微水頭低流速能量收集裝置結構設計與仿真分析
發(fā)布時間：2021-06-22 06:30
水能是我國僅次于煤炭的第二大能源,也是可再生能源中能夠形成最大供給規(guī)模的清潔能源,而其中豐富的微水頭資源（河流、運河、水庫、電廠尾水、管道供水、城市廢水、海洋新能源等）因經濟效益相對較低,未得到有效開發(fā)利用,有廣闊的開發(fā)前景,如何有效的利用微水頭資源,進行水力發(fā)電是水資源利用和水電技術的一個重要方面和研究課題。鑒于現有水力發(fā)電裝置多集中于勢能發(fā)電,而針對動能的潮流能水輪機有體積過大、啟動流速高等問題,設計了微水頭低流速的發(fā)電裝置。該裝置由水流加速裝置、復合葉輪、發(fā)電機、尾水管組成。水流加速裝置由水流梯度導流罩、入水口和導流葉片組成;復合葉輪由水平軸葉輪、翼型垂直軸葉輪、錐齒組組成。本文的主要研究內容包括:（1）利用貝茨理論進行功率計算得到理想出入口流速比;基于導流罩推力系數選擇導流罩類型;基于葉素定理進行水平軸葉輪設計和尾流處垂直葉輪的設計。（2）根據已知數據、水力計算和功率效率計算獲得的數據對水流加速裝置、葉輪等主要零部件進行設計。所有的尺寸等數據都得到后,利用這些數據用SolidWorks對主要零部件進行三維建模,并裝配整體裝置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench...
【文章來源】：中北大學山西省
【文章頁數】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
聚能導流結構和水輪機示意圖
中北大學學位論文5構，這種結構很好的解決了水流沖擊葉片的角度，并且水流的速度也將發(fā)生變化。這種機構主要解決了水輪機效率偏低的問題。他們并且對于獲能結構水流角度、葉片密度、葉片與殼體間的間隙對水輪機效率的影響[23]。與此同時英國的LunarEnergyLtd公司研制出2MW多葉片RTT(RotechTidalTurbine)潮流能水輪機，在機組外部安裝直徑25m的文氏管雙向導流罩，既能增大發(fā)電機組葉輪的轉速，又能適應潮流雙向流動性，對于水能流水力發(fā)電裝置的葉片設計提供了很大的幫助[24,25]。英國SeaGen潮汐能發(fā)電裝置也已經投入商業(yè)運營[26]。如下圖1-2所示。圖1-2英國SeaGen潮汐能發(fā)電裝置Figure1-2BritishSeaGentidalenergypowerplant如今，國內外對葉輪的研究主要有水平軸葉輪和垂直軸葉輪，水平軸葉輪和垂直軸葉輪各有利弊。垂直軸葉輪由于技術研發(fā)水平相對滯后、結構復雜，其在兆瓦級大型發(fā)電機市場占有率不高，所以現在大部分發(fā)電機葉輪都是水平軸的[27,28]，而水平軸葉輪發(fā)電效率低，啟動流速較高[29,30]，所以如何提高水流能源的捕獲效率，以及進一步提升發(fā)電的電能質量至關重要[31,32,33]。水平軸式葉輪采用水平軸式布局，是通過水流流動的動能帶動葉輪旋轉，從而進行發(fā)電[34,35]。而葉片的優(yōu)化與選型，是垂直軸葉輪的主要研究內容。使用的葉片翼型不相同，將導致水流能發(fā)電裝置的發(fā)電功率就不同，水力葉片的水力性能不同就會產生較為明顯的差別[36,37]。安裝垂直軸葉輪的周圍將會產生比較復雜的、有一定規(guī)模的渦流運動[38]。垂直軸式潮流能水輪機當中，比較常用的是直葉片Darrieus水輪機和螺旋葉片Gorlov水輪機。這種水輪機結構簡單、穩(wěn)固可靠，適應實時流向等特點，在當前大能
中北大學學位論文7（1）利用貝茨理論進行功率計算得到理想出入口流速比；基于導流罩推力系數選擇導流罩類型；基于葉素定理進行水平軸葉輪設計和尾流處垂直葉輪的設計。（2）根據已知數據、水力計算和功率效率計算獲得的數據對水流加速裝置、葉輪等零部件進行設計。所有的尺寸等數據都得到后，利用這些數據用SolidWorks對主要零部件進行三維建模，并裝配整體裝置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench的FluidFlow（Fluent）模塊，提取流體域、劃分網格、Fluent數值模擬計算以及后處理。根據水動力性能分析結果，對結構進行優(yōu)化，得到最優(yōu)整體裝置。利用Fluent仿真軟件進行整體分析，采用MRF（movingreferenceframe）模型，模擬經過簡化的微水頭低流速能量收集裝置。（4）設計的原始樣機，因體積較大不便于實驗，所以又設計出實驗室相似樣機，相似樣機與原始樣機間縮放比例1：3。利用3D打印技術，得到設備的相似樣機的零部件，并組裝出實驗相似樣機。相似樣機在戶外微水頭低流速水域進行實機測試，得到實驗數據，并對實驗數據進行分析，進一步優(yōu)化設計，得到最優(yōu)實驗樣機。本文設計所采用的技術路線如下圖1-3所示：圖1-3技術路線Figure1-3Technicalroute
