半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)模組化載體平臺(tái)的水動(dòng)力性能分析

于曉峰，孫承坤，張旭成，王孝義

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

潮流能是一種可預(yù)測(cè)性強(qiáng)、能量密度大的可再生清潔能源，主要通過(guò)布設(shè)水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)能量獲取，而水輪機(jī)在海洋中穩(wěn)定高效運(yùn)行需載體平臺(tái)的支撐。潮流電站載體平臺(tái)主要有漂浮式、樁柱式和座底式，與后兩者相比，漂浮式載體平臺(tái)受水深影響小、可利用表層較高流速，發(fā)電效率高[1]。

為提高載體平臺(tái)的水動(dòng)力性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Lopez[2-3]通過(guò)在平臺(tái)上安裝垂直襟翼改善其阻尼特性，提高水動(dòng)力性能；Jeong Du Kim[4-5]為提高張力腿平臺(tái)(TLP)的水動(dòng)力性能，對(duì)船體形式與肌腱系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化；Goncalves[6-7]等對(duì)圓形倒角的立柱浮式平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力分析，計(jì)算在不同流向下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；Islam等[8]對(duì)浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用升沉板結(jié)構(gòu)的圓柱形平臺(tái)具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性；丁勤衛(wèi)等[9]通過(guò)在平臺(tái)上附加垂蕩板以及螺旋側(cè)板來(lái)改善平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；李洪仙等[10]對(duì)多浮體海上平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力分析，將6個(gè)相同的平臺(tái)兩排連接，計(jì)算其附加阻尼與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；鄒強(qiáng)等[11]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)鉸接多浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析；魏東澤等[12]研究?jī)煞N不同截面立柱對(duì)浮式平臺(tái)的水動(dòng)力影響。Deng Wei[13]提出了一種拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過(guò)最大化腿部結(jié)構(gòu)剛度來(lái)尋找腿部的優(yōu)化形狀，為極端環(huán)境載荷提供足夠的阻力。以上文獻(xiàn)采用不同的方式提高浮式平臺(tái)的水動(dòng)力性能，其海洋平臺(tái)均為大型平臺(tái)。本文則聚焦于一種小型化海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)，將其進(jìn)行模組化布置，既提高水輪機(jī)總功率，又提高平臺(tái)的水動(dòng)力性能。

半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)是一種新型垂直軸水輪機(jī)[14]，基于駁船式漂浮平臺(tái)設(shè)計(jì)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)——雙體浮式平臺(tái)。為提高水輪機(jī)總功率，將雙體浮式平臺(tái)進(jìn)行模組化布置，提出兩種布置方案——橫向布置與環(huán)形布置。采用ANSYS AQWA對(duì)兩種不同方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選擇一種適用于半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的布置方案，并對(duì)其進(jìn)行水動(dòng)力分析，以保證半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

1 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)性能需求分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)工作原理

半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)由半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)演變而來(lái)，圖1為半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖。定輪為固定構(gòu)件，定輪與動(dòng)輪的齒數(shù)比是1∶2。因此，當(dāng)系桿以的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，半轉(zhuǎn)構(gòu)件以的角速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成不對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)。將半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于潮流能能量捕獲中，系桿延伸為轉(zhuǎn)臂，半轉(zhuǎn)構(gòu)件延伸為葉片，將半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)延伸為半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)。半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)是由葉片、轉(zhuǎn)臂、偏航機(jī)構(gòu)(偏航軸承、偏航軸、尾翼)、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和輸出軸等組成，如圖2所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，其獲能效率可達(dá)46%[15]。

圖1 半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)與載體平臺(tái)性能關(guān)系

由于半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)固定在載體平臺(tái)上，當(dāng)平臺(tái)發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)會(huì)發(fā)生與平臺(tái)一致的運(yùn)動(dòng)。由于載體平臺(tái)在海域中有六自由運(yùn)動(dòng)，在平臺(tái)的重心處建立坐標(biāo)系，如圖3所示，平臺(tái)的平動(dòng)(縱蕩、橫蕩、垂蕩)對(duì)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的水動(dòng)力影響甚小，由于半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)具有偏航機(jī)構(gòu)，因此艏搖不會(huì)對(duì)其水動(dòng)力產(chǎn)生影響。因此，針對(duì)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)的橫搖與縱搖對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能影響進(jìn)行研究。

圖3 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)的六自由度示意圖

基于CFD數(shù)值模擬載體平臺(tái)橫搖與縱搖對(duì)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的水動(dòng)力性能影響，得到半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)橫搖與縱搖的許用角范圍，從而確定半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)的橫搖與縱搖許用角范圍。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)采用幅值響應(yīng)算子(RAO)來(lái)表征，其定義為不同波浪頻率引起的平臺(tái)的自由度幅值與波浪振幅的比值，即可得到平臺(tái)的橫搖角與縱搖角。因此平臺(tái)橫搖與縱搖角須使得在水輪機(jī)的橫搖與縱搖的許用角范圍之內(nèi)，以保證水輪機(jī)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。水輪機(jī)本體與載體平臺(tái)之間的性能參數(shù)要求關(guān)系如圖4所示。

