波浪能转化液压系统动态特性及能量转化的研究

2019-06-17

液压与气动 2019年6期

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州 310027； 3. 上智大学理工学部，日本东京 102-8554)

引言

液压传动由于其柔性传输、蓄能稳压、扭矩大等特点，与波浪能推力大频率低等特点相适应，可有效解决波浪能的转化和稳定，从而在波浪能发电装置中得到应用。目前浮体式液压波浪能发电技术发展很快，成为国内外的研究热点。

针对液压系统波浪能转化的特性，国内外研究者进行了一些模拟与实验研究。HENDERSON[1]对Pelamis进行了全尺寸试验研究，实验测量的液压缸两腔的压力为不规则矩形波，假设线性机械阻尼，对液压缸压力进行了模拟，与实验结果比较吻合。LASA等[2]通过转动运动近似波浪力驱动液压缸,对装置的性能进行了实验研究和建模仿真。JOSSET等[3]对SEAREV波浪能捕获液压系统进行了分析，研究了转化电功率、液压缸流速和蓄能器压力变化，结果表明蓄能器压力和输入流速高频瞬变，当功率摄取阻尼力矩大于波浪力矩，浮体停止转动不吸收波浪能。PLUMMER等[4]模拟研究了规则波作用垂荡浮体的运动及功率输出性能。姚静等[5]采用比例方向阀控制功率输入，对正弦信号输入条件下液压缸波浪能转化装置的蓄能器输出压力进行了实验研究。针对漂浮鹰式波浪能装置的液压蓄能系，张亚群等[6]仿真模拟蓄能器设计参数对蓄能量的影响，结果表明蓄能器容积量一定的情况下，工作压力越大，且最高与最低工作压力的差越大，最低工作压力与预充压力之间差值越小时，蓄能器的蓄能量越大。鲍经纬等[7]对摆式波浪能发电液压装置进行了半物理试验研究，结果表明电机输出功率出现阶跃，高压侧压力与装置输出功率变化趋势一致。黄英珂等[8]利用AMESim仿真软件对波浪能发电装置的闭式液压换能系统进行建模和仿真,研究了蓄能器参数对系统压力和流量的影响。

本研究对浮体式液压波浪能转化系统特性及能量转化进行了仿真研究，在不规则波浪力的作用下，研究了不规则波浪作用圆柱浮体的激励力、活塞的位移和速度、液压缸输出压力、蓄能器气体压力和体积随时间的变化、马达转速和输出功率，分析了系统的动态特性和能量转化规律。

1 波浪能转化液压系统模型

图1所示波浪能转化液压系统模型示意图, 系统通过浮体的上下振荡作用激励液压缸, 将波浪能转化成液压能，经阀组的调节和蓄能器的储能，通过马达驱动发电机转换成电能。补油回路补充系统的泄漏和维持系统的低压。

图1 波浪能转化液压系统示意图

2 数学模型

2.1 浮体运动模型

浮体上下垂荡的运动方程为：

(1)

式中，m—— 浮体的质量

Fw—— 波浪对浮体的作用力

Ff—— 液压缸壁面与活塞之间的摩擦力

Fr—— 液压缸两腔压差对浮体的反作用力，液压缸活塞与浮体刚性连接

Fr=ΔpcAc

(2)

式中， Δpc—— 液压缸两端压差

Ac—— 液压缸活塞有效工作面积

浮体受波浪作用力为：

Fw(t)=Fhys(t)+Fhyd(t)

(3)

(4)

(5)

式中，Fhys—— 浮体受静压力

Fhyd—— 浮体受动压力

s—— 浮体的湿表面

p—— 静压力

ρ—— 海水密度

φ—— 流场中的速度势

φi,φd—— 分别是绕射势和辐射势

n—— 广义表面法向量

2.2 阀的压力流量模型

(6)

式中,q—— 阀的流量

Cd—— 流量系数

A—— 阀口通流截面积

ρ—— 液压油的密度

Δp—— 阀口两端的压差

2.3 蓄能器模型

蓄能器采用充气式蓄能器，假设蓄能和释放过程中气体绝热压缩, 气体的状态方程为：

(7)

式中，p0,V0—— 分别为气体初始压力和初始体积

p,V—— 分别为蓄能和释放过程中气体瞬时压力和体积

2.4 马达的模型

马达力矩平衡方程为：

(8)

式中,J—— 马达轴系的转动惯量

Dm—— 马达排量

Δp—— 马达进出口压差

ηm—— 马达机械效率

Tg—— 发电机转矩

马达的排量、转速和流量方程：

(9)

式中，qm—— 马达流量

ωm—— 马达转速

ηv—— 马达容积效率

马达转矩和输出功率：

(10)

pm=Tmωm

(11)

式中,Tm—— 马达转矩

Δpm—— 马达进出口压差

ηm—— 马达机械效率

pm—— 马达输出机械功率

3 模拟结果及分析

不规则波作用在圆柱浮体上，波浪有效波高为1.75 m，能量周期为5.5 s，圆柱半径为3 m, 入水深度为4 m，浮体上下振荡，作用在浮体上的垂荡波浪力如图2所示，瞬时波浪激励力的最大幅值为153.608 kN, 波浪激励力幅值的平均值为44.489 kN。图3所示液压缸出口压力随时间的变化，最高压力8.8106 MPa，最低压力为0.989 MPa。可见液压缸输出力为大小变化的方波形式。随波浪力的变化，活塞受波浪力作用运动到最大行程的时候，液压缸出口压力经历快速瞬变过程，由最大值突变到最小值，并且反向运动。

图2 波浪作用圆柱垂荡激励力随时间的变化

图4所示蓄能器气体压力随时间的变化，最高压力为8.8411 MPa，最低压力为 5.8906 MPa。由图4和图3可以得出，蓄能器压力变化趋势和频率与液压缸出口压力方波大小的变化趋势一致。图5所示蓄能器气体体积随时间的变化，最大气体体积177.9 L, 最小气体体积133.1 L, 在0～12 s之间，蓄能器压力降低，气体膨胀体积增大，蓄能器释放能量，在12～25 s之间，蓄能器压力升高，气体压缩体积减小，蓄能器储存能量。在150 s之内，蓄能器进行4次释放能量，3次存储能量。

图3 液压缸压力随时间的变化

图4 蓄能器气体压力随时间的变化

图5 蓄能器气体体积随时间的变化

图6所示马达转速随时间的变化，马达转速的平均值为604 r/min。图7所示马达输出功率随时间的变化，马达输出功率的平均值为10.231 kW。马达输出功率与马达转速的变化趋势和频率是一致的，比较波浪激励力和功率输出，在60～100 s的一段时间内，由于激励力的幅值相对比较小，液压缸位移比较小，中间出现了停滞，蓄能器处于膨胀释放能量的阶段，压力逐渐下降，因此输出功率和转速降低。浮体捕获功率的平均值为12.262 kW，考虑系统中液压缸和马达的摩擦泄漏损失，液压系统转化效率为83.4%。