CN112298478A - 一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，包括水轮发电机和深海半潜式养殖平台。水轮机与养殖平台浮管通过两根固定吊杆进行连接，水轮机轮毂两端与固定吊杆刚性连接，轮毂两端均增加整流帽以降低对流体阻尼。固定吊杆与浮管通过螺栓将吊杆固定于突起固定板以实现连接。浮管内部注水后，浮架水平浮管内的水随波浪运动通过竖直浮管而产生往复晃荡运动，水轮发电机的叶片在水流载荷作用下旋转，带动齿轮传动，即达到发电机需要的转速。另外养殖平台圆柱形浮管为水轮机提供了天然导流罩，增大了水轮发电机叶片转动力矩，同时提高了海洋空间利用效率，降低了外部因素对发电系统的损害。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程和水产养殖工程技术领域，尤其涉及一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置。
背景技术
海水养殖是人类获取优质蛋白的重要途径，然而浅海养殖造成了严重的环境污染，导致水产品质量下降。利用深海优质海水资源进行水产养殖，是我国提高水产品质量、满足消费者需求、增强出口能力的重要途径。
深海半潜式养殖平台(请见图1)作为一种先进的海上水产养殖装备，为开发利用深蓝渔业资源提供了重要支撑。深远海渔业养殖设计鱼饲料处理系统、死鱼回收系统、活鱼捕捞输送系统、鱼群状态实时监控系统、海洋环境监测与调节系统、集成自动化控制系统等设备，均需要大量电能来实现无人值守管理。电力供应是限制海洋渔业养殖向深远海发展的主要瓶颈问题，开发波浪能与深海半潜式养殖平台的集成系统，具有极大的潜力和实际应用价值。
目前已有研究者提出了多种将发电装置应用于水产养殖装置的设计方案。例如：有人提出将海上风机与贝类养殖装置相结合，通过利用海洋天然的海风资源，将风能转化为电能，为贝类养殖装置提供所需电力。但此技术浪费了大量海洋空间，同时海上风机过于昂贵，且安装与运输过程繁杂，经济性不高；也有研究人员提出，在筏式养殖装置底部安装水轮机，利用水轮机将波流能转化为电能为养殖装置发电。此技术不能够很好的把握波流流动方向，需要人为操控致使水轮机转向，过程繁琐且浪费人力资源，并且水轮机暴露在外，容易受到外部环境损害。因此，上述方案通用性较弱，本技术解决了上述两项研究的缺点，展现了较强的实用性。
发明内容
针对以上现有的技术不足，本发明提出了水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，通过将两台水轮机置于养殖平台浮管的内部，浮管内部注水后即可实现晃荡带动水轮机转动，进而发电。这种集成结构的应用显著降低了外部环境对于水轮机结构的损害。浮管的导流罩作用也显著增加了波浪能向动能乃至电能的转化率。
本发明的技术方案：
一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，主要由两台水轮发电机4与深海半潜式养殖平台组合而成；所述水轮发电机4为水平轴式水轮发电机；所述深海半潜式养殖平台主要由方形浮架1、网衣2、压舱块7和吊绳 6组成，每台水轮发电机4与深海半潜式养殖平台通过两根固定吊杆9进行连接；
固定吊杆9一端直接与轮毂11刚性连接，另一端设有螺栓孔，固定吊杆9 通过螺栓13与水平浮管3内表面的两个突起固定板12实现连接；
浮架主要由水平浮管3、竖直浮管5和方形浮架组成；四个竖直浮管5与四个水平浮管3对应相连形成底部框架，方形浮架1安装底部框架上；水轮发电机4安装在方形浮架1的水平浮管3内，水平浮管3内注入海水，四个竖直浮管5与四个水平浮管3相通，水位可达到竖直浮管5，当整个浮架在海浪的作用下产生运动时，浮管内的水就会通过竖直浮管5实现往复晃荡运动，从而带动水轮发电机4的叶片转动，进行发电，为整个半潜式养殖平台系统提供电能；
