崔申申，宋蟄存，王達(dá)凱，廖志華，黃德財(cái)

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

能源是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。當(dāng)今社會(huì)主要依賴于傳統(tǒng)的化石能源，全球總能耗的74%來(lái)自煤炭、石油、天然氣等礦物能源。伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)、能源消耗大幅增加、化石能源資源卻在日益耗盡。不但如此，化石能源的利用，對(duì)自然環(huán)境也造成了極大的破壞。開發(fā)利用潮流能，開展潮流發(fā)電裝置研究是能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)的需要。

我國(guó)沿海十幾個(gè)?。ㄊ校﹨^(qū)能源生產(chǎn)總量為3.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)25%，而我國(guó)能源消費(fèi)主要集中在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，消費(fèi)總量為7.7 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)52%。沿海省（市）區(qū)在能源資源占全國(guó)比例不足20%的情況下年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占到了全國(guó)70%左右。我國(guó)東部沿海地區(qū)要率先實(shí)現(xiàn)全面小康社會(huì)是國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃和長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，但能源短缺已經(jīng)嚴(yán)重影響了沿海地區(qū)持續(xù)快速的發(fā)展。開發(fā)利用潮流能，開展潮流發(fā)電裝置研究是沿海及島嶼社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

近十年來(lái)，我國(guó)政府對(duì)潮流能及其轉(zhuǎn)換裝置的研究給予了高度重視和經(jīng)費(fèi)支持，旨在研究發(fā)展潮流發(fā)電裝置設(shè)計(jì)分析方法，設(shè)計(jì)建造性能優(yōu)良、能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的潮流示范電站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)潮流電站的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。開發(fā)利用潮流能，開展潮流發(fā)電裝置研究是是潮流發(fā)電技術(shù)自身發(fā)展的需求。

1 潮流能的特點(diǎn)

潮流是由于潮汐現(xiàn)象而產(chǎn)生的有規(guī)律的海水流，大部分海域的潮流其方向每天改變兩次，也存在一些水道，其潮流的方向不變。潮流能發(fā)電就是利用潮流沖擊葉片使葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，潮流能發(fā)電開發(fā)到今日，研究較多的潮流能發(fā)電方式主要有兩種： 水平軸潮流能發(fā)電裝置以及豎直軸潮流能發(fā)電裝置。潮流能的開發(fā)及利用要追溯到上個(gè)世紀(jì)，至1973年美國(guó)首次提出體用潮流能發(fā)電的方案開始，全世界就將目光轉(zhuǎn)移到這種新興能源研究及開發(fā)上。潮流能作為一種新能源，其具有：①可再生；②能量密度大，總儲(chǔ)量大；③變化有規(guī)律，可提前預(yù)報(bào)；④綠色無(wú)污染等特點(diǎn)。

潮流能主要集中在近海淺水海域，特別是海峽，水道和灣口處。根據(jù)聯(lián)合國(guó)科教文組織估計(jì)，世界可開發(fā)利用的潮流能總量約為3 億kW。世界上潮流能豐富的地區(qū)包括中國(guó)，英國(guó)，日本，韓國(guó)，新西蘭和加拿大等地區(qū)。

中國(guó)潮流能儲(chǔ)量非常豐富。理論平均功率為13948.2MW。按海區(qū)分，中國(guó)東海沿岸的水道最多，其次是黃海，南海較少。中國(guó)舟山群島地區(qū)，潮流能蘊(yùn)藏量相當(dāng)豐富，許多地方的潮流速度達(dá)到4m/s 以上，世界罕見(jiàn)，開發(fā)環(huán)境和條件很好，適宜建設(shè)大型的潮流發(fā)電場(chǎng)。

2 電站的總體設(shè)計(jì)

