一種振蕩浮子海上發(fā)電裝置的液壓缸設(shè)計(jì)

崔珍珍 金超

（1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術(shù)研究部新能源研究科，安徽蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

我國是一個背陸面海的海洋大國，海洋面積為299.7萬km2，海岸線全長達(dá)3.2萬km，其中大陸海岸線為1.8萬多km，海島海岸線為1.4萬多km，大部分海域的波浪能年平均能流密度在2 000 W/m左右[1]。我國的波浪能發(fā)電研究始于20世紀(jì)70年代，航空工業(yè)部623所基于水翼原理制造了波浪能發(fā)電裝置。過去幾十年間，在國家的大力扶持下，我國在波浪能發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展迅速[2-5]，2010年海洋能專項(xiàng)資金設(shè)立以后，波浪能發(fā)電領(lǐng)域更是得到了迅猛發(fā)展，先后有十幾個大學(xué)和研究所開展了對波浪能發(fā)電裝置的研究[6]。

目前，大多數(shù)振蕩浮子式發(fā)電裝置都采用單浮子來吸收波浪能，由于浮子體積和浮子分布等問題，這種結(jié)構(gòu)不能夠同時(shí)吸收海面上不同位置的波浪能，是一種空間上的浪費(fèi)，有著吸收波浪能不穩(wěn)定、發(fā)電總功率低等缺點(diǎn)[7-8]。

本文采用一種基于多個振蕩浮子的波浪能發(fā)電裝置，該裝置將多個振蕩浮子同時(shí)放置在浮標(biāo)平臺周圍海面的不同位置，因所處位置不同，在任意時(shí)刻不同振蕩浮子所處的周期也不盡相同，有的處于上升周期，有的處于下降周期，很好地保證了發(fā)電裝置在每一個時(shí)刻都能吸收到由振蕩浮子所吸收的波浪能，大大提高了振蕩浮子吸收波浪能的穩(wěn)定性，提高了發(fā)電總功率和發(fā)電穩(wěn)定性[9-10]。

1 波浪能發(fā)電的原理

目前，世界上的波浪能發(fā)電裝置主要有振蕩浮子式、點(diǎn)頭鴨式、振蕩水柱式、擺式、閥式和越浪式幾種，雖然這些發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)不同，各有特點(diǎn)，但其基本原理都差不多。這些裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為電能一般都要通過三級轉(zhuǎn)換：第一級轉(zhuǎn)換是通過與波浪接觸的浮體或擺子吸收波浪能并將其轉(zhuǎn)換為浮子或擺子的動能，其完成轉(zhuǎn)換的裝置稱為采能裝置；第二級轉(zhuǎn)換是將浮體或擺子的動能轉(zhuǎn)換為齒輪動能、液壓能或氣壓能，完成該轉(zhuǎn)換的裝置稱為能量轉(zhuǎn)換裝置；第三級轉(zhuǎn)換是將相應(yīng)的機(jī)械能、液壓能或氣壓能轉(zhuǎn)換為電能。這三級是相互聯(lián)系、相互影響的，原理圖如圖1所示。

圖1 海水發(fā)電裝置原理圖

2 系統(tǒng)組成及原理

本文所設(shè)計(jì)的海上多功能發(fā)電裝置系統(tǒng)組成如圖2所示，其主要由4個振蕩浮子、液壓缸、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、海水凈化裝置、蓄電池、儲水箱和平臺等組成。將振蕩浮子置于平臺四周，限制其水平移動，在垂蕩方向上帶動液壓缸的活塞桿上下移動，并完成吸水、排水的過程，將排出的具有高動能的海水作用于水輪機(jī)，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并將電量儲存于蓄電池中供來往船只使用。從水輪機(jī)中流出的海水進(jìn)入海水凈化裝置中進(jìn)行凈化，凈化完的水流入儲水罐中供來往船只使用，未凈化的水流入海洋中。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖2 海上多功能發(fā)電裝置系統(tǒng)組成

