某海流發(fā)電機(jī)葉片強(qiáng)度校核與優(yōu)化方案研究

李 丹 王 帥 石 曉

（青島黃海學(xué)院，山東青島 266427）

國內(nèi)外對(duì)于清潔能源的關(guān)注度在不斷提升，海洋能就是一種可再生的清潔環(huán)保能源，且具有蘊(yùn)含量大、成本低以及無污染等一系列優(yōu)勢。利用海流發(fā)電機(jī)發(fā)電是一種具有廣闊應(yīng)用前景且實(shí)用的方式。目前主要發(fā)展戰(zhàn)略方向?yàn)榉胖糜诤恿骰颡M窄海峽之中的小型海流能發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[1]，可以向海上設(shè)備提供便捷的生活使用電或者為附近用電場合提供電能。

據(jù)不完全信息統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在世界上約有28 個(gè)國家正在積極研究波浪能發(fā)電的綜合開發(fā)與利用[2]，建設(shè)了大小型波力發(fā)電站上千座，總基站裝機(jī)容量預(yù)計(jì)可以超過80萬kW，其中利用波浪能發(fā)電的發(fā)電裝機(jī)功率分別以每年2.5%和10%的平均增長速度逐步提高[3]。

在2020 年4 月21 日由浙大自主研發(fā)的650 千瓦海流能發(fā)電機(jī)組日前在舟山恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電，最大發(fā)電功率達(dá)637千瓦，創(chuàng)國內(nèi)海流發(fā)電裝備最大發(fā)電功率紀(jì)錄[4]。我國在不斷發(fā)展清潔能源，海流發(fā)電機(jī)技術(shù)也在不斷上升，由前幾年的5m 左右的鋼樁直徑和50m 左右的葉片發(fā)展到現(xiàn)在7m 左右的鋼樁直徑和70m 左右的葉片上，可見我國在高效提取海洋能源技術(shù)上的進(jìn)步。

1 海流發(fā)電機(jī)模型的建立

海流發(fā)電機(jī)有著“海底風(fēng)車”的別稱。其結(jié)構(gòu)大致可分為四個(gè)模塊：與海流形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的葉片；與葉片相連接的齒輪箱；可以把海流產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)成電能的發(fā)電機(jī)以及用于電力傳送的海底電纜[5]。海流發(fā)電機(jī)工作時(shí)首先通過流場中海流的固定流向與葉片產(chǎn)生相互作用，從而使海流發(fā)電機(jī)的葉片發(fā)生定向的旋轉(zhuǎn)；海流發(fā)電機(jī)中安裝有可調(diào)控的控制系統(tǒng)，可以調(diào)整海流發(fā)電機(jī)的葉片與海流作用方向，進(jìn)而達(dá)到能產(chǎn)生最大動(dòng)力的夾角[5]。其次，將葉片產(chǎn)生的最大動(dòng)力值傳入到海流發(fā)電機(jī)變速箱，變速箱將傳入變速箱的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為海流發(fā)電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)化好的電能，通過電纜輸送到岸上。

研究對(duì)象為固定在50m 水深處安裝的海流發(fā)電機(jī)設(shè)備，在ANSYS中的Workbench對(duì)海流發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模并建立合理的流體域模型，劃分網(wǎng)格。對(duì)于海流發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)量選擇三葉片式。因?yàn)?，三葉片式是現(xiàn)在國內(nèi)外普遍使用的形式。[6]三葉片發(fā)電機(jī)的葉片由海流引起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)和其中一個(gè)葉片平行，并且?guī)滢D(zhuǎn)動(dòng)，且?guī)еD(zhuǎn)動(dòng)的作用在逐漸突出，之后葉片與海流成60°后，海流和葉片的運(yùn)動(dòng)方向開始逐步趨于一致，海流作用效果逐步減弱。而此時(shí)海流與下一個(gè)葉片之間夾角呈0度角，海流又將繼續(xù)對(duì)下一葉片起作用。

對(duì)于海流發(fā)電機(jī)的支撐底座結(jié)構(gòu)選取三角架的支撐結(jié)構(gòu)。因?yàn)槿鞘且粋€(gè)相對(duì)穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，三腳架在事先安排好的位置，通過駁船將三根鋼管樁以三角形狀態(tài)直接打進(jìn)海床。對(duì)于這個(gè)支撐結(jié)構(gòu)型式而言可以用于50m上下、堅(jiān)硬的海床上。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是三腳樁日常不需要沖刷防護(hù)，而且重量較小，非常堅(jiān)固。海流發(fā)電機(jī)模型如圖1所示。

