一种振荡浮子海上发电装置的液压缸设计

崔珍珍 金超

（1.奇瑞汽车股份有限公司前瞻技术研究部新能源研究科，安徽芜湖 241006；2.安徽工程大学机械工程学院，安徽芜湖 241000）

0 引言

我国是一个背陆面海的海洋大国，海洋面积为299.7万km2，海岸线全长达3.2万km，其中大陆海岸线为1.8万多km，海岛海岸线为1.4万多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]。我国的波浪能发电研究始于20世纪70年代，航空工业部623所基于水翼原理制造了波浪能发电装置。过去几十年间，在国家的大力扶持下，我国在波浪能发电领域发展迅速[2-5]，2010年海洋能专项资金设立以后，波浪能发电领域更是得到了迅猛发展，先后有十几个大学和研究所开展了对波浪能发电装置的研究[6]。

目前，大多数振荡浮子式发电装置都采用单浮子来吸收波浪能，由于浮子体积和浮子分布等问题，这种结构不能够同时吸收海面上不同位置的波浪能，是一种空间上的浪费，有着吸收波浪能不稳定、发电总功率低等缺点[7-8]。

本文采用一种基于多个振荡浮子的波浪能发电装置，该装置将多个振荡浮子同时放置在浮标平台周围海面的不同位置，因所处位置不同，在任意时刻不同振荡浮子所处的周期也不尽相同，有的处于上升周期，有的处于下降周期，很好地保证了发电装置在每一个时刻都能吸收到由振荡浮子所吸收的波浪能，大大提高了振荡浮子吸收波浪能的稳定性，提高了发电总功率和发电稳定性[9-10]。

1 波浪能发电的原理

目前，世界上的波浪能发电装置主要有振荡浮子式、点头鸭式、振荡水柱式、摆式、阀式和越浪式几种，虽然这些发电装置结构不同，各有特点，但其基本原理都差不多。这些装置将波浪能转换为电能一般都要通过三级转换：第一级转换是通过与波浪接触的浮体或摆子吸收波浪能并将其转换为浮子或摆子的动能，其完成转换的装置称为采能装置；第二级转换是将浮体或摆子的动能转换为齿轮动能、液压能或气压能，完成该转换的装置称为能量转换装置；第三级转换是将相应的机械能、液压能或气压能转换为电能。这三级是相互联系、相互影响的，原理图如图1所示。

图1 海水发电装置原理图

2 系统组成及原理

本文所设计的海上多功能发电装置系统组成如图2所示，其主要由4个振荡浮子、液压缸、水轮机、发电机、海水净化装置、蓄电池、储水箱和平台等组成。将振荡浮子置于平台四周，限制其水平移动，在垂荡方向上带动液压缸的活塞杆上下移动，并完成吸水、排水的过程，将排出的具有高动能的海水作用于水轮机，从而驱动发电机进行发电，并将电量储存于蓄电池中供来往船只使用。从水轮机中流出的海水进入海水净化装置中进行净化，净化完的水流入储水罐中供来往船只使用，未净化的水流入海洋中。系统原理图如图3所示。

图2 海上多功能发电装置系统组成

图3 海上多功能发电装置系统原理图

振荡浮子式多功能海水发电装置的第二级转换在系统中的作用主要是稳向、稳速、增速和能量传递。该能量转换装置的要求是尽可能将振荡浮子所吸收的波浪能转换和传递到后续的发电装置中，以保证较高的转换效率。按转换方式的不同，能量转换主要分为机械式、水力式和气动式。水力式能量转换通常采用液压传动装置来完成，液压传动装置相比于其他传动装置，具有传递平稳、调速方便、维护方便、功率体积比大、能量密度高和成本较低等优点。如今的大多数波浪能发电装置都是采用液压装置作为能量转换装置来传递能量，故本文中的能量转换选用液压缸装置来完成。

3 液压缸的结构设计

3.1 液压缸的外形设计

将液压缸的活塞杆与振荡浮子相连接，当振荡浮子跟随波浪上下运动时，将带动活塞杆在液压缸内完成往返运动，将液压缸内的液体介质输送到水轮机中，推动水轮机水轮的旋转。

考虑到后续的海水过滤，液压缸内的液体介质就选用海水，在推动水轮机旋转后排出到海水净化装置中将其过滤，以达到发电和净化海水的双重目的。因此，液压缸的结构需要特别地设计。现在单活塞液压缸的基础上进行设计，以满足自身需求。

当振荡浮子静止在波浪上时，振荡浮子的重力等于所受浮力，即：

综上所述，在不计阻尼作用时，振荡浮子在垂荡方向上所受的作用力为：

建立如图4所示模型，对浮子进行受力分析。图中，d为振荡浮子的初始吃水深度（m）；x为波面到水平面的距离（m）；z为振荡浮子的吃水面到水平面的距离（m）；L为浮子高（m）。

图4 波浪中单个振荡浮子模型

为简化计算，设振荡浮子的升降均是匀速运动，则振荡浮子的理论位移为：

式中：Z0为浮子的理论位移（m）；H为波高（m）。

如图5所示，振荡浮子采用圆柱体结构，底部为实体，中部镂空，使重心在形心之下，底部直径为2.8 m，高2 m，吃水深度1.3 m。采用4个振荡浮子圆周分布于漂浮平台四周，每个振荡浮子间距为8～10 m，且振荡浮子不可水平移动。

