CN114483430B - 一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋可再生能源利用装置技术领域，具体地说是一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置及其设计方法，设有底座、圆柱、发电机，其特征在于发电机的外侧套有上端封闭下端开口的筒状的驱动机舱，发电机上方的输出轴与驱动机舱固定连接，驱动机舱的下端设有端盖，端盖的边缘经轴承与驱动机舱的下端相连接，端盖与发电机固定连接，端盖下方中部经旋转杆，旋转杆下端与底座转动连接，驱动机舱的侧壁设有开口，开口内的发电机与尾翼连杆相连接，尾翼连杆穿过开口与尾翼相连接，所述的尾翼连杆的两侧经弹簧架和弹簧与驱动机舱相连接，驱动机舱另一侧经圆柱支架与圆柱相连接，具有结构简单可靠、发电能力高、噪声低、易启动等优点。

Description

一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源利用装置技术领域，具体地说是一种结构简单可靠、发电能力高、噪声低、易启动的利用弹性约束摆动圆柱的涡激振动现象获取潮流能的摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置及其设计方法。

背景技术

众所周知，当圆柱固定在一定流速的流动中，会在其尾流中出现周期性交替脱落的漩涡，进而导致圆柱受到垂直来流方向的周期性的波动升力。如果释放圆柱在垂直来流方向的约束，则圆柱会在周期性波动升力的作用下发生垂直来流方向的振荡，这种振荡运动现象可以用于输出能量，称之为“涡激振动能”。当进一步改进圆柱在垂直来流方向的约束，譬如采用弹性约束，则能够在一定条件下强化这种振荡，提高能量转换率。

相比于传统的潮流能获取装置，如水平轴涡轮或垂直轴涡轮，在圆柱涡激振动能的获取中，其启动流速更低，特征速度也更低，因而噪声极小；并且涡激振动能获取装置没有持续旋转的部件，因而能够减轻对海洋生物的危害，降低出现异物缠绕的风险。尽管利用涡激振动现象获取潮流能具有很多优点，但目前多采用平动圆柱装置，即在垂直来流方向设置轨道和弹簧，对圆柱的运动进行约束；并且圆柱是直线运动，如果用于发电，还需将平动转换为发电机的转动，使机构变的复杂。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、发电能力高、噪声低、易启动的利用弹性约束摆动圆柱的涡激振动现象获取潮流能的摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置及其设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置，设有底座、圆柱、发电机，其特征在于所述的发电机的外侧套有上端封闭下端开口的筒状的驱动机舱，驱动机舱包裹在发电机的外部，发电机上方的输出轴与驱动机舱固定连接，驱动机舱的下端设有端盖，端盖的边缘经轴承与驱动机舱的下端相连接，端盖与发电机固定连接，端盖下方中部经旋转杆，旋转杆下端与底座转动连接，所述的驱动机舱的侧壁设有开口，开口内的发电机与尾翼连杆相连接，尾翼连杆穿过开口与尾翼相连接，所述的尾翼连杆的两侧经弹簧架与弹簧相连接，弹簧的一端与弹簧架相连接，弹簧的另一端与驱动机舱相连接，与开口对应的另一侧的驱动机舱经圆柱支架与圆柱相连接。

本发明所述的底座与旋转杆之间设有支撑筒，所述的支撑筒的下端与底座固定连接，旋转杆的下端插入支撑筒的上端并与支撑筒经轴承转动连接。

本发明所述的圆柱的上下两端分别设有挡板，以减轻端面流动损失，提高圆柱的能量转化率。

本发明所述的弹簧架设为T型架，T型架的竖杆穿过开口与发电机相连接，T型架的横杆两端分别与弹簧相连接，T型架的横杆两端的弹簧分别对称的设有至少一对，所述的尾翼连杆插入T型架的横杆中部与T型架相连接。

