座底式水平轴潮流能转换装置设计研究

发布时间：2020-05-25 04:32

【摘要】：海洋可再生潮流能源发电装置在技术开发和工程示范两个方面都在快速发展，然而关于潮流能发电装置总体及其性能设计方面的研究及其设计方法的探索较少，远远不能满足当今技术应用快速发展的需求。本文针对开发座底式水平轴潮流能转换技术，开展潮流能发电装置的总体设计、流体动力性能与载荷、支撑结构的强度和整体稳定性研究，并基于方案设计和分析结果进行优化选型，为座海底式海洋潮流能电站的总体设计提供设计方法和基础理论依据。本文首先介绍了潮流能水轮机的分类及国内外的研究进展，指出了潮流发电装置的发展趋势。对水平轴潮流电站的总体设计概念形式进行分类，总结概括各自的优缺点。然后讨论了潮流电站的工程设计方法，详细阐述了电站总体设计思路和流程，，提出导流增强型潮流能发电装置的转子主尺度和总体设计方案。接着基于计算流体力学和海洋工程结构环境载荷的理论对潮流电站的水动力载荷进行了详细计算。采用CFD方法计算转子的水动力性能，给出了加导流罩前后叶轮的流载荷；采用海洋工程经验公式估算支撑结构的流载荷。然后根据载荷和潮流流动特性给出支撑结构的初步设计方案，分析了三种方案在极限流载荷作用下的性能，依据海洋工程结构的相关规范对结构性能进行评估。最后，从倾覆性和漂移性两方面对三种设计方案进行整体稳定性分析。结果表明：通过对不同支撑结构的方案对比可以得到，四边形底座更易满足强度和变形的要求，三角形底座的经济性和可操控性较好。同时通过调整压载成分的比例，使得三角形底座方案的经济性达到最优。综上所述，选取三角形底座为最佳方案。本文在水平轴潮流水轮机方面的工作主要体现在提出了潮流能发电装置的总体设计方法，考虑工程实际因素，提出了可拆卸的座底式结构设计新方案，并通过结构强度和稳性研究给出优化选型，解决了潮流电站自动换向和安装维护过程中的诸多难题，对于今后大规模开发利用潮流能具有重要的参考价值。本文的研究成果已应用于哈尔滨工程大学“海明-I”号10kW潮流能独立发电系统的研制。
【图文】：

水轮机,基本类型,潮流

图 1.1 潮流水轮机的基本类型潮流能水轮机按照能量转换装置的结构形式来分，可以分为水平轴式（也称横或桨叶式，HAT）、垂直轴式（也称竖轴式或 Dairies 式，VAT）以及基于线性升式的装置三种（如图 1.1 所示）。垂直轴水轮机的主要特点是受来流方向影响小启动性能相对较好。水平轴叶轮的特点旋转平面垂直转轴，旋转平面正对来流方向叶片在展向上围绕一个轴心逐渐扭转，并且弦长逐渐减小。与垂直轴叶轮相比，有在工作流场中载荷变化不剧烈，功率输出较稳定，流动干扰较小的优点，但是片结构较复杂，叶根处载荷较大，受到流向影响较大等缺点。潮流能发电装置按载体安装形式大体可分为：重力式（座底式）、漂浮式、桩。所谓重力式，也称座底式，可以理解为依靠重力基脚，加大装置与海底产生的力，从而使装置固定在海底的结构形式。漂浮式水轮机可以理解为载体装置浮于或水面，并由连接于海底的锚链或张力腿固定的水轮机装置。所谓桩柱式，即支构主体为一个立柱，立柱一端桩固于海底的结构形式。

样机试验,浙江大学,海流能

行试验[3]。20 世纪 90 年代以来，我国开始计划建造海流能示范应用电站，在“八，“九五”科技攻关中均对海流能发电进行立项研究[3]。2002 年，哈尔滨工程大学自计建造了我国第一座 70kw 的潮流实验电站[3]；2005 年国家“863”科技计划的 40kw能发电实验电站在浙江舟山市岱山县建成并发电成功[3]。2011 年国家海洋公益性科研专项支持的 10kw 水平轴座底式潮流发电装置再次研究成功，并在浙江省岱跨海桥下持续运行[3]。浙江大学在国家自然科学基金资助下开始进行“水下风车”键技术研究，2006 年 4 月 26 日在浙江省舟山市岱山县进行了 5kW，叶轮半径为的水平轴螺旋桨式海流能发电样机（图 1.2）运行试验[4]。同年，东北师范大学研功小型低功率的放置于海底的低流速海流能发电机（图 1.3）[5]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM612;P743

【参考文献】