于曉峰，孫承坤，張旭成，王孝義

(安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

潮流能是一種可預測性強、能量密度大的可再生清潔能源，主要通過布設水輪機實現(xiàn)能量獲取，而水輪機在海洋中穩(wěn)定高效運行需載體平臺的支撐。潮流電站載體平臺主要有漂浮式、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]。

為提高載體平臺的水動力性能，國內外學者進行了大量研究。Lopez[2-3]通過在平臺上安裝垂直襟翼改善其阻尼特性，提高水動力性能；Jeong Du Kim[4-5]為提高張力腿平臺(TLP)的水動力性能，對船體形式與肌腱系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化；Goncalves[6-7]等對圓形倒角的立柱浮式平臺進行水動力分析，計算在不同流向下平臺運動響應；Islam等[8]對浮式平臺的運動響應與水動力性能進行研究，結果表明，采用升沉板結構的圓柱形平臺具有良好的靜動態(tài)特性；丁勤衛(wèi)等[9]通過在平臺上附加垂蕩板以及螺旋側板來改善平臺的運動響應；李洪仙等[10]對多浮體海上平臺進行水動力分析，將6個相同的平臺兩排連接，計算其附加阻尼與運動響應；鄒強等[11]采用數(shù)值模擬與實驗對鉸接多浮體結構進行穩(wěn)定性分析；魏東澤等[12]研究兩種不同截面立柱對浮式平臺的水動力影響。Deng Wei[13]提出了一種拓撲優(yōu)化方法，通過最大化腿部結構剛度來尋找腿部的優(yōu)化形狀，為極端環(huán)境載荷提供足夠的阻力。以上文獻采用不同的方式提高浮式平臺的水動力性能，其海洋平臺均為大型平臺。本文則聚焦于一種小型化海洋平臺設計，將其進行模組化布置，既提高水輪機總功率，又提高平臺的水動力性能。

半轉葉輪水輪機是一種新型垂直軸水輪機[14]，基于駁船式漂浮平臺設計半轉葉輪水輪機載體平臺——雙體浮式平臺。為提高水輪機總功率，將雙體浮式平臺進行模組化布置，提出兩種布置方案——橫向布置與環(huán)形布置。采用ANSYS AQWA對兩種不同方案進行數(shù)值計算，選擇一種適用于半轉葉輪水輪機的布置方案，并對其進行水動力分析，以保證半轉葉輪水輪機穩(wěn)定高效的運行。

1 半轉葉輪水輪機載體平臺性能需求分析及結構設計

1.1 半轉葉輪水輪機工作原理

半轉葉輪水輪機由半轉機構演變而來，圖1為半轉機構示意圖。定輪為固定構件，定輪與動輪的齒數(shù)比是1∶2。因此，當系桿以的角速度轉動，半轉構件以的角速度同向轉動，從而形成不對稱運動。將半轉機構應用于潮流能能量捕獲中，系桿延伸為轉臂，半轉構件延伸為葉片，將半轉機構延伸為半轉葉輪水輪機。半轉葉輪水輪機是由葉片、轉臂、偏航機構(偏航軸承、偏航軸、尾翼)、齒輪傳動、帶傳動和輸出軸等組成，如圖2所示。通過實驗研究，其獲能效率可達46%[15]。

圖1 半轉機構示意圖

圖2 半轉葉輪水輪機結構示意圖

1.2 半轉葉輪水輪機與載體平臺性能關系

由于半轉葉輪水輪機固定在載體平臺上，當平臺發(fā)生運動時，半轉葉輪水輪機會發(fā)生與平臺一致的運動。由于載體平臺在海域中有六自由運動，在平臺的重心處建立坐標系，如圖3所示，平臺的平動(縱蕩、橫蕩、垂蕩)對半轉葉輪水輪機的水動力影響甚小，由于半轉葉輪水輪機具有偏航機構，因此艏搖不會對其水動力產生影響。因此，針對半轉葉輪水輪機載體平臺的橫搖與縱搖對水輪機的水動力性能影響進行研究。

圖3 半轉葉輪水輪機載體平臺的六自由度示意圖

基于CFD數(shù)值模擬載體平臺橫搖與縱搖對半轉葉輪水輪機的水動力性能影響，得到半轉葉輪水輪機橫搖與縱搖的許用角范圍，從而確定半轉葉輪水輪機載體平臺的橫搖與縱搖許用角范圍。平臺的運動響應采用幅值響應算子(RAO)來表征，其定義為不同波浪頻率引起的平臺的自由度幅值與波浪振幅的比值，即可得到平臺的橫搖角與縱搖角。因此平臺橫搖與縱搖角須使得在水輪機的橫搖與縱搖的許用角范圍之內，以保證水輪機高效穩(wěn)定的運行。水輪機本體與載體平臺之間的性能參數(shù)要求關系如圖4所示。

圖4 半轉葉輪水輪機本體與載體平臺之間的性能參數(shù)要求關系

1.3 半轉葉輪水輪機橫搖角與縱搖角分析

基于CFD對半轉葉輪水輪機橫搖與縱搖進行數(shù)值模擬，得到水輪機獲能系數(shù)隨橫搖角/縱搖角的變化曲線如圖5所示。

圖5 平臺橫搖與縱搖對水輪機的效率影響

由圖5可知，平臺橫搖與縱搖對水輪機影響趨勢一致，均隨橫搖角/縱搖角的增大而減小。平臺在理想工況下，即未發(fā)生橫搖與縱搖，半轉葉輪水輪機的獲能系數(shù)為0.47。根據(jù)電機的設計準則[16]，半轉葉輪水輪機的損失效率不高于10%，即不小于42.3%，水輪機橫搖許用角范圍為(0°，8°)，縱搖許用角范圍為(0°，12°)。

