复杂海况下竖轴水轮机能量捕获效率研究

发布时间：2020-10-11 15:44

　　 目前国内水轮机发电机组大多处于海上试验阶段,浮式平台支撑结构形式以其经济优势和方便维护等特点成为现阶段国内水轮机发电机组最普遍采用的支撑结构方式。因此对浮式水轮机的性能研究,以及探究影响其性能的影响因素是研究人员目前需要解决的问题。本文以2*150KW三体船漂浮式结构平台支撑的直叶片五悬臂竖轴潮流能发电水轮机为研究对象,对其在复杂海况下水轮机能量捕获效率进行研究。首先在理论层面上,引入流管法—双多流管模型来建立水轮机叶轮盘面的理论推导模型,在积分微元的过程中,把盘面分割成无数流管通道,整个盘面又被看作是来流先后通过的上下两个盘面,分别对叶轮盘面的受力运动分析进行研究,从而引入诱导速度的计算,得到水轮机静力下的性能预测。从基础力学理论上估测水轮机在定常流下的性能,同时为数值模拟分析提供理论参考。之后研究在不考虑浮式平台的情况下,水轮机发电装置叶轮流场在不同流速和叶尖速比工况下的水动力性能。运用RANS方程下的湍流模型,考虑壁面影响,用ANYSIS-FLUENT模拟水轮机在非定常状态下瞬态的受力和转矩。对不同来流和不同叶尖速比工况下的水轮机叶轮非定常流场进行分析。分析比较不同工况下水轮机在流场中的能量捕获效率。然后研究浮式平台在复杂海况下的运动情况。建立了三维势流理论为基础的平台运动学和动力学方程,通过简化UG模型,建立平台的运动结构模型并添加合理约束,用AQWA进行平台的运动学响应频域分析,基于频域分析响应的结果作为初值的基础上提出时域分析方法,分别模拟在不同风浪载荷,不同频率和浪相角下,载体的运动响应。最后通过对复杂海况数据进行处理分析,选出计算的工作海况和极限海况条件,结合环境载荷数据,用UDF编译给水轮机叶轮来定义水轮机的运动。给出算例,预测水轮机受单自由度(纵摇,纵荡)波动状态下的能量捕获效率变化。结果表明,CFD数值模拟方法求得的水轮机能量捕获效率要略大于理论流管法。在复杂环境载荷的作用下,水轮机平台产生晃动,其中纵摇的响应幅值最大,其次是横摇、纵荡和横荡。纵荡运动对水轮机能量捕获影响不大;纵摇运动对水轮机的能量捕获产生小幅度的增大效果。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P743;P742
【部分图文】：

菇锥蝃7]。国内在水轮机水动力性能和结构对水轮机的影响研究正处于起步阶段，与国外很多国家已经成功并网发电的先进技术水平相比还有很大的进步空间，因此国内水轮机的研究者在研究过程中主要是跟踪国际技术前沿，着重于概念研究、理论分析、软件仿真，为未来的水轮机能量捕获效率的提升，为水轮机并网发电的实现进行技术储备。下面将对现有潮流能发电水轮机研究现状进行综述，由于本文研究参考机型为竖轴潮流能水轮机，因此综述更偏重于竖轴水轮机，更多是对现阶段国内外成熟机型进行介绍，对后续研究具有参考意义。图1.1潮流能发电系统组成

5能量储备KW/m228.9925.9323.8917.4115.1然而在潮流能的利用上，我国与世界上大多数发展中国家一样，尚处在试验研发阶段，还有很大的进步空间。虽然我国从20世纪80年代开始建设一些小发电站，例如在1980年哈尔滨工程大学研制的竖轴直叶片摆线水轮机，如图1.2所示该水轮机成为国内首个自主研制的水轮机，但因当时技术条件所限，发电效果并不理想。同期的一些水轮机发电装置，由于发电效果没有达到预期，大部分也已报废拆除。但研究人员没有局限住自己的脚步，特别在近二十年中，国内潮流水轮机的研究得到快速发展。图1.2哈尔滨工程大学首次试制的水轮机近几年随着国家战略和人们意识对清洁能源的利用越来越重视，潮流能利用技术的发展速度。在国家863计划的支持下，2002年5月，哈尔滨工程大学团队研发的“万向I”实验电站如图1.3(a)所示，它的单机发电量能够达到70KW，采用漂浮式的平台结构，其潮流能发电站在浙江建造并完成实验，特别地，“万向Ⅰ”是我国第一台高校研制建立成功的使用潮流能的实验电站[12]；三年后，如图1.3(b)名为“万向Ⅱ”的40kW海底式潮流电站进行了海洋实验，并取得了成功[13]；2013年，漂浮式潮流能电站“海能Ⅰ”号建成并完成海上实验，其电站总容量达到了300kW[14]，如图1.4(a)它是首个高校自主研制的百千瓦量级电站。在此之后哈尔滨工程大学又继续研制了一种200kW发电能力的水平轴双叶片发电装置“海能Ⅱ”和垂直轴发电装置如图1.4(b)“海能Ⅲ”[15]。因为它们都是采用浮式平台结构，因此在海上实验的过程中，发现波浪对水轮机平台的影响不可忽视，大风大浪均会对水轮机的能量捕获和结构强度带来巨大挑战。此外中国海洋大学的王树杰等人研制了类似帆翼形状的柔性叶片如图1.5所示的海上发电水轮机并在青岛

6(a)“万向Ⅰ”(b)“万向Ⅱ”图1.3“万向”水轮机(a)“海能Ⅱ”(b)“海能Ⅲ”图1.4“海能”水轮机图1.5中国海洋大学柔性叶片海上水轮机过去几年中，除了样机和实验机型的设计制造，通过数值模拟和实验，研究人员进行了大量的竖直轴水轮机的相关研究，以理解竖直轴水轮机的流体运动状态以及对其参数进行优化设计。例如研究了水轮机离水深的最优参数，水轮机可变偏角的优化方法，水轮机机械结构设计优化，水轮机核心部件材料优化，水轮机机组的布置形式等等，从而提高水轮机组性能，为我国水轮机实现并网的目标提供理论技术支持。在海洋潮流能领域，竖轴水轮机在过去10年中经过了深入研究，不管是在经济上还是在技术上已经成为海洋电力设备中最可行的设备之一，然而，在竖轴水轮机整个行业发展的过程中，
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本文编号：2836794