半转叶轮水能捕获装置设计及其启动性能分析

发布时间：2020-10-09 20:30

　　水力资源作为一种储存量大、能量密度高、可持续性强的绿色能源,其开发和利用受到越来越多的重视。水能捕获装置是一种将水能量捕捉和转换的机械装置,是水力资源开发的核心设备。研发一种启动性能优、应用范围广的水能捕获装置具有很大的意义和很高的研究价值。本文在课题组前期研制的半转机构的基础上,提出了一种新型的半转叶轮水能捕获装置,并重点开展了半转叶轮水能捕获装置在静止和低速运动状态下的启动性能,旨在为半转叶轮水能捕获装置进一步的研究提供实践指导。首先,提出一种新型的水能量捕获-转换系统概念,并且对相匹配的水能捕获装置提出了设计要求。根据设计要求,设计一种新型的半转叶轮水能捕获装置,简单介绍该水能捕获装置的工作原理,并且对主要零部件进行机构设计,绘制了零件的三维模型和整体样机装配模型。基于设计的半转叶轮水能捕获装置设计方案,通过对比分析和综合考虑,确定了该水能捕获装置的安装方式为漂浮式,并初步设计了安装平台。其次,针对所设计的半转叶轮水能捕获装置,建立了启动转矩的数学计算模型,使用数值模拟计算的CFD方法,通过XFlow软件,对该捕获装置的静止状态下的启动性能进行研究。通过控制变量的实验方法,先后单独改变计算模型的来流速度、叶片展弦比和转动臂长度,探究其对于捕能装置启动性能的影响。实验结果发现在一定范围内,叶片展弦比越大,启动性能越好,并且影响着自启最优和最差的位置分布。来流速度的增加能够大大提升装置的启动性能,故有针对性地设计了聚流增速装置并发现,对于折线型聚流装置而言,增加折角相对增加折弯长度,能够更好的增加聚流增速效果。然后,对低速运转的半转叶轮水能捕获装置的启动性能进行了研究。主要是针对其输出转矩,建立了半转叶轮输出转矩的计算模型,推导出半转叶轮在任意位置受到的来流作用力以及输出转矩大小的计算方程。为检验计算方程的准确性,建立半转叶轮数值分析模型,将数值模拟计算的输出转矩与理论公式计算的输出转矩进行对比,验证所建立的数学模型的准确性。基于推导出的理论公式,以平均转矩系数为目标函数,通过MATLAB优化工具箱对半转叶轮的结构参数进行优化,在允许范围内得到了半转叶轮结构参数的近优解,并且在此参数条件下,计算出半转叶轮周期内的最小输出转矩,为后期外部负载的添加提供了参考。最后,根据半转叶轮水能捕获装置的设计方案,综合考虑水能捕获装置的工作环境和运行情况,对样机零件进行加工,包括零部件材料的选择、加工和装配,完成了半转叶轮水能捕获装置物理样机的制作。针对加工的半转叶轮水能捕获装置物理样机,设计了简单的实验平台并采用漂浮式造流装置模拟来流作用,开展样机的启动运行实验。结果验证了该水能捕获装置设计方案的可行性,并发现半转叶轮水能捕获装置具有良好的启动性能,表明了该半转叶轮水能捕获装置样机初步达到了设计目的。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK730.2
【部分图文】：

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图1.1 Polo漂浮式潮流电站示意图图1.2 Kobold水轮机意大利的PAISA公司和Naples大学航空工程系的研究人员于2000年共同研制出了Kobold型水轮机，如图1.2所示。该水轮机为垂直轴升力型水轮机，叶轮直径6m，叶片弦长0.4m，设计正常工作的来流流速2m/s，额定功率130kw，并在Messina海峡完成了海上测试[17]。英国Engineering Business Ltd公司于2002年成功设计一种新型的振荡式Stingray潮流能水轮机，并进行了海试并且成功运行发电，如图1.3所示。当来流速度为2.4m/s 时，样机的最大输出功率达到150kw，平均功率为90kw[18]。

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英国Engineering Business Ltd公司于2002年成功设计一种新型的振荡式Stingray潮流能水轮机，并进行了海试并且成功运行发电，如图1.3所示。当来流速度为2.4m/s 时，样机的最大输出功率达到150kw，平均功率为90kw[18]。图1.3 振荡式 Stingray 潮流能发电装置加拿大的Blue Energy公司研制出了Davis型垂直轴水轮机，如图1.4所示[19]。该水轮机采用4叶片、定桨距的形式，并且在此基础上安装了导流装置，并且制造了物理样机后进行实验，实测的结果表明最大输出功率达到了100kw。

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