圖3 海上多功能發(fā)電裝置系統(tǒng)原理圖

振蕩浮子式多功能海水發(fā)電裝置的第二級轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)中的作用主要是穩(wěn)向、穩(wěn)速、增速和能量傳遞。該能量轉(zhuǎn)換裝置的要求是盡可能將振蕩浮子所吸收的波浪能轉(zhuǎn)換和傳遞到后續(xù)的發(fā)電裝置中，以保證較高的轉(zhuǎn)換效率。按轉(zhuǎn)換方式的不同，能量轉(zhuǎn)換主要分為機(jī)械式、水力式和氣動式。水力式能量轉(zhuǎn)換通常采用液壓傳動裝置來完成，液壓傳動裝置相比于其他傳動裝置，具有傳遞平穩(wěn)、調(diào)速方便、維護(hù)方便、功率體積比大、能量密度高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。如今的大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置都是采用液壓裝置作為能量轉(zhuǎn)換裝置來傳遞能量，故本文中的能量轉(zhuǎn)換選用液壓缸裝置來完成。

3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 液壓缸的外形設(shè)計(jì)

將液壓缸的活塞桿與振蕩浮子相連接，當(dāng)振蕩浮子跟隨波浪上下運(yùn)動時(shí)，將帶動活塞桿在液壓缸內(nèi)完成往返運(yùn)動，將液壓缸內(nèi)的液體介質(zhì)輸送到水輪機(jī)中，推動水輪機(jī)水輪的旋轉(zhuǎn)。

考慮到后續(xù)的海水過濾，液壓缸內(nèi)的液體介質(zhì)就選用海水，在推動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)后排出到海水凈化裝置中將其過濾，以達(dá)到發(fā)電和凈化海水的雙重目的。因此，液壓缸的結(jié)構(gòu)需要特別地設(shè)計(jì)。現(xiàn)在單活塞液壓缸的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足自身需求。

當(dāng)振蕩浮子靜止在波浪上時(shí)，振蕩浮子的重力等于所受浮力，即：

綜上所述，在不計(jì)阻尼作用時(shí)，振蕩浮子在垂蕩方向上所受的作用力為：

建立如圖4所示模型，對浮子進(jìn)行受力分析。圖中，d為振蕩浮子的初始吃水深度（m）；x為波面到水平面的距離（m）；z為振蕩浮子的吃水面到水平面的距離（m）；L為浮子高（m）。

圖4 波浪中單個振蕩浮子模型

為簡化計(jì)算，設(shè)振蕩浮子的升降均是勻速運(yùn)動，則振蕩浮子的理論位移為：

式中：Z0為浮子的理論位移（m）；H為波高（m）。

如圖5所示，振蕩浮子采用圓柱體結(jié)構(gòu)，底部為實(shí)體，中部鏤空，使重心在形心之下，底部直徑為2.8 m，高2 m，吃水深度1.3 m。采用4個振蕩浮子圓周分布于漂浮平臺四周，每個振蕩浮子間距為8～10 m，且振蕩浮子不可水平移動。

圖5 振蕩浮子結(jié)構(gòu)

活塞桿的往返運(yùn)動靠著振蕩浮子所受的波浪力和自身重力的作用，在不計(jì)損耗的情況下，活塞桿上升的力等于波浪力減去自身重力，活塞桿下降的力等于自身重力減去波浪力，如式（2）。由公式（1）可以得出，振蕩浮子的質(zhì)量為8 325 kg，由公式（2）可知，振蕩浮子所受的垂直波浪力與波面到水平面的距離和吃水面到水平面的距離有關(guān)。若將波浪理想化，視為關(guān)于時(shí)間的正弦函數(shù)，則這個距離也是關(guān)于時(shí)間的正弦函數(shù)，x+z最大值取為2 m，由公式（2）算出最大垂直波浪力Fmax=126 kN，其平均值為最大垂直波浪力的0.707倍，為F=89 kN。當(dāng)活塞桿上升時(shí)，液壓缸外的壓強(qiáng)和缸內(nèi)的壓強(qiáng)形成壓力差，使海水經(jīng)過進(jìn)水口進(jìn)入液壓缸內(nèi)，在活塞桿下降時(shí)，將液壓缸內(nèi)的海水經(jīng)過出水口排到液壓馬達(dá)內(nèi)帶動葉片的轉(zhuǎn)動來發(fā)電。為了控制水流的方向和回流，進(jìn)水口和出水口均使用升降式單向閥，如圖6所示。

圖6 單向閥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 液壓缸的尺寸計(jì)算

設(shè)計(jì)液壓缸的第一步，就是先對整個工作系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，選定液壓缸系統(tǒng)的工作壓力。參照表1和表2綜合考慮，整個液壓系統(tǒng)的工作壓力在4～7 MPa，預(yù)選為p=6 MPa，其負(fù)載為水輪機(jī)和后續(xù)的海水凈化裝置。