本電站由載體平臺(tái)、升降柱、升降機(jī)構(gòu)、機(jī)艙、錨泊系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。其中載體平臺(tái)為漂浮式平臺(tái)，其形狀為長(zhǎng)方體，平臺(tái)上有兩個(gè)作業(yè)井，升降柱安裝在作業(yè)井中，升降機(jī)構(gòu)布置在作業(yè)井周圍，升降機(jī)構(gòu)與升降柱連接，控制升降柱升降。本電站中升降柱與機(jī)艙相連，機(jī)艙為單軸雙葉片設(shè)計(jì)，在作業(yè)狀態(tài)下，升降柱下降，使得機(jī)艙位于潮流流速適宜的位置進(jìn)行發(fā)電作業(yè)；在維修狀態(tài)下，升降柱上升，使得機(jī)艙位于作業(yè)井內(nèi)，避免了水下作業(yè)。本電站為雙轉(zhuǎn)子對(duì)旋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)機(jī)艙上的同一端的葉片對(duì)旋。本電站的錨泊系統(tǒng)的錨點(diǎn)安裝在長(zhǎng)方體下表面的四角處。電站的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 電站總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 The overall power plant design

3 獲能裝置的設(shè)計(jì)

獲能裝置作為電站的核心部分，其直接決定電站的發(fā)電功率，電站是否具有可行性，是否具有應(yīng)用前景都取決于獲能裝置設(shè)計(jì)的成功與否。由于潮流能電站所處的作業(yè)環(huán)境比較惡劣，在進(jìn)行獲能裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮到如何提高獲能裝置的工作效率之外，還要考慮到獲能裝置對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響。

3.1 單艙雙葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平軸潮流能發(fā)電裝置在其開發(fā)過(guò)程中，人們一直在尋找提高潮流能發(fā)電功率的方法，比如，通過(guò)增大水平軸葉片的直徑來(lái)提高發(fā)電功率，或是通過(guò)對(duì)水平軸葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到提高發(fā)電功率的目的。這些方法在一定程度上雖然可行，但隨之也帶來(lái)了許多問(wèn)題，水平軸葉片直徑不斷增大提高了葉片的造價(jià)也對(duì)葉片的制造工藝提出了更高的要求；對(duì)葉片不斷進(jìn)行優(yōu)化也已經(jīng)進(jìn)入到了瓶頸期，很難再通過(guò)優(yōu)化大幅度地提高葉片的轉(zhuǎn)換效率。

人們通過(guò)對(duì)水平軸發(fā)電機(jī)尾流效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)水平軸發(fā)電機(jī)尾流同樣具有利用價(jià)值。通過(guò)在機(jī)艙尾部安裝葉片，對(duì)經(jīng)過(guò)機(jī)艙首部葉片的潮流進(jìn)行二次利用，提高了發(fā)電裝置的功率。研究表明，水平軸葉片的渦流主要集中在葉稍及葉根處，因此尾部的葉片在葉稍及葉根處將遭受很大的湍流作用，于尾部葉片的穩(wěn)定性不利，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們加大了尾部冶煉葉根處的長(zhǎng)度，并減小了尾部葉片的直徑。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了有提高潮流能利用率的優(yōu)點(diǎn)之外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）安裝于機(jī)艙兩端的葉輪所受軸向力方向相反，降低了側(cè)向流載荷，同樣是機(jī)艙的重心為機(jī)艙的中心位置處，降低了機(jī)艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

（2）機(jī)艙內(nèi)的連接軸對(duì)轉(zhuǎn)使得升降柱受到的合力矩大幅降低，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（3）首尾端對(duì)轉(zhuǎn)葉輪使得切割磁感線的速度大幅增加，降低了增速器的符合，提高了其壽命。

為了簡(jiǎn)化機(jī)艙內(nèi)部系統(tǒng)，提高機(jī)艙內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，本電站中機(jī)艙采用兩套發(fā)電系統(tǒng)來(lái)滿足兩個(gè)葉片發(fā)電的需要。機(jī)艙中安裝有： 連接軸，剎車系統(tǒng)，加速器，發(fā)電機(jī)等。其機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 機(jī)艙機(jī)構(gòu)圖Fig.2 Cabin organization chart

