海流发电装置轴向力分析及液压平衡装置设计.pdf

第 4 5卷第 1 2期 2 0 0 9年1 2 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI N G Vo1 ． 45 De c ． NO． 1 2 2 0 0 9 DoI 1 O ． 39 01 ／ J M E． 2 00 9 ． 1 2 ． 0 7 0 海流发 电装置轴 向力分析及液压平衡装置设计冰 刘宏伟 李 伟 林勇刚 马 舜 应 有 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 7 摘要针对水平轴螺旋桨式海流能发电装置正常工作时轴向力很大的问题，运用流体力学理论、叶元动量理论及流固耦合模 拟的方法，对叶片受力进行分段求解再叠加计算出轴向力。计算的轴向力 与数值模拟仿真结果较好地吻合。理论分析和仿真 计算表明水流流速的变化及流剧耦合使轴向力呈随机非线性变化。 根据轴向力规律性变化的特点，设计一种新型的液控式轴 向力自动平衡装置，在 B l a d e d和 A ME S i m软件【 } J 建立系统联合仿真模型并进行研究，结果表明该液控平衡装置可以较好地 抵消水流引起的轴向力波动，从而可以保护轴承结构。 关键词海流能发电装置水平轴轴向力液压平衡装置 中图分类号 T H1 2 2 T H1 3 7 ． 9 Ax i a l Th r u s t Ana l y s i s o f Oc e a n Cu r r e n t 1 5 u r b i ne a n d De s i g n o f Hy d r a u l i c Eq u i l i b r a t o r LI U Ho n g we i LI We i LI N Yo n g g a n g M A S h u n YI NG Yo u T h e S t a t e Ke y L a b o f F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h a n g Un i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms o f v e r y b i g a x i a l t h r u s t c a u s e d b y t h e fl o wi n g wa t e r d u r i n g t h e o p e r a t i o n o f o c e a n c u r r e n t t u r b i n e s ， h y d r o d y n a mi c s ，b l a d e e l e me n t mo me n t u m a n d fl u i d - s o l i d c o u p l i n g s i mu l a t i o n me t h o d s a r e u s e d t o c a l c u l a t e t h e t h r u s t f o r c e b y s o l v i n g s u b s e c t i o n s o f t h e b l a d e a n d a d d i t i o n o f t h e m． Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a r e c o mp a r e d wit h t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n Bl a d e d s o f t wa r e a n d b o t h p r o v e t h a t v a r i a t i o n o f wa t e r v e l o c i t y a n d fl u i d s o l i d c o u p l i n g c a u s e t h e r a n d o m n o n l i n e a r v a r i a t i o n o f t h e ax i a l f o r c e ． Ac c o r d in g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e r e g u l a r c h a n g e o f a x i a l t h r u s t ， a n o v e l h y d r a u l i c e q u i l i b r a t o r f o r ax i a l t h r u s t i s d e s i g n e d ， a n d i t s s y s t e m mo d e l i s c o n s t r u c t e d i n AMES i m a n d Bl a d e d s o f t wa r e a r e s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c e q u i l i b r a t o r c a n we l l c o u n t e r a c t t h e fl u c t u a t i o n o f ax i a l t h r u s t ， t h e r e b y p r o t e c t i n g t h e b e a r i n g s t r u c t u r e ． Ke y wo r d s ．．Oc e a n c u rre n t t u r b i n e Ho r i z o n t a l axi s Ax i a l t h r u s t Hy d r a u l i c e q u i l i b r a t o r 0 前言 水平轴螺旋桨式海流能发 电装置是 由水流驱 动叶轮旋转再通过机械或液压传动系统将能量传递 给发 电机用来发 电的一种海流能开发装置。