内置偏心转子式波浪能发电装置的动力学研究

薛 钢，刘延俊，薛祎凡，刘大辉

内置偏心转子式波浪能发电装置的动力学研究

薛 钢1, 2，刘延俊1, 2，薛祎凡1，刘大辉3

(1. 山东大学海洋研究院，青岛 266237；2. 山东大学机械工程学院，济南 250061；3. 中集海洋工程研究院有限公司，烟台 264670)

内置偏心转子式波浪能发电装置是一种新型的波浪能发电系统，采用全封闭式结构，具有可靠性高、使用寿命长等特点．本文提出了内置偏心转子式波浪能发电装置的海况自适应能量输出方案，能够根据海况特点自适应地调整偏心转子的偏心距，从而提高能量输出效率和稳定性．针对波浪能发电装置的整体水动力学特性和内部偏心转子的机构动力学特性，建立了一种基于ABAQUS-XFlow联合仿真的动力学耦合分析方法，研究了偏心转子质量、摩擦系数、波浪参数等因素对偏心转子动力学特性的影响，并利用原理样机实验分析了随机波浪激励下偏心转子的动力学特性．其中，偏心转子的运动性能间接反映了波浪能发电系统的功率输出特性．结果表明：偏心转子质量是影响动力学特性的敏感因素，对其运动特征的影响呈现出非单调性规律；而偏心转子的运动对偏心转子与中心轴之间的摩擦系数的敏感度较低，且摩擦系数对偏心转子运动特征的影响呈现出单调性规律；波浪能发电装置受到随机波浪激励后，在垂荡和纵摇方向的运动幅值较大，在其他方向上的运动幅值相对较小，偏心转子有较大概率保持沿单一方向转动，且转动较为平稳，预期能够稳定捕获波浪能．相关研究结论对内置偏心转子式波浪能发电装置的研发具有重要的借鉴意义．

偏心转子；波浪能发电装置；动力学；耦合分析

海洋中蕴藏着大量清洁可再生能源，具有重要的开发价值[1]．波浪能是海洋可再生能源的一种，具有储量大、分布范围广等特点，受到学者的广泛关注[2].据统计，全球波浪能的储量为1～10TW，可开发量巨大[3]．

为合理开发波浪能，学者研究了形式各样的波浪能发电装置(wave energy converter，WEC)，如振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等[4-5]．盛松伟等[6]研制了一种鹰式大型漂浮式波浪能发电装置，在设计波况下系统总效率可达20%以上．Xie等[7]提出了一种基于空间双X形机构的振荡浮子式波浪能发电装置，实现了应用于跨海大桥的传感器的自供电．Zhang等[8]提出了一种采用双作用液压缸的倒立摆式波浪能发电装置，并实验验证了设计的合理性．

可靠性是波浪能发电装置的重要考核指标. Hinck[9]最早提出了采用全封闭结构的内置偏心转子式波浪能发电装置，将能量转换单元与海水完全隔离，避免运动部件受到海水腐蚀，具有可靠性高、使用寿命长等特点，备受关注．基于此，Chen等[10]分析了浮体运动阻尼和发电机阻尼对内置偏心转子式波浪能发电装置发电性能的影响，Yurchenko等[11]提出了一种基于参数摆的新型波浪能发电装置，能够改善小幅值、低频率海况下的发电性能．本文的研究对象即为内置偏心转子式波浪能发电装置．

波浪能发电装置的动力学研究是分析能量转换过程、掌握发电规律、优化控制策略的关键．王冬姣等[12]研究了含惯性摆波浪能发电装置的浮标的动力学响应，分析了负载阻尼系数对浮标运动及波浪能转换效率的影响．Wei等[13]将光滑粒子流体动力学模型应用于摆式波浪能发电装置的水动力学分析和锚泊系统的动力学分析，发现将装置的固有频率设计为当地波浪频率，能够提高能量输出效果．Arzaghi等[14]基于点吸收式波浪能发电装置的流体动力学分析结果，构造了马尔可夫链模型，估计输出功率的稳态分布，实现了对波浪能发电装置发电功率的长期准确预测．Zhan等[15]提出了一种适用于波浪能发电装置的自适应分层模型预测控制策略，能够解决由于海况变化而引起的动力学建模的不准确性问题．