3.2 水平軸葉片形狀設(shè)計(jì)

本電站中水平軸葉片形狀設(shè)計(jì)采用Wlison 設(shè)計(jì)模型計(jì)算葉片參數(shù)進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)。Wlison 設(shè)計(jì)模型是目前國(guó)內(nèi)外葉片設(shè)計(jì)應(yīng)用較為普遍的方法之一，它是對(duì)Glauert方法進(jìn)行了改進(jìn)。Wlison 方法研究了有葉稍損失和升阻比對(duì)葉片最佳性能的影響，并且研究了葉片在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的性能。因此該方法更加先進(jìn)，計(jì)算精度更高，考慮更加周全。

圖3 機(jī)艙內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖Fig.3 The cabin interior organization chart

考慮到阻力對(duì)軸向和切向干擾因子影響較小，故設(shè)計(jì)葉片外形時(shí)，Wlison方法不計(jì)阻力，可知：

其中： N—葉片數(shù)；C—翼型現(xiàn)場(chǎng)；CL—升力系數(shù)；φ—迎流角；r—葉素的半徑；a—軸向干擾因子；b—切向干擾因子。但考慮葉稍損失的影響可得如下關(guān)系式：

上式中F 為葉稍損失系數(shù)，由下式來(lái)計(jì)算：

b（1+b）λ2=a（1-aF）

風(fēng)能利用系數(shù)可由下式得：

其中：λ0—葉輪尖速比；λ—局部尖速比；V1—潮流能流速。若使得潮流能利用系數(shù)CP值最大，須使得每個(gè)葉素上的CP值達(dá)到最大，可用迭代法計(jì)算每個(gè)葉素上的誘導(dǎo)因子a，b，使得誘導(dǎo)因子a，b 在滿足式b（1+b）λ2=a（1-aF）的條件下使CP達(dá)到最大值。

求得每個(gè)葉素對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化a，b 后，根據(jù)Wlison理論的相關(guān)公式可以求得葉片的相關(guān)參數(shù)，從而完成葉片的設(shè)計(jì)。

3.3 雙轉(zhuǎn)子對(duì)旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平軸潮流能發(fā)電裝置在發(fā)電過(guò)程中，由于葉片單向旋轉(zhuǎn)會(huì)形成很大的側(cè)向流載荷，側(cè)向流載荷的大小隨著葉輪直徑的增大而增大。一般情況下，水平軸葉片旋轉(zhuǎn)引起的側(cè)向流載荷對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性影響較大，因?yàn)槠∈狡脚_(tái)通過(guò)錨鏈固定，側(cè)向流載荷的作用會(huì)加大錨鏈的載荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致錨鏈鍛煉。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了雙轉(zhuǎn)子對(duì)旋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，電站的兩個(gè)機(jī)艙布置在漂浮式平臺(tái)的兩側(cè)，兩個(gè)機(jī)艙的葉片各自的旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣兩個(gè)機(jī)艙上產(chǎn)生的側(cè)向流載荷的方向也相反，從而起到抵消側(cè)向流載荷的作用。

4 升降柱及升降裝置的設(shè)計(jì)

本電站中，升降柱起到連接機(jī)艙及漂浮式平臺(tái)的紐帶作用，升降柱如果在作業(yè)過(guò)程晃動(dòng)幅度過(guò)大，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)收到影響，整個(gè)電站的發(fā)電效果就會(huì)大幅度降低，因此升降柱的穩(wěn)定性要得到充分的保證。升降柱通過(guò)升降機(jī)構(gòu)與漂浮式平臺(tái)連接，升降機(jī)構(gòu)在電站工作狀態(tài)切換時(shí)需要調(diào)整升降柱所處的垂向高度，由于升降柱受到浮力作用，因此在升降過(guò)程中升降機(jī)構(gòu)所收的升降柱的作用力不停變化，很難控制，容易造成升降機(jī)構(gòu)的破壞。