深海半潜式养殖平台系统工作方式为：网衣2由浮架支撑并由压舱块7通过吊绳6固定于底部框架下方，提高了网箱抗风浪能力并增大了养殖装置的空间利用率；同时，压舱块7可防止网箱在潮流和网内鱼群的作用下大幅度运动，避免系统结构损坏；养殖系统的电力供应全部由水轮发电机来承担。
所述的水轮发电机4包括4个叶片、齿轮变速箱、调速机构、发电机(内置于轮毂11)；叶轮的输出端通过主轴和齿轮变速箱的输入端相连，以增大转速，齿轮变速箱的输出端经调速机构使输出的速度均匀，调速机构与发电机相连。
所述水轮发电机叶片个数应为四个。由于浮管直径与流速有限，叶片过少难以达到水轮机转动所需力矩；叶片过多会阻碍流体流动速度，同样降低波浪能-动能转换率。
所述固定吊杆9固定吊杆为2根或4根平均分布于两端轮毂11，过少不足以支撑水轮机重量，过多浪费资源且增大流体流动阻力；固定吊杆9在突出固定板12以下采用长方体、圆柱体结构，圆柱形结构表面圆滑，对于流体阻尼作用相对较小。
所述两台水轮发电机4分别位于浮架底部两侧水平浮管3中心位置，水轮发电机4距离过近会增大两者间相互作用，降低转化效率。
所述轮毂11两端均采用整流帽设计。整流帽亦为圆滑结构，同样可以降低阻尼提高波浪能。
平均水位至少高于水轮机顶端叶梢处。流体质量可以增大流体总动能，进而为水轮机增加转动力矩，水位高度可到达数值浮管。
本发明的有益效果：
(1)本发明将水轮发电机和深海半潜式养殖平台集成使用，通过将水轮机至于养殖平台内部，提升了海洋空间的利用效率，同时降低了水轮机对外围流场与鱼群的干扰。
(2)本发明采用水平轴式水轮发电机，将其置于浮管内部，浮管有效的充当的导流罩的作用，迫使流向沿垂直于水平轴式水轮机盘面方向流动，增加了流体动能利用率。
(3)本发明将海洋环境对养殖平台带来的不稳定性转化为了电能，反过来浮管内流体存在增大了结构重量，增加了平台稳定性，水轮机的存在又降低了浮管内部流体的晃荡响应，再次提高了结构的稳定性；养殖人员还可根据海况条件，设置不同浮管水位以应对不同的海况。
(4)固定吊杆安装与浮管内部，所需长度较短，节省了加工材料。
附图说明
图1是联合系统效果示意图。
图2是水轮机模型。
图3是水轮机、吊杆与浮架作用效果图。
图4是吊杆与浮架连接细节。
图5是水轮机周围混合网格截面图。
图6是水轮机非结构面网格示意图。
图7是浮架晃荡速度云图。
图8是水轮机周围压力与速度云图。
图9是水轮机页片压力与速度云图。
图10是水轮机所处水平浮管速度分布曲线。
图中：1方形浮架；2网衣；3水平浮管；4水轮发电机；5竖直浮管；6吊绳；7压舱块；8叶片；9固定吊杆；10整流帽；11轮毂11；12固定板；13螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-10所示，采用本发明实现一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，具体过程如下：
图1-4为结构模型设置图：如图1所示，建立了两台水轮发电机与半潜式养殖平台的集成模型，浮架1由若干骨架与浮管组装而成，为整个集成系统提供支撑与浮力，网衣2围绕浮架一周，底部通过吊绳6与压舱块7连接，增大了养殖空间；如图2所示，为四叶片水轮机模型；如图3、4所示，展示了水轮机、浮管与固定吊杆作用效果和连接细节，水轮发电机4通过固定吊杆9与水平浮管3内突出固定板12相连，三者通过螺栓13实现连接固定。当养殖平台整体随波流运动时，浮管内水流即可通过竖直浮管5实现晃荡运动。
所述水轮发电机4的轮毂11两端均设有整流帽10以降低对流体运动的阻力；所述固定吊杆9一端与轮毂11刚性连接，另一端设有螺栓孔；所述突起固定板12为水平浮管3一部分，每块固定板均设有螺栓孔，通过螺栓13实现固定板与吊杆连接；所述固定吊杆9仅一端设有螺栓孔。