圖1 海流發(fā)電機(jī)模型

圖2 流域及邊界條件示意圖

為了提高計(jì)算的精度，建立為兩個(gè)流域：存在于葉片附近而形成的圓柱形流體內(nèi)流域；外流域則是用整體模型周圍創(chuàng)建長方形流體區(qū)域來表示。足夠大的外流場能夠滿足流場的各項(xiàng)邊界條件不會(huì)受到太多影響；而旋轉(zhuǎn)域作用在葉片上，所以利用較小的旋轉(zhuǎn)域可以更加準(zhǔn)確地分析到流體作用力。其受到壓強(qiáng)大致為0.5MPa。將外流場內(nèi)的流體介質(zhì)設(shè)置為water，海水的溫度取10℃。設(shè)置海流流速及旋轉(zhuǎn)速度，其流動(dòng)方向?yàn)檩S向進(jìn)水。選擇兩側(cè)面為對(duì)稱面，設(shè)置其開口和出口壓力為0Pa，如圖2 所示。在CFX 中進(jìn)行求解，得出海流發(fā)電機(jī)葉片的壓力分布以及流場流線分布如圖3、圖4所示，數(shù)據(jù)將用于強(qiáng)度校核。

圖3 葉片表面壓力分布

圖4 流場流線圖

海流發(fā)電機(jī)選用材料為有著較高尺寸精度與表面質(zhì)量的250MPa 級(jí)冷扎磁極鋼。在海流發(fā)電機(jī)的支架底面施加固定約束，導(dǎo)入壓力結(jié)果將得到的載荷施加在葉片上，如圖5所示。

2 葉片強(qiáng)度校核

2.1 海流流速對(duì)葉片強(qiáng)度的影響

在海流發(fā)電機(jī)工作的時(shí)候，海水中蘊(yùn)藏的動(dòng)能作用在葉片之上，帶動(dòng)葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。為研究海流流速對(duì)葉片強(qiáng)度的影響，通過控制變量法，保持其他參數(shù)（內(nèi)流域轉(zhuǎn)速為0.45r/s）不改變，對(duì)海流流速進(jìn)行調(diào)整，如表1 所示，進(jìn)一步觀察海流流速對(duì)葉片強(qiáng)度的影響，得出海流發(fā)電機(jī)葉片的等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

表1 海流流速及旋轉(zhuǎn)速度表

根據(jù)葉片在不同海流流速情況下的應(yīng)力狀態(tài)，得出葉片表面所受最大等效應(yīng)力如表2所示。

表2 流速變化下最大等效應(yīng)力表

圖6 不同流速下等效應(yīng)力云圖

從表2 中的應(yīng)力變化趨勢圖中可以看出隨著海流流速的增大，海流發(fā)電機(jī)的葉片表面所受等效應(yīng)力也呈現(xiàn)整體增長的趨勢，如圖6所示最大應(yīng)力通常出現(xiàn)在葉片的根部位置。由于選用的葉片的材料為250MPa級(jí)冷軋磁極鋼，所以結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為250MPa。從整理的數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)海流的流速大于1.6m/s，海流發(fā)電機(jī)的表面壓力將超過250MPa，此時(shí)應(yīng)力是不滿足材料要求的。因?yàn)槌^了屈服強(qiáng)度會(huì)造成材料強(qiáng)度的塑性變形，海流發(fā)電機(jī)葉片將會(huì)損壞。

如圖7 所示為葉片在不同海流流速情況下的變形情況，可見最大變形發(fā)生于海流發(fā)電機(jī)葉片的葉梢處，得出產(chǎn)生的變形率如表3所示。

表3 流速變形率表

從上述的表格和圖片可以看出，隨著海流流速的不斷增大，海流發(fā)電機(jī)的葉片變形率也呈現(xiàn)一個(gè)增長的趨勢。雖然葉片變形會(huì)跟著海流流速的增加而增加，但也不難看出葉片變形率的數(shù)值的增長是比較小的，葉片在2m/s時(shí)，變形率達(dá)到8.9%。

圖7 不同流速下變形圖

因?yàn)?，在?shí)際的設(shè)計(jì)工作中都要有一定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度的裕度。通過模擬分析得出海流的流速選取1.6m/s時(shí)，海流發(fā)電機(jī)葉片的變形率為6.4%，海流發(fā)電機(jī)的葉片表面應(yīng)力為236.32MPa。由此可以得出在保證其他變量不變的情況下，選取1.6m/s的海流速度是最好的一個(gè)選擇。