目前，进行波浪能发电装置的动力学研究时，一般先计算漂浮式结构物的水动力学响应，再将水动力学响应施加于能量转换系统，从而获得能够输出的电能数据．但是，漂浮式结构物的水动力学与能量转换系统的机构动力学存在耦合关系，现有的研究思路无法获得水动力学与机构动力学的耦合特性，导致动力学分析结果不精确．特别是研发新型内置偏心转子式波浪能发电装置时，掌握其动力学特性至关重要．

本文首先介绍了内置偏心转子式波浪能发电装置的结构及工作原理，然后提出了一种基于ABAQUS软件和XFlow软件的动力学耦合分析新方法，最后分析了偏心转子质量、摩擦系数、波浪参数等因素对偏心转子运动特性的影响，并利用原理样机模型开展了相关实验．其中，本文的主要创新性为提出了海况自适应液压PTO方案，建立了动力学耦合分析方法，能够同步开展内置偏心转子式波浪能发电装置的水动力学分析和机构动力学分析，提高了动力学分析结果的精度，有利于新型内置偏心转子式波浪能发电装置的研发及性能评估．

1 结构及工作原理

1.1 机械结构

内置偏心转子式波浪能发电装置的机械结构如图1所示．

图1 内置偏心转子式波浪能发电装置的机械结构

上壳体和下壳体形成封闭的内部空间，将安装于内部的机械元件与外部海水完全隔离，能够有效避免机械元件受到海水腐蚀．液压能量输出系统(power-take-off，PTO)固定在支架和下壳体构成的框架结构内部，并尽量降低液压PTO的安装高度，从而降低波浪能发电装置的重心．偏心转子为捕能元件，可以利用液压缸主动调节偏心转子的偏心距，以适应不同海况条件．在波浪激励作用下，偏心转子驱动中心轴旋转，中心轴获得的转速经过增速箱增速后，输入到液压PTO．

1.2 液压能量输出系统

内置偏心转子式波浪能发电装置的液压能量输出系统如图2所示．

1—油箱；2—过滤器；3—普通单向阀；4—双向液压泵；5—增速箱；6—带弹簧的单向阀；7—压力表；8—蓄能器；9—可变节流阀；10—液压马达；11—发电机；12—流量计；13—溢流阀；14—带弹簧的液压缸；15—偏心转子

增速箱的输出轴驱动双向液压泵旋转，为液压PTO提供动力输入．在双向液压泵的吸油口使用普通单向阀，减少吸油口处的压力损失．在双向液压泵的排油口使用带弹簧的单向阀，确保阀芯能够快速复位．可变节流阀能够调节进入液压马达的液压油的流量，溢流阀能够控制液压PTO的最大工作压力.蓄能器起到削峰填谷的作用，使作用于液压马达的液压油保持压力平稳．带弹簧的液压缸能够根据液压系统的压力，自适应调节偏心转子的偏心距．

1.3 海况自适应发电原理

受波浪的激励，内置偏心转子式波浪能发电装置发生晃动，使得偏心转子的重心位置偏离重力势能最低点．在重力的作用下，偏心转子向重力势能最低点运动，从而带动中心轴转动．增速箱能够提升中心轴的转动速度，并驱动液压泵转动．

中心轴既可以沿顺时针方向旋转，也可以沿逆时针方向旋转，因此，液压泵既可以正向旋转，也可以反向旋转．液压泵输出的高压液压油进入液压马达，使液压马达驱动发电机发电．

当波浪较大时，中心轴的旋转速度较快，使得液压泵的旋转速度也较快，液压泵输出液压油的流量较大，在不改变可变节流阀的节流面积的条件下，可变节流阀入口处的压力较大，从而使进入液压缸有杆腔的液压油压力增大，高压液压油使弹簧压缩，驱动液压缸的活塞杆回缩，从而减小了偏心转子的偏心距，进而能够降低中心轴受波浪激励后的旋转速度．

