叶片姿势可变的潮流能获能水轮机设计
本文选题:潮流能水轮机 + 受力分析 ; 参考:《山东大学》2014年硕士论文
【摘要】:潮流能获能水轮机是潮流能开发利用的主要设备。随着能源和环境问题不断加剧,研究和设计捕获海水动能的水轮机意义重大。研发过程中,对叶片和叶轮进行合理有效的受力分析,可以为结构设计提供依据;对聚能导流结构进行水动力特性研究可以优化其结构形式;采用有限元分析方法可以对机架结构进行强度评定,为其设计是否合理提供判断依据。 本论文以一种叶片姿势可变的潮流能获能水轮机的研发为背景,对其工作原理进行了阐述,总结了该水轮机在能量获取和利用上的特点和优势;对叶片及叶轮进行了受力分析,为样机结构设计提供了依据。 根据目标海域情况,确定了12kW样机机组主要设计参数,完成了材料选择、防腐与密封设计;依据理论分析结果完成了叶轮设计;确定了半直驱式机组增速方案,完成了发电机选用和轴承及联轴器选型与校核。 针对潮流双向性及本研究中水轮机特点,提出了直板型、圆弧型和S1223RTL翼型前板三种导流结构;借助Fluent软件,以增速比和阻力系数为性能评定指标,确定了圆弧型导流结构是最优类型;根据绘制出的相应增速比和阻力系数曲线,确定了前板张角和半径、后板半径等参数的最优值,并对不同流速下最优参数导流结构性能进行了分析。分析结果得出,圆弧前板导流结构可以大幅增加来流速度,并改善水流流场分布,间接提高水轮机能量利用率。 论文参考CCS《浅海固定平台规范》等对水轮机机架进行了结构设计,然后计算了机架结构所受载荷,利用ANSYS Workbench对简化模型进行有限元分析,得出了最大应力值及存在区域;针对小于材料许用安全系数的区域,采用加强和局部优化的方式进行再次设计,确定了满足强度要求的结构形式和设计尺寸。最后,完成了样机总体布局。
[Abstract]:With the increasing of energy and environmental problems , the research and design of water turbine capturing kinetic energy of sea water is of great significance . In the process of R & D , the rational and effective stress analysis of blades and impellers can provide the basis for structural design .
The structural form can be optimized by studying the hydrodynamic characteristics of the energy - collecting diversion structure , and the strength assessment of the frame structure can be carried out by using the finite element analysis method , so that the judgment basis can be reasonably provided for the design .
In this paper , the principle of energy harvesting and utilization of the water turbine is summarized .
The stress analysis of the blade and the impeller is carried out to provide the basis for the structural design of the prototype .
According to the target sea area , the main design parameters of 12kW prototype unit are determined , the material selection , anti - corrosion and sealing design are completed ;
According to the theoretical analysis result , the design of the impeller is completed ;
The speed increasing scheme of the semi - direct drive unit is determined , the selection of generator and the selection and checking of the bearing and coupling are completed .
According to the trend of tidal current and the characteristics of turbine in this study , three kinds of diversion structures of straight plate type , circular arc shape and S1223RTL airfoil front plate are proposed .
Based on the performance evaluation index of speed - increasing ratio and drag coefficient , the optimal type of arc - shaped diversion structure is determined .
According to the corresponding speed - increasing ratio and the drag coefficient curve , the optimal values of the parameters such as the angle of the front plate and the radius of the back plate are determined , and the performance of the optimal parameter guide structure at different flow rates is analyzed . The results show that the guide structure of the circular arc front plate can increase the flow velocity greatly and improve the distribution of the flow field of the water flow , and the energy utilization rate of the turbine is indirectly improved .
In this paper , the structure design of the water turbine frame is carried out with reference to CCS , shallow sea fixed platform , and the load of the frame structure is calculated , and the simplified model is subjected to finite element analysis by ANSYS Workbench , and the maximum stress value and the existence area are obtained ;
In view of the area less than the allowable safety factor of the material , the structural form and the design dimension which meet the strength requirement are determined by means of reinforcement and local optimization . Finally , the general layout of the prototype is completed .
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TK730.2
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,本文编号:1962564
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