圖4 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)本體與載體平臺(tái)之間的性能參數(shù)要求關(guān)系

1.3 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)橫搖角與縱搖角分析

基于CFD對(duì)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)橫搖與縱搖進(jìn)行數(shù)值模擬，得到水輪機(jī)獲能系數(shù)隨橫搖角/縱搖角的變化曲線如圖5所示。

圖5 平臺(tái)橫搖與縱搖對(duì)水輪機(jī)的效率影響

由圖5可知，平臺(tái)橫搖與縱搖對(duì)水輪機(jī)影響趨勢(shì)一致，均隨橫搖角/縱搖角的增大而減小。平臺(tái)在理想工況下，即未發(fā)生橫搖與縱搖，半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的獲能系數(shù)為0.47。根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[16]，半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)的損失效率不高于10%，即不小于42.3%，水輪機(jī)橫搖許用角范圍為(0°，8°)，縱搖許用角范圍為(0°，12°)。

1.4 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水輪機(jī)載體平臺(tái)采用雙體浮式平臺(tái)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為平臺(tái))，該平臺(tái)主要由浮體、浮筒、水密艙室、浮體連接板和水輪機(jī)連接板組成(見(jiàn)圖6)。圖6為平臺(tái)的主尺度參數(shù)示意圖，B1為浮體寬度；L為平臺(tái)長(zhǎng)度；H為平臺(tái)高度；h1為水密艙室高度；h2為浮筒高度；B2為浮筒長(zhǎng)度；B3為浮筒寬度。

圖6 雙體浮式平臺(tái)示意圖

平臺(tái)主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 平臺(tái)的主尺度參數(shù)表 m

利用ANSYS AQWA對(duì)雙體浮式平臺(tái)進(jìn)行頻域分析，計(jì)算得到平臺(tái)橫搖與縱搖的RAO，從而得到平臺(tái)的橫搖與縱搖角。利用Hydrodynamic Diffraction對(duì)平臺(tái)進(jìn)行波浪頻率以及浪向角的設(shè)置，由于模型是關(guān)于坐標(biāo)軸X、Y方向?qū)ΨQ(chēng)的。因此，采用0°～ 90°的浪向進(jìn)行數(shù)值模擬，采取7種工況進(jìn)行分析，分別是遭遇浪向角0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，圓頻率為0.2～4.5 rad/s，水深設(shè)置為50 m，波浪振幅為1 m。雙體浮式平臺(tái)的橫搖與縱搖的RAO曲線如圖7所示。

由圖7可知，在浪向角為0°～ 90°之間，橫搖的RAO隨浪向角的增加而增加，縱搖的RAO隨浪向角的增加而減小。由于波浪振幅為1 m，因此，該平臺(tái)在浪向角為0°，波浪頻率為1.652 9 rad/s時(shí)的最大橫搖角為7.4668°；在浪向角為90°，波浪頻率為1.739 2 rad/s時(shí)的最大縱搖角為8.7853°。

圖7 雙體浮式平臺(tái)橫搖/縱搖的RAO

2 半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)模組化布置方案

2.1 布置方案

為提高水輪機(jī)的總功率，將雙體浮式平臺(tái)進(jìn)行模塊化布置——橫向布置與環(huán)形布置，布置方式如圖8所示。

圖8 平臺(tái)布置方案

2.2 方案的確定

在雙體浮式平臺(tái)的數(shù)目相同及重心位置一致的情況下計(jì)算在不同浪向角及波浪頻率下的平臺(tái)橫搖與縱搖的RAO，將不同浪向角下橫搖與縱搖的最大RAO對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種方案橫搖與縱搖結(jié)果對(duì)比

通過(guò)圖9對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫向布置的橫搖最大幅值算子為4.656 8°/m，縱搖最大響應(yīng)算子為2.462 7°/m；環(huán)形布置的橫搖最大幅值響應(yīng)算子為3.093°/m，縱搖最大幅值響應(yīng)算子為2.976°/m。通過(guò)對(duì)比可知，橫向布置橫搖最大幅值響應(yīng)算子要高于環(huán)形布置的50.57%，環(huán)形布置縱搖的最大響應(yīng)算子要高于橫向布置的20.71%。因此，環(huán)形布置方案要優(yōu)于橫向布置方案。

3 環(huán)形模組平臺(tái)的水動(dòng)力性能分析

平臺(tái)在外載荷的作用下會(huì)受到不同的作用力，利用ANSYS AQWA對(duì)模組化平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，計(jì)算平臺(tái)在不同的波浪頻率下的一階波浪力與二階波浪力。