本发明所述的发电机上方的输出轴设为扁平状，驱动机舱上设有与扁平状输出轴配合的扁平孔，发电机上方的输出轴与扁平孔配合连接。

本发明所述的端盖中部与旋转杆中部设有通透的引线孔，发电机的引出线经引线孔穿出。

本发明所述的发电机的上端经轴承与驱动机舱内壁转动连接，通过轴承起到支撑稳定作用。

一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置的设计方法，其特征在于设计方法的步骤如下：

（1）选定折合速度U^*：U^*的取值范围为7.0~12.0；

（2）圆柱设计：包括圆柱尺寸和圆柱质量设计，以及端板的设计，根据功率要求设计圆柱尺寸，圆柱直径D和长度H与发电机输出功率Pout的关系为Pout=η Cp ρ V³ D H /2，η为发电机效率，视所选取的发电机确定；Cp为功率因数，取值为0.25-0.35；ρ为水的密度，V为水流速度，二者采用国际标准单位，调整圆柱直径D和长度H，使其满足功率要求，并保证H/D>4.0，根据选取发电机取所需功率为Pout，所选发电机效率η，水流密度按ρ已知，来流速度可知,可得DH；对取H/D取值，可得圆柱直径D，圆柱长度H，圆柱质量m与其排开水的质量m0之比m/m0的取值范围为0.8~8.0，对m/m0取值，则圆柱质量m可得；

（3）选定圆柱支架的长度L1：圆柱支架长度与圆柱直径之比L1/D的取值范围为5.0~15.0，根据步骤（2）中的D取值，得到圆柱支架的长度L1；

（4）尾翼设计：尾翼投影形状可采用矩形翼或鱼尾型翼，尾翼最大弦长cmax应大于2倍圆柱直径，即cmax≥2D，尾翼最小弦长cmin应大于1倍圆柱直径，即cmin≥D，尾翼高度H2应大于圆柱高度H；

（5）选定尾翼连杆长度L2：尾翼连杆长度与圆柱支架长度之比L2/L1的取值范围为1.5~3.0，圆柱支架的长度L1根据步骤（3）可得，即可得到尾翼连杆长度L2；

（6）弹簧设计：首先确定圆柱的自由振荡频率，进而得到等效扭转弹性系数，最后得到弹簧的弹性系数和预拉紧力，圆柱自由振荡频率fn指的是固定发动机舱内壳情况下，圆柱偏离平衡位置释放后的自由振荡频率，圆柱自由振荡频率fn应满足关系式U^*=V/(fnD)，根据以上各参数的选取及计算结果，可得fn，等效扭转弹性系数ks与圆柱自由振荡频率fn之间满足关系式(2π fn)²=ks/(I+Ia)，I为圆柱、圆柱支架、发电机舱外壳及发电机转子的绕发电机转轴的转动惯量之和，Ia为圆柱附连水和圆柱支架附连水绕发电机转轴的转动惯量之和，其中，I可通过实验测量得知，且其中主要组分为圆柱转动惯量；Ia主要组分为圆柱附连水转动惯量，因而(I+Ia)可近似表示为I+Ia=(m+ma)L1²，又因为圆柱附连水质量与圆柱排开水的质量近似相等，可取ma=m0，则等效扭转弹性系数近似为ks=(2π fn)²(m+ma)L1²，弹簧的弹性系数k0与等效扭转弹性系数ks之间近似满足关系ks=2 n k0 b²，n表示为n对弹簧，b为弹簧悬挂点的宽度，其由所选用发电机的尺寸及结构尺寸，综合考虑弹簧所易于达到的弹性系数k0，以及适当的弹簧悬挂点宽度b，对n、k0和b进行取值，使其满足上式关系，弹簧应具有一定的预拉紧力F，可取F>k0 b；

（7）发电机工况：由于圆柱是周期性摆动的，因而发电机轴也是周期性转动的，因此所需发电机需特殊设计，发电机的往复转动频率fm可表示为fm=fn，即fm=fn=1Hz；发电机的往复转动的角幅度a取值为a=2.5 D/L1，得到发电机往复转动角幅度a，发电机设计功率为步骤（2）中所取功率Pout。

