船舶潮流能發(fā)電裝置增速機(jī)構(gòu)

馮寶山，徐 磊

(1.河南省交通高級(jí)技工學(xué)校，河南 駐馬店463000;2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450000)

0 引 言

潮流能是一種新型的可再生能源，與常規(guī)能源相比，潮流能是一種清潔能源，對(duì)自然環(huán)境沒(méi)有任何污染;潮流能的能力密度比較低，但是分布范圍比較廣，蘊(yùn)藏儲(chǔ)量比較豐富;潮流能有固定的變化規(guī)律，具有很強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性。

潮流能發(fā)電是充分利用大自然的潮流能，將其轉(zhuǎn)化為電能，其基本工作原理是利用在漲潮、落潮過(guò)程的水流沖擊葉輪產(chǎn)生機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電?？茖W(xué)地利用潮流能進(jìn)行發(fā)電可有效解決電力資源缺乏的問(wèn)題。

船舶除了在水中正常航行以外，每年都會(huì)有一段時(shí)間的空船期，或是遇到天氣不好的時(shí)候，錨泊在港灣或是島嶼周?chē)?。本文所設(shè)計(jì)研究的船舶先在潮流能豐富的海域拋錨固定，放下潮流能轉(zhuǎn)換裝置，利用潮流能發(fā)電，解決船舶錨泊時(shí)船舶上工作人員的生活用電問(wèn)題和低功率電氣設(shè)備用電問(wèn)題。本裝置安裝拆卸方便，當(dāng)船舶錨泊時(shí)將其拋入水中發(fā)電，當(dāng)船舶航行時(shí)又可將其收回，不影響船舶正常航行。

1 潮流能發(fā)電裝置

船舶潮流能發(fā)電裝置，如圖1所示。

船舶潮流能發(fā)電裝置的主要功能是利用潮流能產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)潮流能向電能的轉(zhuǎn)化。

潮流能發(fā)電裝置電力系統(tǒng)包括水輪機(jī)、增速機(jī)構(gòu)、永磁交流發(fā)電機(jī)、AC /DC 整流器、DC /DC 變換器、控制系統(tǒng)、蓄電池和各類(lèi)用電負(fù)載等。

圖1 船舶潮流能發(fā)電裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

1)水輪機(jī)

水輪機(jī)是潮流能發(fā)電裝置的最前端設(shè)備，也是整個(gè)發(fā)電裝置中最核心的裝置，主要作用是收集潮汐的沖擊能量，將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)能;它的工作原理是通過(guò)水輪機(jī)上的葉片收集潮流的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。水輪機(jī)大部分都是旋轉(zhuǎn)類(lèi)的，按照其結(jié)構(gòu)方式一般分為水平軸和垂直軸2 種。由于漂浮式拋錨難免出現(xiàn)小幅的波動(dòng)，并且海上潮流方向并不是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則方向的流向，故采用垂直軸潮流能水輪機(jī)有一定優(yōu)勢(shì)。垂直軸水輪機(jī)是利用葉片的升力和阻力進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)較高的獲能效率?？刂迫~片攻角的傳統(tǒng)方法有擺桿式、連桿式、彈簧式。擺桿式和連桿式造價(jià)高并且機(jī)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致以后故障率高，維修成本高，實(shí)際應(yīng)用并不理想。彈簧式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，但彈簧存在疲勞強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)損壞，必須定期更換。

2)增速機(jī)構(gòu)

主要作用是將轉(zhuǎn)速較低的葉輪轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速。

3)發(fā)電機(jī)

主要作用是將潮汐能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為交流電;目前在潮流能發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用的發(fā)電機(jī)主要有2 種:一種勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，用于大型(大功率)并網(wǎng)式潮流能發(fā)電機(jī)組;另一種是永磁發(fā)電機(jī)，用于中小型(中、小功率)離網(wǎng)式潮流能發(fā)電機(jī)組。本裝置采用永磁同步發(fā)電。永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，可靠性好，工作噪聲小，維護(hù)方便;采用永磁鐵勵(lì)磁方式，不存在勵(lì)磁繞組引起的銅損耗，具有較高效率。

4)AC/DC 整流器

主要作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)橹绷?，由于船用電一般都是三相制式的，所以AC/DC 整流器一般采用三相全橋整流電路;

5)DC/DC 變換器

由于風(fēng)浪和天氣等因素影響，產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，同時(shí)由于負(fù)載功率的變化，也會(huì)對(duì)發(fā)電裝置運(yùn)行產(chǎn)生影響，DC/DC 變換器通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定可調(diào)。產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓，經(jīng)過(guò)充電電路給蓄電池充電;

