双级串联水平轴海流能发电捕能装置设计与仿真研究

发布时间：2020-09-28 12:28

　　为缓解化石能源与生态环境的矛盾,人类在探索可再生清洁能源的道路上不断深入,海洋作为一座资源的宝库,开始受到各国关注。其中海流能具有源源不断,清洁高效的特点,如果能够妥善利用,可有效缓解能源紧缺的问题。(1)完成了海流能发电机捕能装置的总体设计。首先,通过分析海流能发电装置能量转换机理与渤海海峡老铁山水道的水文特性,确定采用水平轴海流能发电装置的方案;其次,提出了采用多级叶轮对称布置方案,以平衡装置质量,分散叶片所受海流推力,提高装置整体发电效率;然后,提出了采用导流罩来提高装置发电效率;利用数值计算方法,分析了三种不同形式导流罩的水动力性能,并确定了该导流罩的结构参数;接着,利用贝兹曲线绘制叶片翼型,推导了叶片型线方程,编制了海流能发电装置叶型设计软件,并对五组不同参数翼型进行数值计算分析,确定了最佳叶片翼型;最终,根据本次设计要求,设计计算了海流能发电装置的叶轮参数。(2)完成了装置水动力特性分析。首先,利用仿真软件对比分析了装置在有、无导流罩两种工况下的工作性能,验证了利用装置导流罩提高发电性能的可行性;其次,利用CFD计算方法对比分析单级叶轮、二级叶轮、三级叶轮在不同转速下的水动力特性,验证了二级叶轮方案的可行性,并得出叶轮最佳转速;最后,通过分析叶轮轴向间距与装置发电效率之间的关系,给出了叶轮最佳布置方案。(3)完成了装置支撑结构选择和稳定性分析。首先,对比分析了常用支撑结构的优缺点,根据本设计的结构特点选择三角支撑方案;其次,根据装置的稳性设计原则设计计算了支撑架的结构参数,并利用Fluent计算了装置各部件所承受的载荷;最后,通过ANSYS Workbench对底座支撑结构进行在海水预压力下的模态分析,验证了装置的整体稳定性。
【学位单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P742;P743.1
【部分图文】：

海流能,发电装置

中国石油大学（华东）工程硕士学位论文3床上，如图1-1(b)所示。尽管海流能发电装置五花八门，然而仍然没有一种装置能够适应所有海流环境(a) 垂直轴漂浮式[10](b) 水平轴桩基式[11]图 1-1 海流能发电装置分类Fig1-1 Classification of ocean current power generation devices1.2.2 国外海流能开发进程国外很早就认识到海流能的诸多优点，并且积极探索与研究这种潜力巨大的新能源。据记载，中世纪就已出现了最早的海流能利用装置，到了20世纪初期，就有了利用海流能的初期构想[10]。然而，一直到20世纪中期，人们才开始真正大规模的研究与利用这种可再生能源。目前国外开发利用海流能技术已经开始呈现出多样化的发展态势，其中最引人关注的当属海流能发电技术

风车,发电机组

第一章绪论F-Energy)公司等多家能源巨头联合研制并开发的，前期投资高达 600万欧元，3 年，该装置已经开始试验运行，并且获得成功，目前已进入商业运行阶段，早发电机组单台装机容量仅有 300千瓦，在最近的一次设备维护中，又为其加装量为 1200千瓦发电机组。如图 1-2(a)所示，“海流”发电机组就像是两个手臂台转向相反的风车，该装置属于典型的桩基式海流能发电装置，适宜在2~3m/运行[9]。该装置的最大特点是，挂载臂可以通过举升机构上下移动，用于将装海面维护，为了保持平衡，以及抵消叶轮旋转扭矩，挂载臂两端的发电机组采方案，为了降低二级叶轮流场的相互影响，装置叶轮均采用两个叶片。该装置特点是，装置的桩基有部分伸出海面，用于安装发电装置的控制系统，防止海但这也增加了装置被过往船只撞击的风险。由于在单个装置上布置了两台机组装置的整体稳定性下降，叶轮回转直径与转速受到限制[13]。

全贯,流式,发电机组,海流能

流罩聚能的全贯流式海流能发电装置。图 1-3(a)是美国 NRL研究室研制的无库式海流能发电装置[15,16]，该装置的最大特点是，没有转轴，并且回转中心开放，这样就大大减小了轴向推力，同时又增加了海水的过流速度。该装置的叶轮相当于发电机转子，固定叶轮的支架相当于定子绕组，由于受到叶轮自重的限制，该装置的叶轮直径仅有6m，装机容量仅为 120千瓦[10]。图 1-3(b)为英国月球能源公司与E.ON公司共同研制的水平轴式海流能发电装置(Rotech)[17,18]，该装置的设计是基于对潮汐能的利用，因此该装置设计有转向机构，以调节导流罩入口位置[10-12]。该装置的最大特点是，采用模块化设计，即装置的各部件均可独立拆装，便于安装维护。目前该装置已完成了在格拉斯哥大学的试验运行，并获得成功。该发电机组的底部支撑机构与 Tideverk 发电机组类似，均采用三角支撑式结构，这是由于装置的导流罩在增加叶轮来流速度的同时也大大增加了装置的轴向推力与装置的自重。

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