微水头低流速能量收集装置结构设计与仿真分析
发布时间：2021-06-22 06:30
水能是我国仅次于煤炭的第二大能源,也是可再生能源中能够形成最大供给规模的清洁能源,而其中丰富的微水头资源（河流、运河、水库、电厂尾水、管道供水、城市废水、海洋新能源等）因经济效益相对较低,未得到有效开发利用,有广阔的开发前景,如何有效的利用微水头资源,进行水力发电是水资源利用和水电技术的一个重要方面和研究课题。鉴于现有水力发电装置多集中于势能发电,而针对动能的潮流能水轮机有体积过大、启动流速高等问题,设计了微水头低流速的发电装置。该装置由水流加速装置、复合叶轮、发电机、尾水管组成。水流加速装置由水流梯度导流罩、入水口和导流叶片组成;复合叶轮由水平轴叶轮、翼型垂直轴叶轮、锥齿组组成。本文的主要研究内容包括:（1）利用贝茨理论进行功率计算得到理想出入口流速比;基于导流罩推力系数选择导流罩类型;基于叶素定理进行水平轴叶轮设计和尾流处垂直叶轮的设计。（2）根据已知数据、水力计算和功率效率计算获得的数据对水流加速装置、叶轮等主要零部件进行设计。所有的尺寸等数据都得到后,利用这些数据用SolidWorks对主要零部件进行三维建模,并装配整体装置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚能导流结构和水轮机示意图
中北大学学位论文5构，这种结构很好的解决了水流冲击叶片的角度，并且水流的速度也将发生变化。这种机构主要解决了水轮机效率偏低的问题。他们并且对于获能结构水流角度、叶片密度、叶片与壳体间的间隙对水轮机效率的影响[23]。与此同时英国的LunarEnergyLtd公司研制出2MW多叶片RTT(RotechTidalTurbine)潮流能水轮机，在机组外部安装直径25m的文氏管双向导流罩，既能增大发电机组叶轮的转速，又能适应潮流双向流动性，对于水能流水力发电装置的叶片设计提供了很大的帮助[24,25]。英国SeaGen潮汐能发电装置也已经投入商业运营[26]。如下图1-2所示。图1-2英国SeaGen潮汐能发电装置Figure1-2BritishSeaGentidalenergypowerplant如今，国内外对叶轮的研究主要有水平轴叶轮和垂直轴叶轮，水平轴叶轮和垂直轴叶轮各有利弊。垂直轴叶轮由于技术研发水平相对滞后、结构复杂，其在兆瓦级大型发电机市场占有率不高，所以现在大部分发电机叶轮都是水平轴的[27,28]，而水平轴叶轮发电效率低，启动流速较高[29,30]，所以如何提高水流能源的捕获效率，以及进一步提升发电的电能质量至关重要[31,32,33]。水平轴式叶轮采用水平轴式布局，是通过水流流动的动能带动叶轮旋转，从而进行发电[34,35]。而叶片的优化与选型，是垂直轴叶轮的主要研究内容。使用的叶片翼型不相同，将导致水流能发电装置的发电功率就不同，水力叶片的水力性能不同就会产生较为明显的差别[36,37]。安装垂直轴叶轮的周围将会产生比较复杂的、有一定规模的涡流运动[38]。垂直轴式潮流能水轮机当中，比较常用的是直叶片Darrieus水轮机和螺旋叶片Gorlov水轮机。这种水轮机结构简单、稳固可靠，适应实时流向等特点，在当前大能
中北大学学位论文7（1）利用贝茨理论进行功率计算得到理想出入口流速比；基于导流罩推力系数选择导流罩类型；基于叶素定理进行水平轴叶轮设计和尾流处垂直叶轮的设计。（2）根据已知数据、水力计算和功率效率计算获得的数据对水流加速装置、叶轮等零部件进行设计。所有的尺寸等数据都得到后，利用这些数据用SolidWorks对主要零部件进行三维建模，并装配整体装置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench的FluidFlow（Fluent）模块，提取流体域、划分网格、Fluent数值模拟计算以及后处理。根据水动力性能分析结果，对结构进行优化，得到最优整体装置。利用Fluent仿真软件进行整体分析，采用MRF（movingreferenceframe）模型，模拟经过简化的微水头低流速能量收集装置。（4）设计的原始样机，因体积较大不便于实验，所以又设计出实验室相似样机，相似样机与原始样机间缩放比例1：3。利用3D打印技术，得到设备的相似样机的零部件，并组装出实验相似样机。相似样机在户外微水头低流速水域进行实机测试，得到实验数据，并对实验数据进行分析，进一步优化设计，得到最优实验样机。本文设计所采用的技术路线如下图1-3所示：图1-3技术路线Figure1-3Technicalroute