本发明在装置结构方面的创新性体现在如下几点：

1、采用摆动圆柱代替平动圆柱，提供了系统的能量转化率；

2、为了便于实现摆动圆柱涡激振动，采用了独特的发电机舱结构，从而实现与尾翼及底座的合理连接；

3、创新性的弹簧连接形式，易于更换；

4、采用带端板的圆柱，结构简单，能量转化率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中发电机、驱动机舱与尾翼连杆、圆柱支架和旋转杆连接关系部分的放大剖视图。

图3是图1中发电机、驱动机舱的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

基于对圆柱涡激振动的大量研究，我们提出了一种新的摆动圆柱涡激振动潮流能利用形式。经数值验证，能够大幅度的强化圆柱的涡激振动现象，提高能量转化率，并且工作范围变大，结构紧凑、易于实现，具有非常好的应用前景。

如附图所示，一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置，设有底座1、圆柱2、发电机3，其特征在于所述的发电机3的外侧套有上端封闭下端开口的筒状的驱动机舱4，驱动机舱4包裹在发电机3的外部，发电机3上方的输出轴与驱动机舱4固定连接，发电机3上方的输出轴与发电机3之间密封，发电机3为水密发电机3，驱动机舱4的下端设有端盖5，所述的端盖分为内端盖5和外端盖26，所述的内端盖5与经第二螺栓22与发电机3固定连接，所述的外端盖26经第三螺钉23与驱动机舱4的下端连接，内端盖5和外端盖26之间经第一轴承6密封连接，内端盖5下方中部经旋转杆7，旋转杆7下端与底座1转动连接，所述的驱动机舱4的侧壁设有开口8，开口8内的发电机3与尾翼连杆9相连接，尾翼连杆9穿过开口8与尾翼10相连接，所述的尾翼连杆9的两侧经弹簧架11与弹簧12相连接，弹簧12的一端与弹簧架11相连接，弹簧12的另一端与驱动机舱4相连接，与开口8对应的另一侧的驱动机舱4经圆柱支架13与圆柱2相连接，所述的圆柱支架13经第一螺栓21与驱动机舱4相连接，所述的圆柱支架13应采用轻质材料，当圆柱2发生涡激振动，则呈现周期性摆动现象，进而带动驱动机舱4周期性摆动，进而驱动发电机3上方的输出轴，通过输出轴转动实现发电机3发电。

上述所述的尾翼10通过尾翼连杆9固定在弹簧架上，进而与发电机3固定连接，因而能够在潮流的来流方向改变时自动调整发电机3的转角；又因为弹簧架与驱动机舱4之间通过弹簧12连接，因而驱动机舱4也能够在潮流的来流方向改变时自动调整转角，从而保证圆柱2总是处于迎流方向，尾翼10的另一个作用是保证圆柱2在涡激振动时发电机3仍维持不动的状态，因而尾翼10需较大尺寸，并且具有较长的尾翼连杆9以提供足够的阻尼力矩。

进一步，所述的底座1与旋转杆7之间设有支撑筒14，所述的支撑筒14的下端与底座1固定连接，旋转杆7的下端插入支撑筒14的上端并与支撑筒14经轴承转动连接，插入支撑筒14内的旋转杆7分别经上轴承15和下轴承16与支撑筒14内壁相连接，使驱动机舱4能够自由旋转，并提供足够的支撑能力，所述的支撑筒14侧面设有斜撑杆17，斜撑杆17的两端分别与支撑筒14和底座相连接。

进一步，所述的圆柱2的上下两端分别设有挡板18，以减轻端面流动损失，提高圆柱2的能量转化率。

进一步，所述的弹簧架11设为T型架，T型架的竖杆穿过开口8与发电机3相连接，T型架的横杆两端分别与弹簧12相连接，T型架的横杆两端的弹簧分别对称的设有至少一对，所述的尾翼连杆9插入T型架的横杆中部与T型架相连接。

