李 丹 王 帥 石 曉

（青島黃海學院，山東青島 266427）

國內(nèi)外對于清潔能源的關(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)電機發(fā)電是一種具有廣闊應用前景且實用的方式。目前主要發(fā)展戰(zhàn)略方向為放置于河流或狹窄海峽之中的小型海流能發(fā)電機設計[1]，可以向海上設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，現(xiàn)在世界上約有28 個國家正在積極研究波浪能發(fā)電的綜合開發(fā)與利用[2]，建設了大小型波力發(fā)電站上千座，總基站裝機容量預計可以超過80萬kW，其中利用波浪能發(fā)電的發(fā)電裝機功率分別以每年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)電機組日前在舟山恢復并網(wǎng)發(fā)電，最大發(fā)電功率達637千瓦，創(chuàng)國內(nèi)海流發(fā)電裝備最大發(fā)電功率紀錄[4]。我國在不斷發(fā)展清潔能源，海流發(fā)電機技術(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)上的進步。

1 海流發(fā)電機模型的建立

海流發(fā)電機有著“海底風車”的別稱。其結(jié)構(gòu)大致可分為四個模塊：與海流形成相對運動的葉片；與葉片相連接的齒輪箱；可以把海流產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)成電能的發(fā)電機以及用于電力傳送的海底電纜[5]。海流發(fā)電機工作時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)電機的葉片發(fā)生定向的旋轉(zhuǎn)；海流發(fā)電機中安裝有可調(diào)控的控制系統(tǒng)，可以調(diào)整海流發(fā)電機的葉片與海流作用方向，進而達到能產(chǎn)生最大動力的夾角[5]。其次，將葉片產(chǎn)生的最大動力值傳入到海流發(fā)電機變速箱，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。

研究對象為固定在50m 水深處安裝的海流發(fā)電機設備，在ANSYS中的Workbench對海流發(fā)電機進行建模并建立合理的流體域模型，劃分網(wǎng)格。對于海流發(fā)電機的葉片數(shù)量選擇三葉片式。因為，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)電機的葉片由海流引起轉(zhuǎn)動，當和其中一個葉片平行，并且?guī)滢D(zhuǎn)動，且?guī)еD(zhuǎn)動的作用在逐漸突出，之后葉片與海流成60°后，海流和葉片的運動方向開始逐步趨于一致，海流作用效果逐步減弱。而此時海流與下一個葉片之間夾角呈0度角，海流又將繼續(xù)對下一葉片起作用。

對于海流發(fā)電機的支撐底座結(jié)構(gòu)選取三角架的支撐結(jié)構(gòu)。因為三角是一個相對穩(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)直接打進海床。對于這個支撐結(jié)構(gòu)型式而言可以用于50m上下、堅硬的海床上。這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是三腳樁日常不需要沖刷防護，而且重量較小，非常堅固。海流發(fā)電機模型如圖1所示。

圖1 海流發(fā)電機模型

圖2 流域及邊界條件示意圖

為了提高計算的精度，建立為兩個流域：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邊界條件不會受到太多影響；而旋轉(zhuǎn)域作用在葉片上，所以利用較小的旋轉(zhuǎn)域可以更加準確地分析到流體作用力。其受到壓強大致為0.5MPa。將外流場內(nèi)的流體介質(zhì)設置為water，海水的溫度取10℃。設置海流流速及旋轉(zhuǎn)速度，其流動方向為軸向進水。選擇兩側(cè)面為對稱面，設置其開口和出口壓力為0Pa，如圖2 所示。在CFX 中進行求解，得出海流發(fā)電機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)電機選用材料為有著較高尺寸精度與表面質(zhì)量的250MPa 級冷扎磁極鋼。在海流發(fā)電機的支架底面施加固定約束，導入壓力結(jié)果將得到的載荷施加在葉片上，如圖5所示。

2 葉片強度校核

2.1 海流流速對葉片強度的影響

在海流發(fā)電機工作的時候，海水中蘊藏的動能作用在葉片之上，帶動葉片進行旋轉(zhuǎn)，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。為研究海流流速對葉片強度的影響，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，對海流流速進行調(diào)整，如表1 所示，進一步觀察海流流速對葉片強度的影響，得出海流發(fā)電機葉片的等效應力云圖如圖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力狀態(tài)，得出葉片表面所受最大等效應力如表2所示。

表2 流速變化下最大等效應力表

圖6 不同流速下等效應力云圖

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

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)電機的葉片變形率也呈現(xiàn)一個增長的趨勢。雖然葉片變形會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，變形率達到8.9%。

圖7 不同流速下變形圖

因為，在實際的設計工作中都要有一定的設計強度的裕度。通過模擬分析得出海流的流速選取1.6m/s時，海流發(fā)電機葉片的變形率為6.4%，海流發(fā)電機的葉片表面應力為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選擇。

2.2 內(nèi)流域旋轉(zhuǎn)速度對葉片強度的影響

通過模擬得出海流速度為1.6m/s 時，可以滿足海流發(fā)電機葉片的強度，但是距離海流發(fā)電機的葉片的屈服強度還有較大的空間。因為海流發(fā)電機的基本原理是將海流的動能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，較大的動能可以增大海流發(fā)電機的產(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，分析葉片強度是否受到影響。海流發(fā)電機葉片所受應力情況如圖8所示。

表4 內(nèi)流域旋轉(zhuǎn)速度

圖8 不同旋轉(zhuǎn)速度下等效應力云圖

表5 不同旋轉(zhuǎn)速度下最大等效應力表

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

由此可以得出結(jié)論，在滿足葉片表面應力的前提下，為了使海流發(fā)電機獲得更高的產(chǎn)電效率。選擇外流域的進口流速為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，在支架部分進行了簡化，采用三個柱體，之后對主軸和其他柱體進行加固，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)電機支架

圖10 優(yōu)化后海流發(fā)電機葉片

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行分析。將計算結(jié)果相對比，如圖11 所示為優(yōu)化前后葉片變形圖。葉片優(yōu)化前后的等效應力對比圖如圖12所示。

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

圖11 優(yōu)化前后葉片變形對比圖

圖12 優(yōu)化前后等效應力對比圖

表6 優(yōu)化前后參數(shù)對比

4 結(jié)論

對于某海流發(fā)電機葉片強度進行校核，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)電機所在內(nèi)流域的旋轉(zhuǎn)速度為0.5r/s時海流發(fā)電機產(chǎn)電效率達到最大。

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