对于与 流体介质 这里指水流 发生相对运动 的物体 如叶 轮 ，除受到一个与水流方向垂直 的力 升力 外，还 受到在水流方 向上 的作用力 阻力 ，升力是产生叶 轮旋转的动力，而阻力则是希望尽量减小的附加作 国家自然科学基金 5 0 7 3 5 0 0 4 ，5 0 5 0 5 0 4 3 、国家高技术研究发展计划 8 6 3计划，2 0 0 7 A A 0 5 Z 4 4 3 、浙江省 自然科学基金 Y1 0 7 5 2 7 11 浙江省 科技攻关 2 o o 6 cl o 1 2 资助项目。2 0 0 8 1 2 2 1 收到初稿，2 0 0 9 0 6 2 3收到 修改稿 用力 。事实上这一 问题也存在于同样是透平机械的 风力机上，而 目前在大型风力机上通常的做法是选 用调心滚子轴承来承受它产生的大的轴 向力，而这 类轴承 目前基本依靠进 口【 J j ；而与风力机相 比，水 平轴螺旋桨式海流 能发 电装置又具有 以下特点 ① 水的密度是风的 8 0 0多倍 ， 同等功率的风力机组 与海流能发电机组，海流能发电装置的轴向力可能 是风力机的数倍之多I 2 】 ； ② 水流流速的微小变化也 将导致轴向推力的大幅度变化； ③ 工作介质粘度及 速度的不同使得雷诺数也不相同，即叶片的升阻系 数特性不相 同。基于以上特 点，有必要针对海流能 发电装置，专门对其进行轴 向力计算 ，同时设计一 种柔性轴 向力平衡装置，以减小轴向力对机械装置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 1 2月 刘宏伟等 海流 发电装置轴 向力分析及液压平衡装置 设计 7 1 的冲击影响。作为一种新型的可再生能源装置， 目 前试验样机多处于试验阶段，且功率等级较小，所 以轴 向力大的问题 尚不 明显，但随着机组功率等级 的增大，轴 向力 问题必将得到重视与研究。 本文结合 已完成的 5 k W 级水平轴螺旋桨式海 流能发 电装置样机的试验环境，以优化设计的样机 翼形为基础， 利用流体动力学理论及流固耦合方法 ， 模拟并计算出水平轴螺旋桨式海流能发 电装置 的轴 向推力。同时设 计了一种适用于海流能发 电装置的 全新的液压式轴 向力 自动平衡控制装置 ，并对其进 行系统联合仿真及试验研究。 1 叶轮轴 向力分析计算 1 ． 1 叶片翼形受力分析 以叶片某截面翼形为例， 图 1 为其运动关系图， 其中 为安装角 节距角 ，被定义 为叶轮旋转平面 与该截面翼形弦线 A B的夹角 ； v 是水流的绝对 自由 来流速度 ；U为叶片该截面处的线速度 ；W 为叶轮 与水流的相对速度，W z√ 甜 v ； 6 c 为攻角，定义 为弦线 A B与相对速度 W的夹角 。根据图 1中矢量 计算 ，可得攻角表达式 ar c t fdn 一 “ 图 1 叶片运动关系 图 可见 的大小与 1 ， 和 U有关 ，所以不同半径处 的攻角是不一样的， 对应翼形的升力系数 C L 及阻力 系数 也不同。叶片不同半径处的安装角 等于 基本安装角 与该处扭转角 之和[ 3 ] 。图 2为叶片 某断面受力分析图，O O 为轮毂 中心轴 。阻力 被 定义为与 W速度方向一致 ，而升力 凡 被定义与 W 速度方 向垂直。 通过矢量图计算， 可得叶片 ， r d r 段的叶片阻力 d F o 、升力 d E L 及轴向推力 1 岷 --g p v C o t d r 1 二 1 ． O F L z P v C L l d r 2 ．厶 d F a d E D s i n fl口 d F L c o s p 3 式中，p 为水的密度，， 为弦长。 从式 1 ～ 3 可见 ，叶片的升力、阻力、轴向力 与 c L 、C D 、o c 、 紧密相关。 一 ， F L I／1 二 ～ ≯ ／／ ／ ＼ ／ 一 一 ／ ／ ／ r 图 2 叶片断面处受力分析 图 1 ． 2 数值模拟法求解翼形的升阻系数 安装角 是叶片的基本结构参数，从以上分析 可求得攻角 ，为了有效计算叶轮的轴 向力，还需 要通过 F l u e n t 流固耦合仿真方法求得叶片的升阻系 数【 4 J 。湍流模型的选择在仿真中非常重要，在本文 的仿真中，低攻角时采用 了标准的 k - e模型，并采 用非平衡壁面 函数 的近壁面处理，该模型对于处理 贴近壁面附近 的流动计算是很有效的； 当大攻角时， 在考虑流体分离及 回流现象的基础上，采用 ∞模 型 。模型采用结构化网格，并通过设置不 同的入 口 边界条件来对应不 同的来流方 向，即不 同的攻角 。 通 过仿真得 到的叶片某截面 翼形的升力系数 、阻力系数 C D与其攻角的关系 曲线如图 3所示， 从图 3中可 以看 出，仿真结果与文献[ 5 ] 的试验结果 较好地吻合，所 以可 以认为仿真方法是合理的。 西 吧 U 籁 R 索 图 3 升力系数和阻力系数与攻角关系曲线 利用 同样 的方法 ，可 以得到叶片其他断面处翼 形的升力系数 C L 和阻力系数 C D ，叶片结构参数及 仿真结果详见下表 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 机械工程学报 第 4 5 卷第 1 2 期 残余轴向力如图 l 0所示，从仿真及试验结果 可 以看 出，在工程 实际中洋流波动最高频率约为 3 ～5 Hz的条件下 ，以 P I D控制器为基础的液压系 统经过 2 S 的调节 ，最终有效地实现轴 向力平衡， 平衡后的轴 向剩余力幅值不到原有轴向力的 2 0 ％， 最大值不超过 8 0 0 N。 ．叵 暴 媚 镁 时间 珧 图 1 O 残余轴向力变化曲线 图 1 1为跟踪轴 向力变化的密封腔内的压力变 化，根据所设计的密封腔截面积的大小，最终压力 基本稳定在 0 ． 2 MP a 左右。在实现压力平衡的过程 中，电液比例压力阀的仿真控制 电流 图 1 2 在阀的 额定工作范围内，采用额定流量和额定工作压力满 足要求的电液比例压力阀就可有效实现对轴向力的 平衡控制。系统压力的波动主要是 由于系统输入及 系统本身的非线性引起【 l 们 。 R 出 稍 E 煺 脚 图 1 1 密封腔 内压力变化 4 结论 图 1 2电液比例 阀控制 电流 5 k W 级水平轴螺旋桨式海流能发电装置的海 上试验表 明水平轴螺旋桨式海流能发电装置工作过 程中水流作用引起的轴 向推力对装置的性能有重要 的影响。