水平轴潮流能发电机透平研究

发布时间：2017-03-28 09:09

  本文关键词：水平轴潮流能发电机透平研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋能作为一种可再生能源和新能源,它储量巨大、开发价值巨大、对环境友好。其中,潮流能是最具规律性和最易开发的一种海洋能形式,开发价值巨大。开展海洋潮流能利用技术的研究工作对我国的可持续发展和节能减排有着深远的意义。目前潮流能研究技术走在前列的是欧洲,因为中国的潮流能资源密跟欧洲相比低很多,所以他们的技术在中国并不适用。水利机械都面临空化的问题,同样潮流发电机透平也面临这个问题。论文围绕设计、分析适应低流速叶片和适应双向流叶片,研究水平轴透平避免产生空化的措施等方面展开,进行了深入的理论分析、数值模拟和实验研究,主要研究内容包括以下几点:(1)研究透平设计理论。首次将Schmitz理论应用于潮流能发电机透平的设计和性能分析。它有别于传统的BEM和Glauert理论相结合的动量叶素设计理论,可以更简捷的找到工况下的最佳设计点。(2)在理论上充分论证了叶片弦长、安装角、实度和透平的启动能力、效率之间的关系,为实验研究做理论分析。(3)设计多种模型试验,验证理论分析的结果。一共设计7种叶片,15组透平进行水槽模型实验。(4)以2.5k W水平轴潮流发电机的拖动实验为基础,结合CFD仿真结果,研究叶片压力分布、透平后面流线情况、研究可能出现空化的部位和防止空化的措施。本文综合运用理论分析、实验研究、数值模拟的方法研究水平轴潮流能透平,得到的结论主要有:(1)叶片弦长分布对透平的启动能力有很大影响。本文通过理论分析和模型试验的方式研究叶片性能和叶片弦长的关系。研究表明扭曲叶片在保证透平实度不变的情况下,改变弦长分布可以明显改善涡轮的启动性能。直叶片弦长分布改变对启动性能影响不大。(2)叶片安装角分布对透平的启动力矩和效率起决定作用。对于直叶片保证安装角不变,增大叶片实度可以增加启动力矩;保证实度不变,增加安装角也会增大启动力矩。(3)为了适应双向流,本文设计一种新型无源自变距叶片,并进行实验研究,证明这是一种完全可行的设计方案。(4)利用Xfoil和Fluent软件可以有效预测叶片空化的产生。增大透平实度,降低叶尖速比,选择合适安装角都可以防止空化产生。通过研究得到的结论可用于设计适应中国低流速潮流能现状、适应潮流双向流特点的叶片。提出的防止空化出现的措施可以用在叶片设计中。此外,本文还对试验中的边界效应,用Fluent软件进行了修正。
【关键词】：潮流能发电机透平 弦长 安装角 启动力矩 效率
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P743.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 课题研究背景10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 我国潮流能资源情况11
• 1.1.3 潮流能利用的基本概念11-12
• 1.2 国内外研究进展12-21
• 1.2.1 国外潮流能装置研发现状12-16
• 1.2.2 国内潮流能装置研究现状16-21
• 1.3 国内外潮流能透平仿真、实验研究进展21-23
• 1.4 本文主要研究内容23-25
• 第二章 透平设计、分析的理论研究25-41
• 2.1 研究内容25
• 2.2 叶片设计的基础理论25-28
• 2.2.1 贝茨理论25-26
• 2.2.2 叶素-动量理论26-28
• 2.3 以SCHMITZ理论为基础的叶素动量理论的叶片设计28-35
• 2.3.1 数学模型及程序设计28-29
• 2.3.2 叶片设计29-33
• 2.3.3 分离和空化研究33-35
• 2.4 透平启动性能研究35-38
• 2.4.1 直叶片透平启动性能跟弦长分布关系35
• 2.4.2 扭曲叶片透平启动性能跟弦长分布关系35-37
• 2.4.3 叶轮启动性能跟安装角分布关系37-38
• 2.5 叶轮效率跟弦长分布关系38
• 2.6 叶轮实度跟叶轮性能关系38-40
• 2.7 本章总结40-41
• 第三章 物理模型的实验研究41-55
• 3.1 实验条件41-43
• 3.2 发电机43-45
• 3.2.1 发电机的密封及磁力耦合器结构原理43
• 3.2.2 磁力耦合器的设计43-45
• 3.2.3 磁力耦合驱动的优点45
• 3.3 叶片的结构设计及加工45-48
• 3.4 实验结果48-51
• 3.4.1 边界效应48-49
• 3.4.2 实验结果49-51
• 3.5 实验结果分析51-54
• 3.5.1 扭曲叶片实度跟叶片性能关系52
• 3.5.2 叶片弦长分布跟透平启动能力关系52
• 3.5.3 叶片安装角分布跟透平启动能力关系52-53
• 3.5.4 直叶片安装角跟透平效率关系53
• 3.5.5 新型无源自变距叶片的性能对比53-54
• 3.6 本章总结54-55
• 第四章 以 2.5KW为例的数值模拟和水池拖动实验研究55-76
• 4.1 CFD求解的过程55-58
• 4.1.1 基本方程56-58
• 4.1.2 计算域离散化58
• 4.2 2.5KW透平的几何模型的建立58-61
• 4.3 DM中流体域的创建61
• 4.4 网格划分、湍流模型及边界条件设定61-64
• 4.5 仿真结果分析64-70
• 4.5.1 压力分布及空化预测64-69
• 4.5.2 防止空化产生的措施69
• 4.5.3 流场研究69-70
• 4.6 拖动实验70-74
• 4.6.1 阻塞修正71
• 4.6.2 实验结果分析71-74
• 4.7 仿真与实验的对比74-75
• 4.8 本章总结75-76
• 第五章 总结及展望76-78
• 5.1 工作总结76
• 5.2 本文创新点76-77
• 5.3 论文不足之处及未来工作展望77-78
• 参考文献78-89
• 致谢89-90
• 在学期间公开发表论文及专利情况90-91
• 作者简介91

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