1.4 半轉葉輪水輪機載體平臺結構設計

水輪機載體平臺采用雙體浮式平臺(下文簡稱為平臺)，該平臺主要由浮體、浮筒、水密艙室、浮體連接板和水輪機連接板組成(見圖6)。圖6為平臺的主尺度參數(shù)示意圖，B1為浮體寬度；L為平臺長度；H為平臺高度；h1為水密艙室高度；h2為浮筒高度；B2為浮筒長度；B3為浮筒寬度。

圖6 雙體浮式平臺示意圖

平臺主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 平臺的主尺度參數(shù)表 m

利用ANSYS AQWA對雙體浮式平臺進行頻域分析，計算得到平臺橫搖與縱搖的RAO，從而得到平臺的橫搖與縱搖角。利用Hydrodynamic Diffraction對平臺進行波浪頻率以及浪向角的設置，由于模型是關于坐標軸X、Y方向對稱的。因此，采用0°～ 90°的浪向進行數(shù)值模擬，采取7種工況進行分析，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，水深設置為50 m，波浪振幅為1 m。雙體浮式平臺的橫搖與縱搖的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，該平臺在浪向角為0°，波浪頻率為1.652 9 rad/s時的最大橫搖角為7.4668°；在浪向角為90°，波浪頻率為1.739 2 rad/s時的最大縱搖角為8.7853°。

圖7 雙體浮式平臺橫搖/縱搖的RAO

2 半轉葉輪水輪機載體平臺模組化布置方案

2.1 布置方案

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

圖8 平臺布置方案

2.2 方案的確定

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

圖9 兩種方案橫搖與縱搖結果對比

通過圖9對比發(fā)現(xiàn)，橫向布置的橫搖最大幅值算子為4.656 8°/m，縱搖最大響應算子為2.462 7°/m；環(huán)形布置的橫搖最大幅值響應算子為3.093°/m，縱搖最大幅值響應算子為2.976°/m。通過對比可知，橫向布置橫搖最大幅值響應算子要高于環(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)形模組平臺的水動力性能分析

平臺在外載荷的作用下會受到不同的作用力，利用ANSYS AQWA對模組化平臺進行水動力性能分析，計算平臺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)形模組平臺的受力分析

3.1.1 一階波浪力

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

圖10 一階波浪力

1)由于平臺布置的特殊性，平臺的縱蕩與橫蕩(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)平臺縱蕩在浪向角45°時圓頻率為2.343 1 rad/s達到峰值為345.412 kN/m；橫蕩在浪向角75°時圓頻率為1.307 84 rad/s達到峰值為315.107 7 kN/m；垂蕩在圓頻率0.1 rad/s達到峰值為751.022 9 kN/m；橫搖在浪向角90°時圓頻率為1.221 57 rad/s達到峰值為23.464 5 kN；縱搖在浪向角為0°時圓頻率為1.221 57 rad/s時達到峰值為23.510 58 kN；艏搖在浪向角為45°時圓頻率為3.896 1 rad/s時達到峰值為37.870 43 kN。

3.1.2 二階波浪力

1)環(huán)形布置平臺的縱蕩與橫蕩隨圓頻率的變化進行無規(guī)律波動?？v蕩在浪向角0°，圓頻率為2.084 31 rad/s，二階波浪力達到峰值點為84.473 7 kN/m2，橫蕩在浪向角為90°時，達到峰值點為88.788 2 kN/m2；

2)平臺的垂蕩、橫搖與縱搖的二階波浪力均為0，是由于使用遠場解的方法進行數(shù)值模擬；

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

圖11 二階波浪力

3.2 模組化浮式平臺與單個雙體浮式平臺對比分析

將模組化平臺與單個浮式平臺的運動響應進行對比分析，如圖12所示。

通過圖12可知，單個浮式平臺與模組化浮式平臺在浪向角為90°時，橫搖的最大幅值響應算子分別為7.488 6°/m和3.093°/m；在浪向角為0°時，縱搖的最大幅值響應算子分別為8.78°/m和2.976°/m。由于波浪振幅為1 m，即可得到單個浮式平臺與模組化浮式平臺最大橫搖角分別為7.4886°和3.093°，最大縱搖角分別為8.78°和2.976°，環(huán)形模組平臺與單個雙體浮式平臺相比，最大橫搖角降低58.697%，最大縱搖角降低66.105%；模塊化平臺與單個雙體浮式平臺相比，在提高水輪機總功率前提下，也進一步提高單個雙體浮式平臺的水動力性能。

圖12 單個雙體浮式平臺與模組化平臺橫搖與縱搖幅值響應對比

4 結 語

1)半轉葉輪水輪機是一種升阻復合型垂直軸水輪機。通過CFD數(shù)值模擬可知，所設計的半轉葉輪水輪機橫搖許用角為(0°，8°)，縱搖的許用角為(0°，12°)。

2)半轉葉輪水輪機載體平臺采用雙體浮式平臺，將該平臺進行模組化布置時。環(huán)形布置方案優(yōu)于橫向布置方案。

3)相對于單個浮式平臺而言，最大橫搖角降低58.697%，最大縱搖角降低66.105%。因此，環(huán)形模組平臺既提高水輪機總功率，也提高了平臺的水動力性能，能夠保證半轉葉輪水輪機穩(wěn)定運行。