6)蓄電池

主要作用是儲(chǔ)存能量，給外部負(fù)載供電，也可與發(fā)電裝置一并向外部負(fù)載供電，能耗負(fù)載用來(lái)保護(hù)發(fā)電系統(tǒng)。

7)控制系統(tǒng)

整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的大腦，一般采用DSP 或單片機(jī)，對(duì)系統(tǒng)中整流器、DC/DC 變換器以及蓄電池進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等保護(hù)功能。

8)各類(lèi)用電負(fù)載

主要是指照明、通信、報(bào)警等一些基本的用電負(fù)載，不包括大功率的電動(dòng)機(jī)推進(jìn)負(fù)載。

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 船舶潮流能發(fā)電裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

一些潮流能發(fā)電裝置，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流能的最大能量轉(zhuǎn)化以及輸出功率的穩(wěn)定，增設(shè)了變槳距結(jié)構(gòu)。對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng)，還要設(shè)計(jì)逆變器等。總體來(lái)看，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、經(jīng)濟(jì)成本較高，并且一般應(yīng)用于大中型發(fā)電裝置。

本文設(shè)計(jì)的船舶潮流能發(fā)電裝置，是小功率的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能主要是供船舶的一些輔助用電設(shè)備供電，不需要為動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)供電，所以整個(gè)電氣系統(tǒng)中不需要設(shè)計(jì)逆變電路。該裝置由于是在船舶錨泊狀態(tài)下使用，船在潮流的作用下，隨著潮流流向的改變而自動(dòng)改變船舶的朝向，利用這一特點(diǎn)，將潮流能水輪機(jī)固定在船尾，這樣就能保證水輪機(jī)的葉片始終朝向潮流的流向，使水輪機(jī)始終處高效率工作狀態(tài)，這樣就無(wú)需設(shè)計(jì)變槳距機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的潮流能發(fā)電轉(zhuǎn)置工作在船舶錨泊狀態(tài)下，當(dāng)潮流流向發(fā)生改變時(shí)，可以使水輪機(jī)始終朝向潮流的來(lái)向，所以水輪機(jī)的捕能效率較高。當(dāng)潮流能較大時(shí)，此時(shí)發(fā)電裝置發(fā)出足夠多的電能供負(fù)載使用以及給蓄電池充電?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)光耦器件采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，為防止飛車(chē)，控制系統(tǒng)切入能耗負(fù)載，將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速附近?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)蓄電池充電特性，通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池端電壓和電流，控制蓄電池充電，防止蓄電池過(guò)充。當(dāng)潮流能較小時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)發(fā)電裝置與蓄電池一并供外部負(fù)載供電，或者蓄電池單獨(dú)給外部負(fù)載供電。系統(tǒng)依據(jù)蓄電池放電特性，通過(guò)電路監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓和電流，防止蓄電池過(guò)度放電。系統(tǒng)通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)負(fù)載執(zhí)行過(guò)流保護(hù)。

2 增速機(jī)構(gòu)

2.1 增速機(jī)構(gòu)方案選擇

通常用于潮流能發(fā)電的水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速一般比較低，根本達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，所以一定要通過(guò)增速機(jī)構(gòu)對(duì)速度進(jìn)行提升。一般的增速機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

1)傳動(dòng)級(jí)數(shù)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)的要求，一般從低到高有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)的傳動(dòng)形式，可分別用于驅(qū)動(dòng)從低到高轉(zhuǎn)速、從小到大功率的發(fā)電機(jī)。

2)齒輪傳動(dòng)方式

一般由圓柱齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)2 種齒輪傳動(dòng)方式。

3)安裝方式

主要有底座式和和懸掛式兩大類(lèi)。

4)輸出軸

有單輸出軸和多輸出軸2 種方式，其中多輸出軸一般有2個(gè)以上的輸出軸。

5)整體組合結(jié)構(gòu)

一般有一體式和分立式，目前一體式的結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多。

經(jīng)過(guò)各方權(quán)衡，本文采用一級(jí)的行星齒輪傳動(dòng)+兩級(jí)的定軸線齒輪傳動(dòng)的方案。方案中集成了定軸線齒輪傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也兼具行星輪傳動(dòng)方式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比大、工作平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。本方案首先通過(guò)一級(jí)的行星齒輪傳動(dòng)方式降低轉(zhuǎn)矩，然后再通過(guò)兩級(jí)結(jié)構(gòu)的平行軸齒輪傳動(dòng)，既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。本方案的缺點(diǎn)是整個(gè)裝置的體積和質(zhì)量還是比較大，但這是現(xiàn)在潮流能發(fā)電機(jī)組技術(shù)中所不可避免的。圖3是采用一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)+兩級(jí)定軸線齒輪傳動(dòng)方式增速裝置整體示意圖。