当波浪较小时，中心轴的旋转速度较慢，使得液压泵的旋转速度也较慢，液压泵输出液压油的流量较小，在不改变可变节流阀的节流面积的条件下，可变节流阀入口处的压力较小，从而使进入液压缸有杆腔的液压油压力减小，在弹簧力的作用下，使液压缸的活塞杆伸出，从而增大了偏心转子的偏心距，进而能够提高中心轴受波浪激励后的旋转速度．

此外，通过调节可变节流阀的节流面积，能够获得不同的液压传动性能．

因此，内置偏心转子式波浪能发电装置能够根据波浪状况自动调节偏心转子的偏心距，适应复杂多变的海况条件，有效提高发电效率和发电稳定性．

2 联合仿真模型

2.1 ABAQUS的参数设置

为便于数值模拟分析，对内置偏心转子式波浪能发电装置的模型进行简化，如图3所示．

图3 几何模型简化

将上壳体和下壳体合并为壳体，将壳体、中心轴、偏心转子分别导入到ABAQUS软件，并在ABAQUS软件中绘制系泊缆模型．对各零件分别进行网格划分，将各零件的网格模型组合为装配体，设置壳体与流场域的流固耦合交界面以及偏心转子与中心轴之间的摩擦接触条件．

仿真模型中各零件的参数设置和初步划分的网格单元数量如表1所示．

表1 几何模型的参数设置

Tab.1 Parameter setting of geometric model

按照最大时间步长不大于最小网格尺寸与最大运动速度之间比值的原则，同时考虑计算成本，设置时间步长为0.0002s，并导出几何模型的.stl格式文件和仿真模型的.inp格式文件．

2.2 XFlow的参数设置

XFlow采用了基于粒子法的格子波尔兹曼技术，不需要对流场域进行网格划分．在XFlow中，采用线性波模型，流场域环境变量和波浪参数的设置如表2所示．

表2 流场域环境变量和波浪参数

Tab.2 Environmental variables and wave parameters of flow field

将ABAQUS中导出的几何模型的.stl格式文件导入XFlow，设置Structural coupling为two way，设置时间步长为0.0002s，进行双向耦合分析．

2.3 建立耦合模型

首先运行XFlow，实现流场域的初始化；然后采用命令行方式运行ABAQUS，实现机构动力学分析的初始化；使用相同的仿真时间和时间步长，实现ABAQUS和XFlow的同步迭代求解；最后定义数据传输接口，ABAQUS向XFlow传递机构动力学参数，XFlow向ABAQUS传递水动力学激励参数，实现ABAQUS与XFlow的联合仿真，如图4所示．

联合仿真为瞬态模拟过程，设置总模拟时间为5s，达到设定的模拟时间后，仿真过程停止．

在ABAQUS中设置不同的全局种子间距，分别获得网格单元总数为12455、15248、22695、36109、43989的网格模型．在ABAQUS-XFlow联合仿真模型中，设置入射波速度为1m/s、波高为0.2m、波浪频率为0.25Hz、偏心转子的密度为1000kg/m3、偏心转子与中心轴之间的摩擦系数为0.1，进行网格无关性验证．不同网格模型条件下偏心转子转角的时历曲线如图5所示．

图4 ABAQUS与XFlow的联合仿真

图5 网格质量对转动角度的影响

当网格单元总数分别为12455、15248和22695时，偏心转子转角的时历曲线变化规律有较大差别.而当网格单元总数分别为22695、36109和43989时，偏心转子转角的时历曲线变化规律相近．说明网格单元总数超过22695后，继续加密网格对数值模拟结果的影响较小．因此，为确保较高的数值模拟精度，选取网格单元总数为36109的网格模型，各零件的网格单元数量参见表1．

3 结果与讨论

3.1 偏心转子质量的影响

在XFlow中，设置入射波速度为1m/s，波高为0.2m，波浪频率为0.25Hz．在ABAQUS中，设置偏心转子与中心轴之间的摩擦系数为0.1．为便于分析偏心转子质量对其运动特性的影响，在保持体积不变的情况下，分别设置偏心转子的密度为800kg/m3、1200kg/m3、2000kg/m3、4000kg/m3，对应的偏心转子质量分别为3.83kg、5.74kg、9.57kg、19.13kg，分析不同偏心转子质量对其运动性能的影响，如图6和图7所示．在工程实践中，可以通过不同材料的组合，调配出对应的材料密度．

