)結(jié)點(diǎn)，軸承位于8和10結(jié)點(diǎn)，聯(lián)軸器位于6和11結(jié)點(diǎn)。

變臂長(zhǎng)水輪機(jī)的長(zhǎng)、短徑a、b或a/b不能無(wú)限制變化，橢圓周長(zhǎng)越長(zhǎng)、橢圓面積越大，水輪機(jī)可靠性低，成本越高。為研究變臂長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并與等臂長(zhǎng)有一定的可比性，建立兩個(gè)計(jì)算準(zhǔn)則：等面積準(zhǔn)則和等周長(zhǎng)準(zhǔn)則，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)計(jì)算方案如表2所示。

表2　變臂長(zhǎng)水輪機(jī)計(jì)算方案

3.2水輪機(jī)流體激勵(lì)仿真

由于水輪機(jī)橫向力是流體作用導(dǎo)致的一種橫向沖擊力，其對(duì)于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性會(huì)產(chǎn)生重要影響，因而對(duì)該橫向力進(jìn)行詳細(xì)仿真分析；由于本文主要關(guān)注水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性，而影響水輪機(jī)效率、功率等水動(dòng)力性能的其他指標(biāo)如升力、周向力等暫不予以考慮。根據(jù)表1所示的水輪機(jī)及葉片、翼型結(jié)構(gòu)。變臂長(zhǎng)水輪機(jī)橫向力(式(7))分別如圖4、5。

圖4　等面積變臂長(zhǎng)水輪機(jī)橫向力Fig.4　Cross force of constant area rules scheme

圖5　等周長(zhǎng)變臂長(zhǎng)水輪機(jī)橫向力Fig.5　Cross force of constant perimeter rules scheme

仿真結(jié)果表明：水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，橫向力存在3個(gè)波峰，波峰幅值依次減小。和等臂長(zhǎng)相比，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)波峰幅值增加，a/b越大，即橢圓度越大，波峰幅值越大，方案3的橫向力變化最為劇烈。由于橫向力是引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)、影響水輪機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素，因此還需要研究橫向力對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性影響。

4　水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性

水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、潮流流速同上，響應(yīng)輸出結(jié)點(diǎn)為6，即剛性聯(lián)軸器所在結(jié)點(diǎn)。計(jì)算方案設(shè)置如表3。

表3　水輪機(jī)振動(dòng)性能計(jì)算方案

仿真結(jié)果表明，對(duì)于方案7，當(dāng)不考慮流體激勵(lì)時(shí)，等臂長(zhǎng)水輪機(jī)軸心軌跡為一個(gè)圓，只存在不平衡力引起的工頻振動(dòng)，如圖6所示。

圖6　方案7水輪機(jī)振動(dòng)頻譜圖Fig.6　Turbine spectrum of scheme 7

圖7　方案8水輪機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程圖Fig.7　Turbine time history figure of scheme 8

對(duì)于方案8，在方案1基礎(chǔ)上考慮流體激勵(lì)時(shí)，由于流體激振力位于x方向，因此y向振動(dòng)保持不變，x方向不僅工頻振動(dòng)增大，而且存在2×-5×等倍頻振動(dòng)，且2×倍頻振動(dòng)略大于工頻振動(dòng)，工頻振動(dòng)約增大2.4倍，此外，還存在振幅較小的高倍頻振動(dòng)(如10×-13×)。由于1×、2×倍頻振動(dòng)均比較大，軸心軌跡為近似“8”字形，如圖7-9所示。

圖8　方案8水輪機(jī)振動(dòng)頻譜圖Fig.8　Turbine spectrum of scheme 8

圖9　方案8水輪機(jī)振動(dòng)軸心軌跡Fig.9　Turbine axis center track of scheme 8

圖10　方案9水輪機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程圖Fig.10　Turbine time history figure of Scheme 9

對(duì)于方案9和10，當(dāng)水輪機(jī)為變臂長(zhǎng)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣和流體激勵(lì)均有所影響。結(jié)果表明，和等臂長(zhǎng)相比，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)導(dǎo)致y向基頻振動(dòng)降低，但對(duì)x向復(fù)雜倍頻振動(dòng)影響不大。其中1×、2×、3×倍頻振動(dòng)略有下降，4×倍頻振動(dòng)略有增加。如圖10-12所示。