圖3 增速裝置整體示意圖Fig.3 The schematic diagram of the speed-increasing mechanism

船舶發(fā)電裝置安裝在船體尾部，如果應(yīng)用常規(guī)直連方式將水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，會(huì)造成發(fā)電裝置體積尺寸過(guò)大，引發(fā)一系列問(wèn)題。不僅不利于安裝，并且成本較大。由于潮流能與風(fēng)能比較相似，具有波動(dòng)性的特點(diǎn)，所以要求增速機(jī)構(gòu)具有較高的傳遞效率、較強(qiáng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。目前，行星齒輪的傳遞效率已達(dá)到98%～99%，利用行星齒輪來(lái)代替常規(guī)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直連的方式，尺寸過(guò)大的問(wèn)題就可以迎刃而解，雖然行星齒輪在效率傳遞中會(huì)損耗1%～2%，相同容量的高速電機(jī)比低速電機(jī)效率一般可提高3%以上，發(fā)電裝置總體效率也能得到提高。

2.2 增速機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

本節(jié)對(duì)一級(jí)的行星齒輪傳動(dòng)+兩級(jí)的定軸線齒輪傳動(dòng)的增速機(jī)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算進(jìn)行計(jì)算和分析。

1)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比和齒數(shù)

分配傳動(dòng)比時(shí)應(yīng)該考慮以下原則:各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比應(yīng)在合理范圍內(nèi)，不超出允許的最大值，以符合各種傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)，并使結(jié)構(gòu)比較緊湊;應(yīng)注意使各級(jí)傳動(dòng)件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為:

在此傳動(dòng)系統(tǒng)中，行星傳動(dòng)選的是NGW 型行星齒輪傳動(dòng)，它的推薦傳動(dòng)比為3～9，初步選取行星輪系的傳動(dòng)比為5.5。

行星輪系傳動(dòng)中各齒輪的齒數(shù)不可隨意選取，需要根據(jù)行星輪系傳動(dòng)的特點(diǎn)，滿足相應(yīng)的傳動(dòng)條件、鄰接條件、同心條件和裝配條件，才可以正常傳動(dòng)。

取中心輪齒數(shù)Z1=20 ，內(nèi)齒圈齒數(shù)Z3=90，則行星輪的齒數(shù)，

后面的兩級(jí)定軸線齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

兩級(jí)傳動(dòng)比分配為

初補(bǔ)選取低速軸小齒輪的齒數(shù)Z4=21，則與之相配的大齒輪齒數(shù)

取第Ⅱ級(jí)斜齒輪傳動(dòng)的小齒輪齒數(shù)Z4=25，則與之相配的大齒輪齒數(shù)

2)各軸的轉(zhuǎn)速

行星輪機(jī)輸入軸:

中心輪軸I 軸:

第I 即斜齒輪傳動(dòng)II 軸:

第II 即斜齒輪傳動(dòng)III 軸:

3)各軸的功率

如果取額定功率P=1 000 kW，設(shè)發(fā)電機(jī)和各級(jí)齒輪箱的效率η=0.9，則可得到各軸的功率:

第II 即斜齒輪傳動(dòng)III 軸的功率:

第I 即斜齒輪傳動(dòng)II 軸的功率:

中心輪軸I 軸的功率:

行星輪架輸入軸的功率:

所以輸入功率至少要1 100 kW，才能滿足1 000 kW的負(fù)載功率需求。

4)各軸的轉(zhuǎn)矩

行星輪機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)矩:

中心輪軸I 軸的轉(zhuǎn)矩:

第I 即斜齒輪傳動(dòng)II 軸的轉(zhuǎn)矩:

第II 即斜齒輪傳動(dòng)III 軸的轉(zhuǎn)矩:

4)齒輪參數(shù)的確定

由上面對(duì)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，可以計(jì)算出中心輪，太陽(yáng)輪及內(nèi)齒圈的分度圓直徑:

同理可以計(jì)算出d2=550 mm，d1=330 mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)船舶的潮流能發(fā)電裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。對(duì)船舶發(fā)電裝置的構(gòu)成進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)裝置中的增速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。綜合各方因素，本方案最終選擇采用一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)+兩級(jí)定軸線齒輪傳動(dòng)的方案，并對(duì)方案中各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速、功率、直徑等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

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