本技术采用开源软件OpenFOAM实现晃荡与水轮机转动数值模拟，动网格的更新方法主要分为动态分层动网格、局部网格重组法和滑移表面(slidingmesh) 三种，本技术针对旋转域采用滑移表面的方法，具体实现方法为：通过在设定 AMI(Arbitrary MeshInterface)交界面完成计算域数据交换，具体数学模型简要介绍如下：
A.流场计算模型
A1.控制方程
半潜式养殖平台(请见图1)底部水平浮管和四周四个数值浮管为中空结构，内部注水后液体进行晃荡计算。采用有限体积法求解流场控制方程。
采用RNG k-ε湍流模型模拟流场特性，具体控制方程如下：
连续性方程：
动量方程：
其中，t是时间；μ和ρ分别是流体粘性系数和密度；μt是涡粘性系数；P 是压力；Ui和Uj是时均速度分量；gi是重力加速度。
湍动能方程：
湍动能耗散率方程：
涡粘系数和生成项分别为:
其中，
cμ都为模型常数，其取值为：
A2.边界条件
边界条件主要包括流固交接面边界条件、固壁边界条件、以及动网格滑移表面边界条件。其中流固交接面边界条件是指流体区域与浮管、水轮机的交接面。固壁边界条件指养殖平台浮管边界，为减少流场的边界效应，将固壁边界条件设为可滑移边界。动网格滑移表面边界条件是指旋转动网格与周围静网格的交界面，动网格的更新方法主要分为动态分层动网格、局部网格重组法和滑移表面(slidingmesh)三种，本发明采用滑移表面的方法，通过AMI(Arbitrary Mesh Interface)边界处理技术完成计算域数据交换。
A3.网格划分
本次数值模拟通过ICEM实现网格划分，主要包括动网格和静网格两部分。为提高计算效率，节省计算机有效内存空间，静网格区域采用结构化网格，同时由于水轮机结构复杂且非结构网格对变形的适应性，动网格区域采用非结构化网格进行划分。由于本次计算只关注水轮机周围流场情况，因此只对水轮机进行面网格划分。对于结构与非结构网格交界面，通过将网格导入openFoam后利用AMI边界条件完成动静网格计算域的耦合。
B.水轮机相似理论
1.几何相似
Zp＝Zm (8)
式中d、h、L、Z分别为原型和模型的轮毂11直径、叶片弦长、叶轮长度和叶片数量。j表示原型与模型之间几何相似的比值。
2.相似转换
(1)叶轮机构获得的能量可表示为：
式中ρ：来流密度kg/m3,V：来流速度m/s，A：迎流面积m2。
当叶轮机构原型和模型相似时，其获得的能量之比为：
将几何相似公式(1)，(2)代入公式(10)中得：
由上式可以看出，在叶轮结构原型与模型几何相似的前提下，叶轮机构获得的能量之比等于二者线型尺寸之比的平方乘以来流速度之比的三次方。
(2)转速和流速的转换关系：
简化后可得:
因此
应该与线型尺寸的四次方成正比。即：
由上式可得：
通过相似关系，可以实现原型与模型之间关键参数的相互转换，通过对模型计算结果的分析，便可以对原型的性能进行预测和分析。
本发明拟设计获能水轮机工程样机的主要参数为：工作流速区间为2-4m/s，轮毂11直径为200mm，水轮机整体直径为910mm，页片数为4，叶片弦长为 355mm。根据相似关系，将水轮机工程样机缩小4倍作为模型进行模拟，可得到模拟尺寸为：轮毂11直径50mm，水轮机整体直径为227mm，页片数为4，叶片弦长为88mm，模拟工作流速区间大约为1-2m/s(晃荡过程中浮管两端最大流速可能偏大)。
图5-6为网格划分示意图：图5水轮机附近非结构网格截面图，旋转域为非结构网格，外围采用结构化网格，交界处通过设置AMI进行连通；图6为水轮机非结构化面网格示意图，其中圆柱形浮架采用O型网格进行划分。