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流体体积模型的叶片数对水车性能的影响[J]. 赵梦晌,郑源,杨春霞,臧伟. 排灌机械工程学报. 2020(07)
[2]垂直轴螺旋三角型叶轮的水动力学性能分析[J]. 朱国俊,景信信,冯建军. 水力发电学报. 2019(04)
[3]我国海洋能发电装置的测试和评价[J]. 王项南,贾宁,夏海南,张原飞,郭毅,王贞远,俞彦辉. 海洋开发与管理. 2018(06)
[4]基于FLUENT的长短叶片水轮机数值仿真[J]. 张树女,冯立斌,徐连奎. 软件导刊. 2018(05)
[5]A study on flow fields and performance of water wheel turbine using experimental and numerical analyses[J]. NGUYEN Manh Hung,JEONG Haechang,YANG Changjo. Science China（Technological Sciences）. 2018(03)
[6]尾水管整流筒的直径对水轮机性能的影响[J]. 杨栗晶,张军,晏成明,邓志辉. 太阳能学报. 2018(02)
[7]海洋能发电装置叶片翼形的性能分析与优化[J]. 刘爽,吕超,饶勇,王世明. 水电能源科学. 2018(02)
[8]一种潮流发电实验装置控制系统设计[J]. 杨伟峰,厉虹. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]浮管式水力发电机的轴和外壳的机械密封分析[J]. 杨林. 企业技术开发. 2017(09)
[10]基于叶素理论的潮流能水轮机叶片设计研究[J]. 李东阔,郑源,张玉全. 水力发电学报. 2017(07)
博士论文
[1]新型竖轴潮流能转换装置数值与试验研究[D]. 郭伟.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]新型浪流发电装置及叶片分析[D]. 赵飞.上海海洋大学 2017
[2]我国电能竞争力评价模型及应用研究[D]. 郭琳.华北电力大学(北京) 2016
[3]潮流水轮机发电效率及潮流能资源估算研究[D]. 王玉萌.山东大学 2014
[4]小型垂直轴风力机叶轮动力性能研究[D]. 徐艳飞.三峡大学 2012
[5]小型水流能发电装置设计与仿真[D]. 孟维文.武汉理工大学 2012
本文编号：3242324
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚能导流结构和水轮机示意图
中北大学学位论文5构，这种结构很好的解决了水流冲击叶片的角度，并且水流的速度也将发生变化。这种机构主要解决了水轮机效率偏低的问题。他们并且对于获能结构水流角度、叶片密度、叶片与壳体间的间隙对水轮机效率的影响[23]。与此同时英国的LunarEnergyLtd公司研制出2MW多叶片RTT(RotechTidalTurbine)潮流能水轮机，在机组外部安装直径25m的文氏管双向导流罩，既能增大发电机组叶轮的转速，又能适应潮流双向流动性，对于水能流水力发电装置的叶片设计提供了很大的帮助[24,25]。英国SeaGen潮汐能发电装置也已经投入商业运营[26]。如下图1-2所示。图1-2英国SeaGen潮汐能发电装置Figure1-2BritishSeaGentidalenergypowerplant如今，国内外对叶轮的研究主要有水平轴叶轮和垂直轴叶轮，水平轴叶轮和垂直轴叶轮各有利弊。垂直轴叶轮由于技术研发水平相对滞后、结构复杂，其在兆瓦级大型发电机市场占有率不高，所以现在大部分发电机叶轮都是水平轴的[27,28]，而水平轴叶轮发电效率低，启动流速较高[29,30]，所以如何提高水流能源的捕获效率，以及进一步提升发电的电能质量至关重要[31,32,33]。水平轴式叶轮采用水平轴式布局，是通过水流流动的动能带动叶轮旋转，从而进行发电[34,35]。而叶片的优化与选型，是垂直轴叶轮的主要研究内容。使用的叶片翼型不相同，将导致水流能发电装置的发电功率就不同，水力叶片的水力性能不同就会产生较为明显的差别[36,37]。安装垂直轴叶轮的周围将会产生比较复杂的、有一定规模的涡流运动[38]。垂直轴式潮流能水轮机当中，比较常用的是直叶片Darrieus水轮机和螺旋叶片Gorlov水轮机。这种水轮机结构简单、稳固可靠，适应实时流向等特点，在当前大能