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于流體體積模型的葉片數對水車性能的影響[J]. 趙夢晌,鄭源,楊春霞,臧偉. 排灌機械工程學報. 2020(07)
[2]垂直軸螺旋三角型葉輪的水動力學性能分析[J]. 朱國俊,景信信,馮建軍. 水力發(fā)電學報. 2019(04)
[3]我國海洋能發(fā)電裝置的測試和評價[J]. 王項南,賈寧,夏海南,張原飛,郭毅,王貞遠,俞彥輝. 海洋開發(fā)與管理. 2018(06)
[4]基于FLUENT的長短葉片水輪機數值仿真[J]. 張樹女,馮立斌,徐連奎. 軟件導刊. 2018(05)
[5]A study on flow fields and performance of water wheel turbine using experimental and numerical analyses[J]. NGUYEN Manh Hung,JEONG Haechang,YANG Changjo. Science China（Technological Sciences）. 2018(03)
[6]尾水管整流筒的直徑對水輪機性能的影響[J]. 楊栗晶,張軍,晏成明,鄧志輝. 太陽能學報. 2018(02)
[7]海洋能發(fā)電裝置葉片翼形的性能分析與優(yōu)化[J]. 劉爽,呂超,饒勇,王世明. 水電能源科學. 2018(02)
[8]一種潮流發(fā)電實驗裝置控制系統設計[J]. 楊偉峰,厲虹. 北京信息科技大學學報(自然科學版). 2017(06)
[9]浮管式水力發(fā)電機的軸和外殼的機械密封分析[J]. 楊林. 企業(yè)技術開發(fā). 2017(09)
[10]基于葉素理論的潮流能水輪機葉片設計研究[J]. 李東闊,鄭源,張玉全. 水力發(fā)電學報. 2017(07)
博士論文
[1]新型豎軸潮流能轉換裝置數值與試驗研究[D]. 郭偉.大連理工大學 2014
碩士論文
[1]新型浪流發(fā)電裝置及葉片分析[D]. 趙飛.上海海洋大學 2017
[2]我國電能競爭力評價模型及應用研究[D]. 郭琳.華北電力大學(北京) 2016
[3]潮流水輪機發(fā)電效率及潮流能資源估算研究[D]. 王玉萌.山東大學 2014
[4]小型垂直軸風力機葉輪動力性能研究[D]. 徐艷飛.三峽大學 2012
[5]小型水流能發(fā)電裝置設計與仿真[D]. 孟維文.武漢理工大學 2012
本文編號：3242324
【文章來源】：中北大學山西省
【文章頁數】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
聚能導流結構和水輪機示意圖
中北大學學位論文5構，這種結構很好的解決了水流沖擊葉片的角度，并且水流的速度也將發(fā)生變化。這種機構主要解決了水輪機效率偏低的問題。他們并且對于獲能結構水流角度、葉片密度、葉片與殼體間的間隙對水輪機效率的影響[23]。與此同時英國的LunarEnergyLtd公司研制出2MW多葉片RTT(RotechTidalTurbine)潮流能水輪機，在機組外部安裝直徑25m的文氏管雙向導流罩，既能增大發(fā)電機組葉輪的轉速，又能適應潮流雙向流動性，對于水能流水力發(fā)電裝置的葉片設計提供了很大的幫助[24,25]。英國SeaGen潮汐能發(fā)電裝置也已經投入商業(yè)運營[26]。如下圖1-2所示。圖1-2英國SeaGen潮汐能發(fā)電裝置Figure1-2BritishSeaGentidalenergypowerplant如今，國內外對葉輪的研究主要有水平軸葉輪和垂直軸葉輪，水平軸葉輪和垂直軸葉輪各有利弊。垂直軸葉輪由于技術研發(fā)水平相對滯后、結構復雜，其在兆瓦級大型發(fā)電機市場占有率不高，所以現在大部分發(fā)電機葉輪都是水平軸的[27,28]，而水平軸葉輪發(fā)電效率低，啟動流速較高[29,30]，所以如何提高水流能源的捕獲效率，以及進一步提升發(fā)電的電能質量至關重要[31,32,33]。水平軸式葉輪采用水平軸式布局，是通過水流流動的動能帶動葉輪旋轉，從而進行發(fā)電[34,35]。而葉片的優(yōu)化與選型，是垂直軸葉輪的主要研究內容。使用的葉片翼型不相同，將導致水流能發(fā)電裝置的發(fā)電功率就不同，水力葉片的水力性能不同就會產生較為明顯的差別[36,37]。安裝垂直軸葉輪的周圍將會產生比較復雜的、有一定規(guī)模的渦流運動[38]。垂直軸式潮流能水輪機當中，比較常用的是直葉片Darrieus水輪機和螺旋葉片Gorlov水輪機。這種水輪機結構簡單、穩(wěn)固可靠，適應實時流向等特點，在當前大能