进一步，所述的发电机3上方的输出轴25设为扁平状，驱动机舱4上设有与扁平状输出轴25配合的扁平孔24，发电机3上方的输出轴25与扁平孔24配合连接。

进一步，所述的端盖5中部与旋转杆7中部设有通透的引线孔19，发电机3的引出线经引线孔19穿出。

进一步，所述的发电机3的上端经第二轴承20与驱动机舱4内壁转动连接，通过第二轴承20起到支撑稳定作用。

上述装置的工作原理为：在一定潮流的作用下，首先尾翼10保证整个系统处于迎流方向；同时，圆柱2在来流水动力作用、弹簧12约束以及发电机3阻尼的综合作用下发生涡激振动，此时，尾翼10还起到维持发电机3稳定的作用。

上述所述的一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置的设计方法，设计方法的步骤如下：

（1）选定折合速度U^*：U^*的取值范围为7.0~12.0；

（2）圆柱2设计：包括圆柱2尺寸和圆柱2质量设计，以及端板的设计，根据功率要求设计圆柱2尺寸，圆柱2直径D和长度H与发电机3输出功率Pout的关系为Pout=η Cp ρ V³ DH / 2，η为发电机3效率，视所选取的发电机3确定；Cp为功率因数，取值为0.25-0.35；ρ为水的密度，V为水流速度，二者采用国际标准单位，调整圆柱2直径D和长度H，使其满足功率要求，并保证H/D>4.0，根据选取发电机3取所需功率为Pout，所选发电机3效率η，水流密度按ρ已知，来流速度可知,可得DH；对取H/D取值，可得圆柱2直径D，圆柱2长度H，圆柱2质量m与其排开水的质量m0之比m/m0的取值范围为0.8~8.0，对m/m0取值，则圆柱2质量m可得；

（3）选定圆柱支架13的长度L1：圆柱支架13长度与圆柱2直径之比L1/D的取值范围为5.0~15.0，根据步骤（2）中的D取值，得到圆柱支架13的长度L1；

（4）尾翼10设计：尾翼10投影形状可采用矩形翼或鱼尾型翼，尾翼10最大弦长cmax应大于2倍圆柱2直径，即cmax≥2D，尾翼10最小弦长cmin应大于1倍圆柱2直径，即cmin≥D，尾翼10高度H2应大于圆柱2高度H；

（5）选定尾翼连杆9长度L2：尾翼连杆9长度与圆柱支架13长度之比L2/L1的取值范围为1.5~3.0，圆柱支架13的长度L1根据步骤（3）可得，即可得到尾翼连杆9长度L2；

（6）弹簧12设计：首先确定圆柱2的自由振荡频率，进而得到等效扭转弹性系数，最后得到弹簧12的弹性系数和预拉紧力，圆柱2自由振荡频率fn指的是固定发动机舱内壳情况下，圆柱2偏离平衡位置释放后的自由振荡频率，圆柱2自由振荡频率fn应满足关系式U^*=V/(fn D)，根据以上各参数的选取及计算结果，可得fn，等效扭转弹性系数ks与圆柱2自由振荡频率fn之间满足关系式(2π fn)²=ks/(I+Ia)，I为圆柱2、圆柱支架13、发电机3舱外壳及发电机3转子的绕发电机3转轴的转动惯量之和，Ia为圆柱2附连水和圆柱支架13附连水绕发电机3转轴的转动惯量之和，其中，I可通过实验测量得知，且其中主要组分为圆柱2转动惯量；Ia主要组分为圆柱2附连水转动惯量，因而(I+Ia)可近似表示为I+Ia=(m+ma)L1²，又因为圆柱2附连水质量与圆柱2排开水的质量近似相等，可取ma=m0，则等效扭转弹性系数近似为ks=(2π fn)²(m+ma)L1²=465N.m/rad，弹簧12的弹性系数k0与等效扭转弹性系数ks之间近似满足关系ks=2 n k0 b²，n表示为n对弹簧12，b为弹簧12悬挂点的宽度，其由所选用发电机3的尺寸及结构尺寸，综合考虑弹簧12所易于达到的弹性系数k0，以及适当的弹簧12悬挂点宽度b，对n、k0和b进行取值，使其满足上式关系，弹簧12应具有一定的预拉紧力F，可取F>k0 b；