图6 偏心转子质量对转动角度的影响

图7 偏心转子质量对转动速度的影响

图6和图7中，转角和转动速度的正值表明偏心转子沿顺时针方向旋转，负值表明偏心转子沿逆时针方向旋转．偏心转子的转角越大、转动速度越快，说明波浪能发电系统的功率输出特性越好．

3.2 摩擦系数的影响

偏心转子处的机械摩擦、液压传动系统的阻尼、发电机的输出负载等均是影响波浪能捕获效率的重要因素．为便于数值模拟研究，将上述因素统一转化为偏心转子处的摩擦力．

在XFlow中，设置入射波速度为1m/s，波高为0.2m，波浪频率为0.25Hz．在ABAQUS中，设置偏心转子的密度为1000kg/m3，对应的质量为4.78kg．同时，分别设置偏心转子与中心轴之间的摩擦系数为0.05、0.10、0.15、0.20，分析不同摩擦系数对偏心转子运动性能的影响，如图8和图9所示．

图8 摩擦系数对转动角度的影响

图9 摩擦系数对转动速度的影响

3.3 波浪参数的影响

在ABAQUS中，设置偏心转子与中心轴之间的摩擦系数为0.1，设置偏心转子的密度为1000kg/m3，对应的质量为4.78kg．在XFlow中，设置入射波速度为0.5m/s，设置不同的波高和频率fr，分析波浪参数对偏心转子运动性能的影响，如图10和图11所示．

图10 波浪参数对转动角度的影响

图11 波浪参数对转动速度的影响

在相同的摩擦系数和偏心转子质量条件下，波浪参数对偏心转子运动特性的影响规律呈现出一定的复杂性．保持波高恒定，逐渐加大波浪频率，偏心转子转动角度的上限值先增大，后减小；而下限值有减小的趋势；但总幅值有逐渐增大的趋势．偏心转子的转动速度也有相似的变化规律．保持波浪频率恒定，增大波高，偏心转子转动角度的上限值和下限值均有增大的趋势，但偏心转子的转动速度幅值变化不明显．此外，波高0.50m、频率0.5Hz和波高0.75m、频率0.1Hz两种波浪状况下，单位波前宽度上的波浪能功率不同，但能够获得相似的偏心转子运动特性．

4 原理样机实验

为进一步探索内置偏心转子式波浪能发电装置的偏心转子动力学特性，建立了其原理实验模型，如图12所示．

图12 内置偏心转子式波浪能发电装置的原理实验模型

与ABAQUS-XFlow联合仿真中的简化模型相似，按照1∶5的缩小比例，采用相同的封闭式壳体结构将捕能机构与流体介质隔离．捕能机构的偏心转子与中心轴固定连接，中心轴又通过联轴器与编码器的输入轴固定连接．因此，编码器能够记录偏心转子的转动角度．同时，将姿态传感器和数据采集卡固定在波浪能发电装置壳体内部，从而能够在线记录波浪能发电装置的姿态数据和偏心转子的运动特性．

所选用的数据采集卡的采样频率为10Hz，编码器与姿态传感器的性能如表3所示．

表3 编码器与姿态传感器的性能参数

Tab.3 Performance parameters of encoder and attitude sensor

与ABAQUS-XFlow联合仿真中的简化模型不同，受实验条件限制，中心轴转动时的摩擦系数未能定量测量，造波器也无法精确模拟XFlow中的线性波模型，所产生的波浪激励条件存在较大的随机性，因而实验数据仅可用于定性分析偏心转子的运动特性．