圖11　方案9水輪機(jī)振動(dòng)頻譜圖Fig.11　Turbine spectrum of scheme 9

圖12　方案9水輪機(jī)振動(dòng)軸心軌跡Fig.12　Turbine axis center track of scheme 9

5　水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1水輪機(jī)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

圖13　豎軸水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.13　Structure experiment rig of vertical axis turbine

流體激勵(lì)模型和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型都是建立在一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化之上，為對(duì)豎軸水輪機(jī)振動(dòng)特性進(jìn)行驗(yàn)證，搭建等臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括水輪機(jī)本體(包括水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng))、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)(電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、齒輪箱)、測(cè)控系統(tǒng)(扭矩傳感器、變頻器、控制器、工控機(jī))、支撐系統(tǒng)(拖車、浮橋、橫梁支架)和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(加速度傳感器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、工控機(jī))、船池拖車等，實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖13所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)同前述仿真參數(shù)。由于水輪機(jī)在水下工作，支撐結(jié)構(gòu)常常在啟動(dòng)或停車階段暴漏在水流沖刷之下，因而轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)測(cè)試、信號(hào)傳輸存在困難，因此主要監(jiān)測(cè)主框架的振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖14所示。

當(dāng)拖車速度為2 m/s、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為50 rpm時(shí)，水輪機(jī)主框架振動(dòng)特性測(cè)量結(jié)果如圖15所示。其中(a)、(b)為測(cè)點(diǎn)1#的時(shí)間歷程圖和頻譜圖，(c)、(d) 為測(cè)點(diǎn)2#的結(jié)果。

振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)比較復(fù)雜，不但有低倍頻(1×-10×)振動(dòng)，而且存在高倍頻(11×-100×)振動(dòng)，且高頻振動(dòng)中包含結(jié)構(gòu)的共振成分，即高頻振動(dòng)中振幅較大的頻率為結(jié)構(gòu)共振頻率。

圖14　實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.14　The vibration test system

圖15　水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性測(cè)量結(jié)果Fig.15　Test results of turbine structure vibration characteristics

低倍頻振動(dòng)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片個(gè)數(shù)有關(guān)，分別為2.5、5、7.5、10 Hz，其中7.5 Hz振動(dòng)最大。根據(jù)水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速，其基頻為0.833 Hz，由于是三個(gè)葉片，其3×倍頻為2.5Hz。在水輪機(jī)工作工程中，在流體激勵(lì)、轉(zhuǎn)速激勵(lì)、葉片數(shù)目等共同作用下，2.5 Hz的振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的倍頻成分，即會(huì)出現(xiàn)5、7.5、10 Hz等各種倍頻振動(dòng)。因此從定性角度分析，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)存在1×、2×～12×倍頻振動(dòng)，且9×(7.5 Hz)振動(dòng)相對(duì)較大，由于采樣頻率限制，0.833 Hz的低頻振動(dòng)無(wú)法分辨出來(lái)。

不同流速、轉(zhuǎn)速工況測(cè)試表明，振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性強(qiáng)，定性的頻率成分明顯。從定性角度分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真出現(xiàn)的振動(dòng)頻率成分基本一致。因此不論等臂長(zhǎng)還是變臂長(zhǎng)水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)振動(dòng)以轉(zhuǎn)速的倍頻為主；流體激勵(lì)不僅激起工頻振動(dòng)，還激起較大的倍頻振動(dòng)，由于倍頻振動(dòng)分布密集，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的出現(xiàn)。

誠(chéng)然，由于實(shí)際水輪機(jī)運(yùn)行的不平衡力難以準(zhǔn)確獲取，螺栓連接較多，因而結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)雜，從定量角度計(jì)算和分析其振動(dòng)特性存在較大困難。此外液體對(duì)水輪機(jī)模態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定影響，還需要進(jìn)一步深入研究。此外，在多次水輪機(jī)綜合性能試驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)眾多結(jié)構(gòu)振動(dòng)和可靠性問(wèn)題，簡(jiǎn)述如下：

1)水輪機(jī)葉片支撐臂螺栓脫落導(dǎo)致支撐臂一端與固定輪盤(pán)脫開(kāi)；

2)水輪機(jī)支撐主橫梁在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于90 rpm、潮流流速大于2.5 m/s以后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振；