3.1 環(huán)形模組平臺(tái)的受力分析

3.1.1 一階波浪力

圖10為環(huán)形模組平臺(tái)在不同波浪頻率以及浪向角下的一階波浪力，由該圖可知以下結(jié)論：

圖10 一階波浪力

1)由于平臺(tái)布置的特殊性，平臺(tái)的縱蕩與橫蕩(橫搖與縱搖)的一階波浪力隨圓頻率的變化趨勢(shì)是一致的；隨浪向角的增加，縱蕩(橫搖)一階波浪力增加，橫蕩(縱搖)一階波浪力減小。因此，橫搖與縱蕩受橫浪的影響，縱搖與橫蕩受迎浪的影響。

2)平臺(tái)縱蕩在浪向角45°時(shí)圓頻率為2.343 1 rad/s達(dá)到峰值為345.412 kN/m；橫蕩在浪向角75°時(shí)圓頻率為1.307 84 rad/s達(dá)到峰值為315.107 7 kN/m；垂蕩在圓頻率0.1 rad/s達(dá)到峰值為751.022 9 kN/m；橫搖在浪向角90°時(shí)圓頻率為1.221 57 rad/s達(dá)到峰值為23.464 5 kN；縱搖在浪向角為0°時(shí)圓頻率為1.221 57 rad/s時(shí)達(dá)到峰值為23.510 58 kN；艏搖在浪向角為45°時(shí)圓頻率為3.896 1 rad/s時(shí)達(dá)到峰值為37.870 43 kN。

3.1.2 二階波浪力

1)環(huán)形布置平臺(tái)的縱蕩與橫蕩隨圓頻率的變化進(jìn)行無(wú)規(guī)律波動(dòng)?？v蕩在浪向角0°，圓頻率為2.084 31 rad/s，二階波浪力達(dá)到峰值點(diǎn)為84.473 7 kN/m2，橫蕩在浪向角為90°時(shí)，達(dá)到峰值點(diǎn)為88.788 2 kN/m2；

2)平臺(tái)的垂蕩、橫搖與縱搖的二階波浪力均為0，是由于使用遠(yuǎn)場(chǎng)解的方法進(jìn)行數(shù)值模擬；

3)平臺(tái)艏搖的二階波浪力隨圓頻率的變化波動(dòng)較大，并且數(shù)值有正有負(fù)。在浪向角為15°與60°時(shí)波動(dòng)尤為明顯，在浪向角為15°，圓頻率為2.256 86 rad/s時(shí)，二階波浪力可達(dá)171.423 89 kN/m；浪向角為60°，圓頻率為2.256 86 rad/s時(shí)，二階波浪力可達(dá)-175.151 2 kN/m(見(jiàn)圖11)。

圖11 二階波浪力

3.2 模組化浮式平臺(tái)與單個(gè)雙體浮式平臺(tái)對(duì)比分析

將模組化平臺(tái)與單個(gè)浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12所示。

通過(guò)圖12可知，單個(gè)浮式平臺(tái)與模組化浮式平臺(tái)在浪向角為90°時(shí)，橫搖的最大幅值響應(yīng)算子分別為7.488 6°/m和3.093°/m；在浪向角為0°時(shí)，縱搖的最大幅值響應(yīng)算子分別為8.78°/m和2.976°/m。由于波浪振幅為1 m，即可得到單個(gè)浮式平臺(tái)與模組化浮式平臺(tái)最大橫搖角分別為7.4886°和3.093°，最大縱搖角分別為8.78°和2.976°，環(huán)形模組平臺(tái)與單個(gè)雙體浮式平臺(tái)相比，最大橫搖角降低58.697%，最大縱搖角降低66.105%；模塊化平臺(tái)與單個(gè)雙體浮式平臺(tái)相比，在提高水輪機(jī)總功率前提下，也進(jìn)一步提高單個(gè)雙體浮式平臺(tái)的水動(dòng)力性能。

圖12 單個(gè)雙體浮式平臺(tái)與模組化平臺(tái)橫搖與縱搖幅值響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

1)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)是一種升阻復(fù)合型垂直軸水輪機(jī)。通過(guò)CFD數(shù)值模擬可知，所設(shè)計(jì)的半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)橫搖許用角為(0°，8°)，縱搖的許用角為(0°，12°)。

2)半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)載體平臺(tái)采用雙體浮式平臺(tái)，將該平臺(tái)進(jìn)行模組化布置時(shí)。環(huán)形布置方案優(yōu)于橫向布置方案。

3)相對(duì)于單個(gè)浮式平臺(tái)而言，最大橫搖角降低58.697%，最大縱搖角降低66.105%。因此，環(huán)形模組平臺(tái)既提高水輪機(jī)總功率，也提高了平臺(tái)的水動(dòng)力性能，能夠保證半轉(zhuǎn)葉輪水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。