表1 不同功率大小下液壓系統(tǒng)的工作壓力

表2 幾類機(jī)器常用的液壓系統(tǒng)工作壓力

（1）缸筒的內(nèi)徑D：

根據(jù)工作壓力的大小和浮子來選取缸筒的內(nèi)徑，在工作腔是無桿腔時(shí)，缸筒的內(nèi)徑D有：

代入數(shù)據(jù)得D=163 mm，根據(jù)表3，圓整為D=160 mm。

（2）活塞桿的外徑d：

根據(jù)活塞桿的受力狀況來選取活塞桿的外徑，在受拉力作用時(shí)，活塞桿的外徑d有：

受壓力作用，5 MPa＜p＜7 MPa時(shí)：

由公式（6）代入數(shù)據(jù)求得d=96～112 mm，根據(jù)表3，取活塞桿的外徑d=110 mm。

表3 液壓缸與活塞桿直徑標(biāo)準(zhǔn)系列（括號內(nèi)為不推薦系列） 單位：mm

（3）缸筒長度L：

缸筒長度L由工作的最大行程長度加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即：

式中：S為活塞的最大工作行程；B為活塞的寬度，一般取B=（0.6～1）D；A為活塞桿導(dǎo)向長度，取A=（0.6～1.5）D；M為活塞桿密封長度，一般根據(jù)密封方式來選取；C為其他長度；H為最小導(dǎo)向長度。

振蕩浮子的理論位移Z0=1.263 m，這也是液壓缸的理論最大工作行程，但是考慮到冬天波浪的最大波高能達(dá)到2 m，所以由公式（3）得振蕩浮子的理論最大位移為1.684 m，將此作為液壓缸的最大工作行程，即S=1.684 m。

對于一般的液壓缸，最小的導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足公式（8），代入數(shù)據(jù)求得H≥164.2 mm。

A=（0.6～1.5）D=96～240 mm，取200 mm。

B=（0.6～1）D=96～160 mm，取150 mm。

忽略活塞桿密封長度和其他長度，由公式（7）得L=2 034 mm，圓整并留一定余量，取L=2 100 mm。

綜上所述，液壓缸的主要尺寸如下：缸筒的內(nèi)徑D=160 mm，活塞桿的外徑d=110 mm，缸筒長度L=2 100 mm，如圖7所示。

圖7 液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 液壓缸的校核

液壓缸的缸筒和活塞桿是液壓系統(tǒng)中受力最為頻繁的地方，現(xiàn)對液壓缸的缸筒壁厚δ和活塞桿的直徑d進(jìn)行強(qiáng)度校核。液壓缸的缸筒和活塞桿的材料均選擇低合金鋼16MnR，為了防止海水腐蝕，材料表面重涂防腐涂層。

（1）缸筒壁厚δ的校核：

已知D=160 mm，δ=16 mm，缸筒壁厚δ按下式進(jìn)行校核：

式中：D為缸筒的內(nèi)徑；pt為缸筒的實(shí)驗(yàn)壓力，根據(jù)液壓缸的額定壓力選取，如表4所示；[σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力，一般取[σ]=σb/5，查表5得σb=510 MPa。

表4 缸筒實(shí)驗(yàn)壓力選取原則

表5 一些材料的抗拉強(qiáng)度

D/δ=10，屬于薄壁，壁厚按公式（9）進(jìn)行校核，代入數(shù)值求得δ≥7.1 mm，而已知δ=16 mm，所以缸筒壁強(qiáng)度滿足要求。

（2）活塞桿外徑d的校核：

活塞桿的外徑d按下式進(jìn)行校核：

式中：F為活塞桿所受的作用力；[σ]為活塞桿材料的許用應(yīng)力，[σ]=σb/1.4，查表5得σb=450 MPa。

由公式（10）代入數(shù)據(jù)求得d≥22.3 mm，而已知d=110 mm，所以活塞桿強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語

本文在探究國內(nèi)外波浪能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀和分析各種波浪能發(fā)電裝置優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種液壓缸，主要用于有多個振蕩浮子的海上多功能發(fā)電裝置。本文對液壓缸的主要尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，在傳統(tǒng)液壓缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對液壓缸的外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將進(jìn)水口設(shè)計(jì)在缸底并用單向閥控制水流方向，以滿足后續(xù)的海水凈化需求。