3)船池采用深井淡水，水下工作的水輪機(jī)、主軸等45#材料均進(jìn)行了“發(fā)黑”處理，經(jīng)過(guò)10天水下試驗(yàn)后，45#材料出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕，鋁合金葉片表面也出現(xiàn)了白色斑點(diǎn)，表面不在光滑。

實(shí)際海洋工況更加復(fù)雜，因此豎軸潮流能水輪機(jī)的可靠性不容忽視，還需要開(kāi)展更深入的研究工作。

6　結(jié)論

建立了等臂長(zhǎng)和變臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)流體激勵(lì)模型，并推導(dǎo)了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫向振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，研究了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流體激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，最后搭建了等臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了振動(dòng)特性測(cè)量，主要結(jié)論如下：

1)基于動(dòng)量定理的流管法，建立了等臂長(zhǎng)和變臂長(zhǎng)水輪機(jī)的流體激勵(lì)模型，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，流體激勵(lì)的橫向力存在三個(gè)波峰，波峰幅值依次減小。和等臂長(zhǎng)相比，變臂長(zhǎng)水輪機(jī)波峰幅值增加，臂長(zhǎng)變化幅度越大，波峰幅值越大。

2)推導(dǎo)了等臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，考慮臂長(zhǎng)變化引起的葉片附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響，推導(dǎo)了變臂長(zhǎng)水輪機(jī)的質(zhì)量矩陣模型，這類變結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體對(duì)質(zhì)量矩陣的影響不容忽視。

3)對(duì)于等臂長(zhǎng)水輪機(jī)：水輪機(jī)的不平衡力只會(huì)激起轉(zhuǎn)子的工頻振動(dòng)，流體激勵(lì)的橫向力只對(duì)本方向上的振動(dòng)產(chǎn)生影響，不僅導(dǎo)致工頻振動(dòng)增大，而且會(huì)產(chǎn)生很大的2×倍頻振動(dòng)，此外還存在振幅較小的高頻振動(dòng)，軸心軌跡為復(fù)雜的“8”字形。對(duì)于變臂長(zhǎng)水輪機(jī)：臂長(zhǎng)變化會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)子橢圓短徑對(duì)應(yīng)的方向振動(dòng)降低，對(duì)流體激勵(lì)所在方向的振動(dòng)影響較小。

4)搭建了等臂長(zhǎng)豎軸水輪機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)比較復(fù)雜，以倍頻振動(dòng)為主，不但有低倍頻(1×-10×)振動(dòng)，而且存在高倍頻(11×-100×)振動(dòng)。從定性角度，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真出現(xiàn)的振動(dòng)頻率成分基本一致。由于倍頻振動(dòng)分布密集、頻帶較寬，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的出現(xiàn)。

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Dynamic characteristics of the rotor system of a tidal current energy turbine

ZHAO Guang，SU Juncong，SU Xiaohui, GUO Jianan

(Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conversion of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The hydrodynamic performance and safety/reliability of tidal current energy turbines are their two main evaluation indicators. Therefore, research and evaluation of structural vibration and reliability are necessary with respect to turbine design. In this paper, we applied the finite element method (FEM) to construct a lateral vibration model for the rotor system of a vertical-axis turbine with either constant or variable arm lengths. We built this fluid excitation model with different arm length schemes using the stream-tube method, which is based on the momentum theorem. We then calculated the dynamic response of the turbine rotor system using the Newmark method. Finally, we carried out the turbine vibration experiment and determined the vibration characteristics. The results show that, compared to a constant arm length, the fluctuation amplitudes of fluid excitation increase in a turbine with variable arm length. In addition, this type of variable structure rotator greatly influences the mass matrix. We found there to be some complex multiple frequency vibrations in the dynamic response of the vertical-axis turbine and we experimentally verified our simulation results from the qualitative perspective. In this paper, we made some basic dynamic suggestions regarding the design, operation, and vibration prediction of the vertical-axis turbine. However, there remains an urgent need to conduct further studies on the structural vibration and reliability of tidal current energy turbines.

rotor system;dynamic characteristics;vertical-axis turbine; tidal current energy; fluid excitation; hydrodynamic experiment

2015-06-17.

時(shí)間：2016-07-29.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305056，11672053)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(DUT16JJ(G)04).

趙廣(1981-)，男，副教授，博士.

趙廣，E-mail: zhaoguang@dlut.edu.cn.

10.11990/jheu.201506054

TK730

A

1006-7043(2016)09-1172-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160729.1304.006.html