為了解決升降柱升降過(guò)程中升降機(jī)構(gòu)所收的力不斷變化這一問(wèn)題，通過(guò)將升降柱設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，在升降柱的內(nèi)部安裝壓載水艙。壓載水艙在升降柱上升過(guò)程中會(huì)往外部壓水，使得升降柱具有一定的浮力，但浮力的變化幅度較小；在升降柱下降過(guò)程中，壓載水艙往內(nèi)部打水，使得升降柱的重力增加，但升降柱的合力保持不變。壓載水艙的設(shè)計(jì)，使得在升降柱在升降作業(yè)時(shí)，降低了升降機(jī)構(gòu)的提升能力，降低了生產(chǎn)成本。

為了升降柱在一定工況條件下保持穩(wěn)定，升降柱的限位設(shè)計(jì)尤為重要，該電站采用三維限位法，在x，y，z 三個(gè)方向?qū)ι抵M(jìn)行限位。具體的設(shè)計(jì)為，升降柱垂向安裝有滑桿，在對(duì)應(yīng)的作業(yè)井位置安裝有滑塊，滑塊與滑桿嚙合，在升降過(guò)程中，滑桿在滑塊內(nèi)滑移；在升降柱的兩個(gè)面安裝四根齒條，該齒條與升降機(jī)構(gòu)中齒輪嚙合，起到了很好的限位作用。升降柱結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

本電站升降機(jī)構(gòu)采用”齒輪齒條升降法 “為主，壓載水艙為輔的作業(yè)形式，齒輪齒條升降法具體的就是在作業(yè)井周圍安裝軸系，軸系上連接齒輪，該齒輪與升降柱上的齒條嚙合，軸系由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

5 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本電站作為在海洋潮流水道海域長(zhǎng)期工作的漂浮式載體，要抵御狂風(fēng)，巨浪和暴潮的襲擊，問(wèn)了保證電站在大多數(shù)海況下可以正常工作和在惡劣海況下的安全，漂浮式載體的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)就尤為重要。本漂浮式電站存在升降柱的設(shè)計(jì)，升降柱機(jī)構(gòu)較大，其對(duì)整個(gè)漂浮式電站的作用明顯，因此，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，還要考慮升降柱對(duì)漂浮式平臺(tái)的作用力。

圖4 升降柱結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Lifting Column Chart

本項(xiàng)目系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)： ①采用懸鏈?zhǔn)较挡捶绞?；②為了能承受高?qiáng)流和葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的載荷，考慮到潮流電站的相對(duì)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，選用非線性高彈索與錨鏈相組合的多成分錨泊線，即錨鏈-高彈性索-錨鏈的組合成分；③由于電站所在海域的海底地形較為復(fù)雜以及迎流方向錨泊線所受的水平力較大，且考慮到錨泊線可能斷裂的情況，所以錨泊系統(tǒng)采用雙八字型布置形式，如圖5所示。

圖5 雙八字型對(duì)稱布置Fig.5 Two-character type symmetrical arrangement

6 結(jié)論

本文提出了一種新型的漂浮式潮流能發(fā)電電站設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)潮流能獲能裝置的研究，提出了一種新型的獲能方式以及獲能裝置布置形式，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，我們可以看出，這種新型的獲能方式具有很好的發(fā)電效率；且獲能裝置的對(duì)稱布置減小了側(cè)向流載荷，降低了系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到潮流能發(fā)電裝置在維修狀態(tài)下存在的眾多不利，提出了升降柱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，很好地解決了潮流能發(fā)電裝置維修狀態(tài)下水下作業(yè)的問(wèn)題，提高了整個(gè)電站的可靠性。

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