图5 振荡浮子结构

活塞杆的往返运动靠着振荡浮子所受的波浪力和自身重力的作用，在不计损耗的情况下，活塞杆上升的力等于波浪力减去自身重力，活塞杆下降的力等于自身重力减去波浪力，如式（2）。由公式（1）可以得出，振荡浮子的质量为8 325 kg，由公式（2）可知，振荡浮子所受的垂直波浪力与波面到水平面的距离和吃水面到水平面的距离有关。若将波浪理想化，视为关于时间的正弦函数，则这个距离也是关于时间的正弦函数，x+z最大值取为2 m，由公式（2）算出最大垂直波浪力Fmax=126 kN，其平均值为最大垂直波浪力的0.707倍，为F=89 kN。当活塞杆上升时，液压缸外的压强和缸内的压强形成压力差，使海水经过进水口进入液压缸内，在活塞杆下降时，将液压缸内的海水经过出水口排到液压马达内带动叶片的转动来发电。为了控制水流的方向和回流，进水口和出水口均使用升降式单向阀，如图6所示。

图6 单向阀结构示意图

3.2 液压缸的尺寸计算

设计液压缸的第一步，就是先对整个工作系统进行工况分析，选定液压缸系统的工作压力。参照表1和表2综合考虑，整个液压系统的工作压力在4～7 MPa，预选为p=6 MPa，其负载为水轮机和后续的海水净化装置。

表1 不同功率大小下液压系统的工作压力

表2 几类机器常用的液压系统工作压力

（1）缸筒的内径D：

根据工作压力的大小和浮子来选取缸筒的内径，在工作腔是无杆腔时，缸筒的内径D有：

代入数据得D=163 mm，根据表3，圆整为D=160 mm。

（2）活塞杆的外径d：

根据活塞杆的受力状况来选取活塞杆的外径，在受拉力作用时，活塞杆的外径d有：

受压力作用，5 MPa＜p＜7 MPa时：

由公式（6）代入数据求得d=96～112 mm，根据表3，取活塞杆的外径d=110 mm。

表3 液压缸与活塞杆直径标准系列（括号内为不推荐系列） 单位：mm

（3）缸筒长度L：

缸筒长度L由工作的最大行程长度加上各种结构需要来确定，即：

式中：S为活塞的最大工作行程；B为活塞的宽度，一般取B=（0.6～1）D；A为活塞杆导向长度，取A=（0.6～1.5）D；M为活塞杆密封长度，一般根据密封方式来选取；C为其他长度；H为最小导向长度。

振荡浮子的理论位移Z0=1.263 m，这也是液压缸的理论最大工作行程，但是考虑到冬天波浪的最大波高能达到2 m，所以由公式（3）得振荡浮子的理论最大位移为1.684 m，将此作为液压缸的最大工作行程，即S=1.684 m。

对于一般的液压缸，最小的导向长度H应满足公式（8），代入数据求得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。

忽略活塞杆密封长度和其他长度，由公式（7）得L=2 034 mm，圆整并留一定余量，取L=2 100 mm。

综上所述，液压缸的主要尺寸如下：缸筒的内径D=160 mm，活塞杆的外径d=110 mm，缸筒长度L=2 100 mm，如图7所示。

图7 液压缸结构示意图

3.3 液压缸的校核

液压缸的缸筒和活塞杆是液压系统中受力最为频繁的地方，现对液压缸的缸筒壁厚δ和活塞杆的直径d进行强度校核。液压缸的缸筒和活塞杆的材料均选择低合金钢16MnR，为了防止海水腐蚀，材料表面重涂防腐涂层。

（1）缸筒壁厚δ的校核：

已知D=160 mm，δ=16 mm，缸筒壁厚δ按下式进行校核：

式中：D为缸筒的内径；pt为缸筒的实验压力，根据液压缸的额定压力选取，如表4所示；[σ]为缸筒材料的许用应力，一般取[σ]=σb/5，查表5得σb=510 MPa。

表4 缸筒实验压力选取原则

表5 一些材料的抗拉强度

D/δ=10，属于薄壁，壁厚按公式（9）进行校核，代入数值求得δ≥7.1 mm，而已知δ=16 mm，所以缸筒壁强度满足要求。

（2）活塞杆外径d的校核：

活塞杆的外径d按下式进行校核：

式中：F为活塞杆所受的作用力；[σ]为活塞杆材料的许用应力，[σ]=σb/1.4，查表5得σb=450 MPa。

由公式（10）代入数据求得d≥22.3 mm，而已知d=110 mm，所以活塞杆强度满足要求。

4 结语

本文在探究国内外波浪能发电装置研究现状和分析各种波浪能发电装置优缺点的基础上，设计了一种液压缸，主要用于有多个振荡浮子的海上多功能发电装置。本文对液压缸的主要尺寸进行了设计和校核，在传统液压缸结构的基础上对液压缸的外形进行了设计，将进水口设计在缸底并用单向阀控制水流方向，以满足后续的海水净化需求。