（7）发电机3工况：由于圆柱2是周期性摆动的，因而发电机3轴也是周期性转动的，因此所需发电机3需特殊设计，发电机3的往复转动频率fm可表示为fm=fn，即fm=fn=1Hz；发电机3的往复转动的角幅度a取值为a=2.5 D/L1，得到发电机3往复转动角幅度a，发电机3设计功率为步骤（2）中所取功率Pout。

设计方法实施例：

一种摆动圆柱2涡激振动潮流能利用装置的设计方法，设计方法的步骤如下：

（1）选定折合速度U^*：U^*的取值范围为7.0~12.0, 以U^*=10.0为例；

（2）圆柱2设计：包括圆柱2尺寸和圆柱2质量设计，以及端板的设计，根据功率要求设计圆柱2尺寸，圆柱2直径D和长度H与发电机3输出功率Pout的关系为Pout=η Cp ρ V³ DH / 2，η为发电机3效率，视所选取的发电机3确定；Cp为功率因数，取值为0.3；ρ为水的密度，V为水流速度，二者采用国际标准单位，调整圆柱2直径D和长度H，使其满足功率要求，并保证H/D>4.0，例如，所需功率为Pout=7.2W，所选发电机3效率η=80%，水流密度按ρ=1000Kg/m³计，来流速度V=1m/s,可得DH=0.06㎡；取H/D=6.0，可得圆柱2直径D=0.1m，圆柱2长度H=0.6m。圆柱2质量m与其排开水的质量m0之比m/m0的取值范围为0.8~8.0。例如，取m/m0=1.5，则圆柱2质量m=1.5m0=1.5ρ(πD²)H/4=7.0Kg；

（3）选定圆柱支架13的长度L1：圆柱支架13长度与圆柱2直径之比L1/D的取值范围为5.0~15.0，例如，取L1/D=10.0，则圆柱支架13长度L1=1.0m；

（4）尾翼10设计：尾翼10投影形状可采用矩形翼或鱼尾型翼，尾翼10最大弦长cmax应大于2倍圆柱2直径，即cmax≥2D，尾翼10最小弦长cmin应大于1倍圆柱2直径，即cmin≥D，尾翼10高度H2应大于圆柱2高度H, 采用图示鱼尾型翼，其最大弦长cmax=2D=0.2m，其最小弦长cmin=D=0.1m，其高度H2=0.8m>H=0.6m；

（5）选定尾翼连杆9长度L2：尾翼连杆9长度与圆柱支架13长度之比L2/L1的取值范围为1.5~3.0，圆柱支架13的长度L1根据步骤（3）可得，即可得到尾翼连杆9长度L2, 例如，取L2/L1=2.0，则尾翼连杆9长度L2=2.0m；

（6）弹簧12设计：首先确定圆柱2的自由振荡频率，进而得到等效扭转弹性系数，最后得到弹簧12的弹性系数和预拉紧力，圆柱2自由振荡频率fn指的是固定发动机舱内壳情况下，圆柱2偏离平衡位置释放后的自由振荡频率，圆柱2自由振荡频率fn应满足关系式U^*=V/(fn D)，根据以上各参数的选取及计算结果，可得fn，等效扭转弹性系数ks与圆柱2自由振荡频率fn之间满足关系式(2π fn)²=ks/(I+Ia)，I为圆柱2、圆柱支架13、发电机3舱外壳及发电机3转子的绕发电机3转轴的转动惯量之和，Ia为圆柱2附连水和圆柱支架13附连水绕发电机3转轴的转动惯量之和，其中，I可通过实验测量得知，且其中主要组分为圆柱2转动惯量；Ia主要组分为圆柱2附连水转动惯量，因而(I+Ia)可近似表示为I+Ia=(m+ma)L1²，又因为圆柱2附连水质量与圆柱2排开水的质量近似相等，可取ma=m0，则等效扭转弹性系数近似为ks=(2π fn)²(m+ma)L1²=465N.m/rad，弹簧12的弹性系数k0与等效扭转弹性系数ks之间近似满足关系ks=2 n k0 b²，n表示为n对弹簧12，b为弹簧12悬挂点的宽度，其由所选用发电机3的尺寸及结构尺寸，综合考虑弹簧12所易于达到的弹性系数k0，以及适当的弹簧12悬挂点宽度b，取n=3，k0=2000N/m，b=0.2m，满足上式关系,弹簧12应具有一定的预拉紧力F，可取F>k0 b=400N；