图13 波浪能发电装置沿着x轴、y轴、z轴加速度

图14 波浪能发电装置沿着x轴、y轴、z轴角加速度

图15 偏心转子的运动情况

5 结 语

本文介绍了一种内置偏心转子式波浪能发电装置，提出了海况自适应液压PTO方案，能够根据海况特点自适应调节偏心转子的偏心距，维持较高的能量捕获效率．建立了适用于内置偏心转子式波浪能发电装置的ABAQUS-XFlow联合仿真模型，能够同步开展水动力学分析和机构动力学分析，提高了动力学分析结果的精度．

通过数值模拟和实验分析发现：偏心转子的质量对其运动特性的影响呈现出非单调性规律，是影响运动特性的敏感因素；偏心转子与中心轴之间的摩擦系数对偏心转子运动特性的影响呈现出单调性规律，但偏心转子的运动特性对偏心转子与中心轴之间的摩擦系数的敏感度较低；波浪能发电装置受到随机波浪激励后，在垂荡和纵摇方向的运动幅值较大，在其他方向上的运动幅值相对较小；偏心转子有较大概率保持沿单一方向转动；偏心转子转动较为平稳，能够稳定地捕获波浪能．

本文为波浪能发电装置的水动力学和机构动力学耦合分析提供了新方法，也为提高波浪能发电装置的海况自适应发电能力提供了新思路．

受数值模拟方法和所研制的波浪能发电装置原理样机功能的限制，无法直接获得发电装置的输出功率特性，仅能够利用偏心转子的运动特性间接反映输出功率特性．在未来的研究工作中，将研制具有海况自适应液压PTO的内置偏心转子式波浪能发电装置，利用实验分析输出功率特性，并验证其海况自适应发电能力．

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Dynamic Study of the Wave Energy Converter with Inner Eccentric Rotor

Xue Gang1, 2，Liu Yanjun1, 2，Xue Yifan1，Liu Dahui3

(1. Institute of Marine Science and Technology，Shandong University，Qingdao 266237，China；2. School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3. CIMC Offshore Engineering Institute Co.，Ltd.，Yantai 264670，China)

The novel wave energy converter with an inner eccentric rotor is a totally enclosed structure，which is characterized by high reliability and long working life. The wave-condition-adaptive power-take-off scheme is proposed for the wave energy converter with the inner eccentric rotor. The scheme will change the eccentric distance adaptively according to the wave conditions and improve the energy output efficiency and stability. The research on the dynamics of wave energy converter with inner eccentric rotor involves two aspects，namely，the hydrodynamics of the entire equipment and the mechanism dynamics of the inner eccentric rotor. A coupling analysis method for hydrodynamics and mechanism dynamics based on ABAQUS and XFlow joint simulation model is established. The factors that influence the motion characteristics of the eccentric rotor，such as eccentric rotor mass，friction coefficient，and wave parameters，are analyzed. Moreover，the motion characteristics of the eccentric rotor under random wave conditions are experimentally analyzed using the principle prototype. The motion characteristics of the eccentric rotor could reflect the power output characteristics indirectly. Notably，the eccentric rotor mass is a sensitive factor that affects the motion characteristics of the eccentric rotor，and its influence is nonmonotonic. The motion characteristics of the eccentric rotor are less sensitive to the friction coefficient between the eccentric rotor and the central shaft，and the influence of the friction coefficient is monotonic. When excited by a random wave，the wave energy converter obtains a larger motion amplitude in the heaving and pitching directions than that in other directions. The eccentric rotor has a greater probability of keeping rotating in a single direction，and the rotational motion of eccentric rotor is relatively stable. Thus，the eccentric rotor can stably capture wave energy. This paper can be an important reference for developing the wave energy converter with the inner eccentric rotor.

eccentric rotor；wave energy converter；dynamics；coupling analysis

10.11784/tdxbz202010018

TK79

A

0493-2137(2022)02-0191-08

2020-10-12；

2021-01-04.

薛 钢（1990—  ），男，博士，副研究员，xuegangzb@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

刘延俊，lyj111ky@163.com.

国家重点研发计划资助项目(2017YFE0115000，2016YFE0205700)；国家自然科学基金资助项目(U1706230).

the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFE0115000，No.2016YFE0205700)，the National Natural Science Foundation of China(No.U1706230).

(责任编辑：王晓燕)