中北大學學位論文7（1）利用貝茨理論進行功率計算得到理想出入口流速比；基于導流罩推力系數選擇導流罩類型；基于葉素定理進行水平軸葉輪設計和尾流處垂直葉輪的設計。（2）根據已知數據、水力計算和功率效率計算獲得的數據對水流加速裝置、葉輪等零部件進行設計。所有的尺寸等數據都得到后，利用這些數據用SolidWorks對主要零部件進行三維建模，并裝配整體裝置。（3）部分零部件使用ANSYS中的workbench的FluidFlow（Fluent）模塊，提取流體域、劃分網格、Fluent數值模擬計算以及后處理。根據水動力性能分析結果，對結構進行優(yōu)化，得到最優(yōu)整體裝置。利用Fluent仿真軟件進行整體分析，采用MRF（movingreferenceframe）模型，模擬經過簡化的微水頭低流速能量收集裝置。（4）設計的原始樣機，因體積較大不便于實驗，所以又設計出實驗室相似樣機，相似樣機與原始樣機間縮放比例1：3。利用3D打印技術，得到設備的相似樣機的零部件，并組裝出實驗相似樣機。相似樣機在戶外微水頭低流速水域進行實機測試，得到實驗數據，并對實驗數據進行分析，進一步優(yōu)化設計，得到最優(yōu)實驗樣機。本文設計所采用的技術路線如下圖1-3所示：圖1-3技術路線Figure1-3Technicalroute
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于流體體積模型的葉片數對水車性能的影響[J]. 趙夢晌,鄭源,楊春霞,臧偉. 排灌機械工程學報. 2020(07)
[2]垂直軸螺旋三角型葉輪的水動力學性能分析[J]. 朱國俊,景信信,馮建軍. 水力發(fā)電學報. 2019(04)
[3]我國海洋能發(fā)電裝置的測試和評價[J]. 王項南,賈寧,夏海南,張原飛,郭毅,王貞遠,俞彥輝. 海洋開發(fā)與管理. 2018(06)
[4]基于FLUENT的長短葉片水輪機數值仿真[J]. 張樹女,馮立斌,徐連奎. 軟件導刊. 2018(05)
[5]A study on flow fields and performance of water wheel turbine using experimental and numerical analyses[J]. NGUYEN Manh Hung,JEONG Haechang,YANG Changjo. Science China（Technological Sciences）. 2018(03)
[6]尾水管整流筒的直徑對水輪機性能的影響[J]. 楊栗晶,張軍,晏成明,鄧志輝. 太陽能學報. 2018(02)
[7]海洋能發(fā)電裝置葉片翼形的性能分析與優(yōu)化[J]. 劉爽,呂超,饒勇,王世明. 水電能源科學. 2018(02)
[8]一種潮流發(fā)電實驗裝置控制系統設計[J]. 楊偉峰,厲虹. 北京信息科技大學學報(自然科學版). 2017(06)
[9]浮管式水力發(fā)電機的軸和外殼的機械密封分析[J]. 楊林. 企業(yè)技術開發(fā). 2017(09)
[10]基于葉素理論的潮流能水輪機葉片設計研究[J]. 李東闊,鄭源,張玉全. 水力發(fā)電學報. 2017(07)
博士論文
[1]新型豎軸潮流能轉換裝置數值與試驗研究[D]. 郭偉.大連理工大學 2014
碩士論文
[1]新型浪流發(fā)電裝置及葉片分析[D]. 趙飛.上海海洋大學 2017
[2]我國電能競爭力評價模型及應用研究[D]. 郭琳.華北電力大學(北京) 2016
[3]潮流水輪機發(fā)電效率及潮流能資源估算研究[D]. 王玉萌.山東大學 2014
[4]小型垂直軸風力機葉輪動力性能研究[D]. 徐艷飛.三峽大學 2012
[5]小型水流能發(fā)電裝置設計與仿真[D]. 孟維文.武漢理工大學 2012
本文編號：3242324
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