本文运用理论分析、数值模拟方法对水平 轴螺旋桨式海流能发电装置的轴向推力进行比较完 整的分析，并设计一种液压式轴向力平衡装置 。通 过一系列研究可得到如下结论。 1 理论与数值模拟结果表明， 对于 5 k w 级水 平轴螺旋桨式海流能发电装置，在流速为 2 m／ s 左 右时，其轴 向力可达到 5 k N左右。 2 液压式轴向力平衡装置可 以将 5 k N左右的 轴 向力缩小到百数量级 以下， 而其工作压力仅为 0 ． 2 MP a 左 右 。 随着机组大型化的发展，轴向力问题将更为突 出，而液压式平衡机构通过控制油压即可很好地解 决这一 问题 。 参考文献 [ 1 】李媛嫒 ，叶亚飞．风力发 电机 专用轴承[ J ] ． 轴承 ， 2 0 0 4 2 4 8 4 9 ． LI Y u a n y u a n ．YE Ya f e i ．S p e c i b e ari n g s f o r t h e wi n d t u r b i n e [ J ] ． B e a r i n g ， 2 0 0 4 2 4 8 4 9 ． f 2 ]B A HA J A S ， MYE RS L E ． F u n d a me n t a l s a p p l i c a b l e t o t h e u t i l i z a t i o n o f ma r i n e c u r r e n t t u r b i n e s for e n e r g y p r o d u c t i o n [ J ] ． R e n e w a b l e E n e r g y , 2 0 0 3 2 8 2 2 0 5 2 2 1 1 ． [ 3 ]叶杭冶． 风力发电机组的控制技术[ MI ． 2版．北京机 械工业出版社， 2 0 0 2 ． YE Ha n g y e ． C o n t r o l t e c h n o l o g y o f wi n d t u r b i n e [ M] ． 2 n d e d ． B e ij i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 4 】韩占忠，王敬，兰小平． F L U E N T流体工程仿真计算实 例与应用[ ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 5 ． H AN Zh a n z h o n g ， WANG J i n g ， L AN Xi a o p i n g ． E x a mp l e s a n d a p p l i c a t i o n s o f F L UE NT fl u i d e n g i n e e r i n g s i mu l a t i o n c o m p u t a t i o n [ M] ． B e ij i n g B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c b n o l o g y P r e s s ， 2 0 0 5 ． 【 5 】MOL L AN D A F ， B AH AJ A S ， C HA P L I N J R， e t a 1 ． M e a s u r e me n t s a n d p r e d i c t i o n s o f f o r c e s ，p r e s s u r e s a n d c a v i t a t i on on 2一 D s e c t i o ns s u i t a bl e for m a r i ne c ur r e n t t u r b i n e s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f the I n s t i tut i o n o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ． P a r t M J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r the M a r i t i me En v i r o n m e n t ， 2 0 0 4 ， 2 1 8 1 2 7 1 3 8 ． [ 6 ]6 李寿英，顾明． 斜、直圆柱绕流的 C F D 模拟[ 空气 动力学 学报， 2 0 0 5 ， 2 3 2 2 2 2 2 2 7 ． LI S h o u y i n g ，GU Mi n g ．Nu me ric a l s i mu l a t i o n f o r f l o w a r o u n d p e r p e n d i c u l a r a n d o b l i q u e c i r c u l a r c y l i n d e r s [ J ] ． A c t a Ae r o d y n a mi c a S i n i c a ， 2 0 0 5 ， 2 3 2 2 2 2 - 2 2 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 1 2月 刘宏伟等 海流发 电装 置轴 向力分析及液压平衡装置设计 7 5 [ 7 ]MYE R S L ，B AH AJ A S ．S i mu l a t e d e l e c t r i c a l p o we r p o t e n t i a l h a r n e s s e d b y ma r i n e c u r r e n t t u r b i n e a r r a y s i n t h e A l d e r n e y R a c e [ J ] ． R e n e w a b l e E n e r g y , 2 0 0 5 3 0 1 7 1 3 1 7 31 ． [ 8 】李华聪 ，李吉．机械／ 液压系统 建模 仿真软件 AME S i m [ J ] ．