中北大学学位论文7（1）利用贝茨理论进行功率计算得到理想出入口流速比；基于导流罩推力系数选择导流罩类型；基于叶素定理进行水平轴叶轮设计和尾流处垂直叶轮的设计。（2）根据已知数据、水力计算和功率效率计算获得的数据对水流加速装置、叶轮等零部件进行设计。所有的尺寸等数据都得到后，利用这些数据用SolidWorks对主要零部件进行三维建模，并装配整体装置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench的FluidFlow（Fluent）模块，提取流体域、划分网格、Fluent数值模拟计算以及后处理。根据水动力性能分析结果，对结构进行优化，得到最优整体装置。利用Fluent仿真软件进行整体分析，采用MRF（movingreferenceframe）模型，模拟经过简化的微水头低流速能量收集装置。（4）设计的原始样机，因体积较大不便于实验，所以又设计出实验室相似样机，相似样机与原始样机间缩放比例1：3。利用3D打印技术，得到设备的相似样机的零部件，并组装出实验相似样机。相似样机在户外微水头低流速水域进行实机测试，得到实验数据，并对实验数据进行分析，进一步优化设计，得到最优实验样机。本文设计所采用的技术路线如下图1-3所示：图1-3技术路线Figure1-3Technicalroute
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流体体积模型的叶片数对水车性能的影响[J]. 赵梦晌,郑源,杨春霞,臧伟. 排灌机械工程学报. 2020(07)
[2]垂直轴螺旋三角型叶轮的水动力学性能分析[J]. 朱国俊,景信信,冯建军. 水力发电学报. 2019(04)
[3]我国海洋能发电装置的测试和评价[J]. 王项南,贾宁,夏海南,张原飞,郭毅,王贞远,俞彦辉. 海洋开发与管理. 2018(06)
[4]基于FLUENT的长短叶片水轮机数值仿真[J]. 张树女,冯立斌,徐连奎. 软件导刊. 2018(05)
[5]A study on flow fields and performance of water wheel turbine using experimental and numerical analyses[J]. NGUYEN Manh Hung,JEONG Haechang,YANG Changjo. Science China（Technological Sciences）. 2018(03)
[6]尾水管整流筒的直径对水轮机性能的影响[J]. 杨栗晶,张军,晏成明,邓志辉. 太阳能学报. 2018(02)
[7]海洋能发电装置叶片翼形的性能分析与优化[J]. 刘爽,吕超,饶勇,王世明. 水电能源科学. 2018(02)
[8]一种潮流发电实验装置控制系统设计[J]. 杨伟峰,厉虹. 北京信息科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]浮管式水力发电机的轴和外壳的机械密封分析[J]. 杨林. 企业技术开发. 2017(09)
[10]基于叶素理论的潮流能水轮机叶片设计研究[J]. 李东阔,郑源,张玉全. 水力发电学报. 2017(07)
博士论文
[1]新型竖轴潮流能转换装置数值与试验研究[D]. 郭伟.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]新型浪流发电装置及叶片分析[D]. 赵飞.上海海洋大学 2017
[2]我国电能竞争力评价模型及应用研究[D]. 郭琳.华北电力大学(北京) 2016
[3]潮流水轮机发电效率及潮流能资源估算研究[D]. 王玉萌.山东大学 2014
[4]小型垂直轴风力机叶轮动力性能研究[D]. 徐艳飞.三峡大学 2012
[5]小型水流能发电装置设计与仿真[D]. 孟维文.武汉理工大学 2012
本文编号：3242324
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