（7）发电机3工况：由于圆柱2是周期性摆动的，因而发电机3轴也是周期性转动的，因此所需发电机3需特殊设计，发电机3的往复转动频率fm可表示为fm=fn，即fm=fn=1Hz；发电机3的往复转动的角幅度a取值为a=2.5 D/L1，则发电机3往复转动角幅度a=0.25rad。发电机3设计功率步骤（2）中所取功率Pout=7.2W，驱动机舱侧面的开口的幅度大于发电机的往复角幅度。

上述所述的圆柱支架的长度指的是发电机圆心到圆柱圆心之间的距离，通常圆柱圆心和发电机圆心距离相对于圆柱支架的长度很小，可忽略不计，所述的尾翼连杆的长度指的是发电机圆心到尾翼连杆与尾翼连接点之间的距离，b为弹簧12悬挂点的宽度指的是弹簧架的悬挂点至尾翼连杆轴线之间的距离，n对弹簧指的是弹簧架一侧设有的弹簧数量，由于弹簧对称的设在弹簧架的两侧，因此，一对弹簧指的是两个弹簧分设在弹簧架的两侧，2对弹簧指的是四个弹簧分设在弹簧架的两侧，3对弹簧指的是六个弹簧分设在弹簧架的两侧，本发明由于采用上述结构，具有结构简单可靠、发电能力高、噪声低、易启动的利用弹性约束摆动圆柱2的涡激振动现象获取潮流能等优点。

Claims (3)

1.一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置，设有底座、圆柱、发电机，其特征在于所述的发电机的外侧套有上端封闭下端开口的筒状的驱动机舱，驱动机舱包裹在发电机的外部，发电机上方的输出轴与驱动机舱固定连接，驱动机舱的下端设有端盖，端盖的边缘经轴承与驱动机舱的下端相连接，端盖与发电机固定连接，端盖下方中部经旋转杆，旋转杆下端与底座转动连接，所述的驱动机舱的侧壁设有开口，开口内的发电机与尾翼连杆相连接，尾翼连杆穿过开口与尾翼相连接，所述的尾翼连杆的两侧经弹簧架与弹簧相连接，弹簧的一端与弹簧架相连接，弹簧的另一端与驱动机舱相连接，与开口对应的另一侧的驱动机舱经圆柱支架与圆柱相连接，所述的底座与旋转杆之间设有支撑筒，所述的支撑筒的下端与底座固定连接，旋转杆的下端插入支撑筒的上端并与支撑筒经轴承转动连接，所述的圆柱的上下两端分别设有挡板，以减轻端面流动损失，提高圆柱的能量转化率，所述的弹簧架设为T型架，T型架的竖杆穿过开口与发电机相连接，T型架的横杆两端分别与弹簧相连接，T型架的横杆两端的弹簧分别对称的设有至少一对，所述的尾翼连杆插入T型架的横杆中部与T型架相连接，所述的发电机上方的输出轴设为扁平状，驱动机舱上设有与扁平状输出轴配合的扁平孔，发电机上方的输出轴与扁平孔配合连接，所述的端盖中部与旋转杆中部设有通透的引线孔，发电机的引出线经引线孔穿出。