图7-10为本发明数值模拟运算结果示意图，结果示意图可直观反映流场压力与速度分布：图7给出了安装水轮机的水平与竖直浮管晃荡瞬时压力云图；图8为模拟水轮机旋转所得水轮机周围压力与速度分布图；图9显示了水轮机叶片所受到的水动力载荷以及叶片速度云图；图10为水轮机所处水平浮管晃荡时速度曲线，其中水平坐标为0处为水轮机所处位置，由图10可知，高流速主要分布于晃荡浮架两端，水轮机存在会对流体产生阻尼，因此流速在水轮机附近会产生明显下降现象。
Claims (8)
1.一种海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，该海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置主要由两台水轮发电机(4)与深海半潜式养殖平台组合而成；所述水轮发电机(4)为水平轴式水轮发电机；所述深海半潜式养殖平台主要由浮架、网衣(2)、压舱块(7)和吊绳(6)组成，每台水轮发电机(4)与深海半潜式养殖平台通过两根固定吊杆(9)进行连接；
固定吊杆(9)一端直接与轮毂(11)刚性连接，另一端设有螺栓孔，固定吊杆(9)通过螺栓(13)与水平浮管(3)内表面的两个突起固定板(12)实现连接；
浮架主要由水平浮管(3)、竖直浮管(5)和方形浮架(1)组成；四个竖直浮管(5)与四个水平浮管(3)对应相连形成底部框架，方形浮架(1)安装底部框架上；水轮发电机(4)安装在方形浮架(1)的水平浮管(3)内，水平浮管(3)内注入海水，四个竖直浮管(5)与四个水平浮管(3)相通，水位可达到竖直浮管(5)，当整个浮架在海浪的作用下产生运动时，浮管内的水就会通过竖直浮管(5)实现往复晃荡运动，从而带动水轮发电机(4)的叶片转动，进行发电，为整个半潜式养殖平台系统提供电能；
深海半潜式养殖平台系统工作方式为：网衣(2)由浮架支撑并由压舱块(7)通过吊绳(6)固定于底部框架下方，提高了网箱抗风浪能力并增大了养殖装置的空间利用率；同时，压舱块(7)可防止网箱在潮流和网内鱼群的作用下大幅度运动，避免系统结构损坏；养殖系统的电力供应全部由水轮发电机来承担。
2.根据权利要求1所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述的水轮发电机(4)包括4个叶片、齿轮变速箱、调速机构、发电机；叶轮的输出端通过主轴和齿轮变速箱的输入端相连，以增大转速，齿轮变速箱的输出端经调速机构使输出的速度均匀，调速机构与发电机相连。
3.根据权利要求1或2所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述固定吊杆(9)固定吊杆为2根或4根平均分布于两端轮毂(11)，固定吊杆(9)在突出固定板(12)以下采用长方体、圆柱体结构。
4.根据权利要求1或2所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述两台水轮发电机(4)分别位于浮架底部两侧水平浮管(3)中心位置，水轮发电机(4)距离过近会增大两者间相互作用，降低转化效率。
5.根据权利要求3所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述两台水轮发电机(4)分别位于浮架底部两侧水平浮管(3)中心位置，水轮发电机(4)距离过近会增大两者间相互作用，降低转化效率。
6.根据权利要求1、2或5所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述轮毂(11)两端均采用整流帽设计。
7.根据权利要求3所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述轮毂(11)两端均采用整流帽设计。
8.根据权利要求4所述的海上水轮发电机和深海半潜式养殖平台的集成装置，其特征在于，所述轮毂(11)两端均采用整流帽设计。
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