2.2 內(nèi)流域旋轉(zhuǎn)速度對(duì)葉片強(qiáng)度的影響

通過模擬得出海流速度為1.6m/s 時(shí)，可以滿足海流發(fā)電機(jī)葉片的強(qiáng)度，但是距離海流發(fā)電機(jī)的葉片的屈服強(qiáng)度還有較大的空間。因?yàn)楹Ａ靼l(fā)電機(jī)的基本原理是將海流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，較大的動(dòng)能可以增大海流發(fā)電機(jī)的產(chǎn)電率。因此為了提高產(chǎn)電率，可以通過增大內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)。通過控制變量法控制海流流速為1.6m/s 不變，改變內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度如表4 所示。在其它約束相同的條件下，分析葉片強(qiáng)度是否受到影響。海流發(fā)電機(jī)葉片所受應(yīng)力情況如圖8所示。

表4 內(nèi)流域旋轉(zhuǎn)速度

圖8 不同旋轉(zhuǎn)速度下等效應(yīng)力云圖

表5 不同旋轉(zhuǎn)速度下最大等效應(yīng)力表

如表5所示，為不同旋轉(zhuǎn)速度下最大等效應(yīng)力表，隨著海流發(fā)電機(jī)葉片所處內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度不斷增加，海流發(fā)電機(jī)葉片表面應(yīng)力也呈現(xiàn)一定增長的趨勢，增長的趨勢起點(diǎn)為231.54MPa，增長的終點(diǎn)為253.31MPa。在數(shù)據(jù)中看出，當(dāng)內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度超過0.50r/s 時(shí)，超過了海流發(fā)電機(jī)葉片的屈服強(qiáng)度，海流發(fā)電機(jī)的葉片將會(huì)失效。其中當(dāng)內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為0.50r/s 時(shí)，海流發(fā)電機(jī)的葉片表面應(yīng)力為248.52MPa，是可以滿足要求的。

由此可以得出結(jié)論，在滿足葉片表面應(yīng)力的前提下，為了使海流發(fā)電機(jī)獲得更高的產(chǎn)電效率。選擇外流域的進(jìn)口流速為1.6m/s，內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度為0.50r/s是最合理的選擇。

3 海流發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過分析發(fā)現(xiàn)，葉片的最大變形通常出現(xiàn)在葉梢，而最大應(yīng)力通常是在根部位置，因此在優(yōu)化過程中關(guān)注葉片根部以及葉梢處。

為了使建模簡便，在支架部分進(jìn)行了簡化，采用三個(gè)柱體，之后對(duì)主軸和其他柱體進(jìn)行加固，優(yōu)化后支架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后海流發(fā)電機(jī)支架

圖10 優(yōu)化后海流發(fā)電機(jī)葉片

葉片部分模型的優(yōu)化方向，側(cè)重于葉片形狀的改變，相對(duì)于之前的類似于矩形的葉片，優(yōu)化的葉片更類似于螺旋槳，如圖10所示。

取海流為1.6m/s和內(nèi)流域旋轉(zhuǎn)速度為0.5r/s，在相同的邊界條件及載荷條件下進(jìn)行分析。將計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，如圖11 所示為優(yōu)化前后葉片變形圖。葉片優(yōu)化前后的等效應(yīng)力對(duì)比圖如圖12所示。

優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示。由表可見，對(duì)海流發(fā)電機(jī)進(jìn)行流固耦合分析，優(yōu)化前，葉片最大變形為33.823mm，相對(duì)變形率為6.8%，最大應(yīng)力248.52MPa；優(yōu)化后，葉片最大變形為0.609mm，相對(duì)變形率4.2%，最大應(yīng)力163.08MPa。相比之下，優(yōu)化后的變形率和受到的應(yīng)力得到了大大的改善。

圖11 優(yōu)化前后葉片變形對(duì)比圖

圖12 優(yōu)化前后等效應(yīng)力對(duì)比圖

表6 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)于某海流發(fā)電機(jī)葉片強(qiáng)度進(jìn)行校核，其位于50m 水深的海域情況下最適合的海流速度為1.6m/s，海流發(fā)電機(jī)所在內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度為0.5r/s時(shí)海流發(fā)電機(jī)產(chǎn)電效率達(dá)到最大。

通過以上的結(jié)論，對(duì)海流發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，葉片形狀由原本的矩形改為螺旋槳，其相對(duì)變形率降低到4.2%，葉片的受到的最大應(yīng)力明顯降低。變形和應(yīng)力都比優(yōu)化前小，性能更加優(yōu)良，海流發(fā)電機(jī)工作效率明顯提升，同時(shí)可增加其使用壽命。