2.根据权利要求1所述的一种摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置，其特征在于所述的发电机的上端经轴承与驱动机舱内壁转动连接，通过轴承起到支撑稳定作用。

3.一种如权利要求1或2所述的摆动圆柱涡激振动潮流能利用装置的设计方法，其特征在于设计方法的步骤如下：

（1）选定折合速度U^*：U^*的取值范围为7.0~12.0；

（2）圆柱设计：包括圆柱尺寸和圆柱质量设计，以及端板的设计，根据功率要求设计圆柱尺寸，圆柱直径D和长度H与发电机输出功率Pout的关系为Pout=η Cp ρ V³ D H / 2，η为发电机效率，视所选取的发电机确定；Cp为功率因数，取值为0.25-0.35；ρ为水的密度，V为水流速度，二者采用国际标准单位，调整圆柱直径D和长度H，使其满足功率要求，并保证H/D>4.0，根据选取发电机取所需功率为Pout，所选发电机效率η，水流密度按ρ已知，来流速度可知,可得DH；对H/D取值，可得圆柱直径D，圆柱长度H，圆柱质量m与其排开水的质量m0之比m/m0的取值范围为0.8~8.0，对m/m0取值，则圆柱质量m可得；

（3）选定圆柱支架的长度L1：圆柱支架长度与圆柱直径之比L1/D的取值范围为5.0~15.0，根据步骤（2）中的D取值，得到圆柱支架的长度L1；

（4）尾翼设计：尾翼投影形状可采用矩形翼或鱼尾型翼，尾翼最大弦长cmax应大于2倍圆柱直径，即cmax≥2D，尾翼最小弦长cmin应大于1倍圆柱直径，即cmin≥D，尾翼高度H2应大于圆柱高度H；

（5）选定尾翼连杆长度L2：尾翼连杆长度与圆柱支架长度之比L2/L1的取值范围为1.5~3.0，圆柱支架的长度L1根据步骤（3）可得，即可得到尾翼连杆长度L2；

（6）弹簧设计：首先确定圆柱的自由振荡频率，进而得到等效扭转弹性系数，最后得到弹簧的弹性系数和预拉紧力，圆柱自由振荡频率fn指的是固定发动机舱内壳情况下，圆柱偏离平衡位置释放后的自由振荡频率，圆柱自由振荡频率fn应满足关系式U^*=V/(fn D)，根据以上各参数的选取及计算结果，可得fn，等效扭转弹性系数ks与圆柱自由振荡频率fn之间满足关系式(2π fn)²=ks/(I+Ia)，I为圆柱、圆柱支架、发电机舱外壳及发电机转子的绕发电机转轴的转动惯量之和，Ia为圆柱附连水和圆柱支架附连水绕发电机转轴的转动惯量之和，其中，I可通过实验测量得知，且其中主要组分为圆柱转动惯量；Ia主要组分为圆柱附连水转动惯量，因而(I+Ia)可近似表示为I+Ia=(m+ma)L1²，又因为圆柱附连水质量与圆柱排开水的质量近似相等，可取ma=m0，则等效扭转弹性系数近似为ks=(2π fn)²(m+ma)L1²，弹簧的弹性系数k0与等效扭转弹性系数ks之间近似满足关系ks=2 n k0 b²，n表示为n对弹簧，b为弹簧悬挂点的宽度，其由所选用发电机的尺寸及结构尺寸，综合考虑弹簧所易于达到的弹性系数k0，以及适当的弹簧悬挂点宽度b，对n、k0和b进行取值，使其满足上式关系，弹簧应具有一定的预拉紧力F，可取F>k0 b；

（7）发电机工况：由于圆柱是周期性摆动的，因而发电机轴也是周期性转动的，因此所需发电机需特殊设计，发电机的往复转动频率fm可表示为fm=fn，即fm=fn=1Hz；发电机的往复转动的角幅度a取值为a=2.5 D/L1，得到发电机往复转动角幅度a，发电机设计功率为步骤（2）中所取功率Pout。