计算机仿真， 2 0 0 5 ， 2 3 1 2 2 9 4 2 9 7 ． L I Hu a c o n g ， LI J i ． M e c h a n i c a l ／ h y d r a u l i c s y s t e m mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n s o ft - w a r e AME S i m[ J ] ． C o mp u t e r S i mu l a t i o n ， 2 0 0 5 ， 2 3 1 2 2 9 4 - 2 9 7 ． 【 9 ]卢宁，付永领，孙新学．基于 A ME S i m 的双压力柱塞 泵的数字建模与热分析[ J ] ．北京航空航天大学学报， 2 0 0 6 ， 3 2 9 l 0 5 5 - 1 0 5 8 ． L U Ni n g ， F U Yo n g l i n g ， S UN Xi n x u e ． Di g i t a l mo d e l i n g o f d o u b l e p r e s s a x i a l p i s t o n p u mp a n d i t s t h e r ma l a n a l y s i s b a s i n g o n AME S i m[ J ] ． J o u r n a l o f B e r i n g U n i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， 2 0 0 6 ， 3 2 9 1 0 5 5 1 0 5 8 ． [ 1 0 ]于良耀，王会义，宋健，等．汽车防抱制动系统中液压 系统性能评价与试验[ J ] ．机械工程学报，2 0 0 7 ，4 3 9 4 0． 46 ． YU Li a ng ya o， WANG Hu i y i ， SONG J i a n， e t a 1 ． P e r f o rm a n c e e v a l u a t i o n a n d t e s t o f a n t i l o c k b r a k i n g s y s t e m h y d r a u l i c s y s t e m[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 4 3 9 4 0 4 6 ． 作者简介刘宏伟，男，1 9 7 8年出生，博士研究生。主要从事海洋能源 开发研究。 E - ma i h l i u h o n g t y ms n ．C O In 林勇刚 通信作者 ，男，1 9 7 6年出生，副研究员。主要从事风力及海洋 能发电研究。 E - ma i l y g l i n c me e ．z j u ． e d u ．c n 上接第 6 9页 [ 3 】赵斌娟 ，袁寿其 ，刘厚林 ，等．双流道及双 叶片式 叶轮 内流 场的 P I V 测量 与 比较 [ J ] ．农业 机械 学报 ，2 0 0 8 ， 3 9 1 2 8 2 8 5 ． Z HA O B i n j u a n ， YU AN S h o u q i ， L I U Ho u l i n ， e t a 1 ． P I V me a s u r e me n t a n d c o mp a r i s o n o f i n n e r f l O W i n s i d e t h e d o u b l e c h a n n e l a n d t w o b l a d e i mp e l l e r [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e Ch i n e s e S o c i e ty o f Ag r i c u l tur a l Ma c h i n e r y ,2 0 0 8 ， 3 9 1 2 8 2 8 5 ． [ 4 】杨敏官 ，高波 ，李辉 ，等．旋流泵 内盐析两相流场 的计 算及实验研究 [ J ] ．机械工程学报 ，2 0 0 8 ，4 4 1 2 4 2 4 8 ． Y ANG M i n g u a n ， GAO Bo ，L I Hu i ，e t a 1 ． Si mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s a l t -- o u t t wo --p h a s e flo w fie l d i n v o r t e x p u mp [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 4 4 1 2 4 2 4 8 ． [ 5 ]S T E P H AN B ， GR A E ME A． P r e d i c t i o n o f i mp e l l e r n o s e w e ar b e h a v i o r i n c e n t r i f u g a l s l u r r y p u mp s [ J ] ． E x p e r i me n t a l T h e rm a l a n d F l u i d S c i e n c e ， 2 0 0 2 ， 2 6 8 4 1 8 4 9 ． [ 6 ]Y UA N Z ， K I YOS HI M． Me a s u r e me n t o f e r o s i o n d u e t o p a r t i c l e i mp i n g e me n t a n d n u me ric a l p r e d i c t i o n o f we ar i n p u mp c a s i n g [ J ] ． We ar， 1 9 9 6 ， 1 9 9 3 6 4 4 ． 作者简介朱祖超 ，男，1 9 6 6年出生，教授，博士研究生导师。主要研 究方 向为流体机械的理论设计、工程实现和内部流动数值模拟。 E ma i l z c z h u z j i n f o g o c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m