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(jīng)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(shù)的一個重要方面和研究課題。鑒于現(xiàn)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(shè)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(fù)合葉輪、發(fā)電機、尾水管組成。水流加速裝置由水流梯度導(dǎo)流罩、入水口和導(dǎo)流葉片組成;復(fù)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(nèi)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(dǎo)流罩推力系數(shù)選擇導(dǎo)流罩類型;基于葉素定理進行水平軸葉輪設(shè)計和尾流處垂直葉輪的設(shè)計。（2）根據(jù)已知數(shù)據(jù)、水力計算和功率效率計算獲得的數(shù)據(jù)對水流加速裝置、葉輪等主要零部件進行設(shè)計。所有的尺寸等數(shù)據(jù)都得到后,利用這些數(shù)據(jù)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(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和水輪機示意圖

中北大學(xué)學(xué)位論文5構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(gòu)主要解決了水輪機效率偏低的問題。他們并且對于獲能結(jié)構(gòu)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?qū)Я髡�，既能增大發(fā)電機組葉輪的轉(zhuǎn)速，又能適應(yīng)潮流雙向流動性，對于水能流水力發(fā)電裝置的葉片設(shè)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(jīng)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(nèi)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(shù)研發(fā)水平相對滯后、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在兆瓦級大型發(fā)電機市場占有率不高，所以現(xiàn)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(zhì)量至關(guān)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(zhuǎn)，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(nèi)容。使用的葉片翼型不相同，將導(dǎo)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(chǎn)生較為明顯的差別[36,37]。安裝垂直軸葉輪的周圍將會產(chǎn)生比較復(fù)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(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)固可靠，適應(yīng)實時流向等特點，在當(dāng)前大能

中北大學(xué)學(xué)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(dǎo)流罩推力系數(shù)選擇導(dǎo)流罩類型；基于葉素定理進行水平軸葉輪設(shè)計和尾流處垂直葉輪的設(shè)計。（2）根據(jù)已知數(shù)據(jù)、水力計算和功率效率計算獲得的數(shù)據(jù)對水流加速裝置、葉輪等零部件進行設(shè)計。所有的尺寸等數(shù)據(jù)都得到后，利用這些數(shù)據(jù)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(wǎng)格、Fluent數(shù)值模擬計算以及后處理。根據(jù)水動力性能分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)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(jīng)過簡化的微水頭低流速能量收集裝置。（4）設(shè)計的原始樣機，因體積較大不便于實驗，所以又設(shè)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(shù)，得到設(shè)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(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析，進一步優(yōu)化設(shè)計，得到最優(yōu)實驗樣機。本文設(shè)計所采用的技術(shù)路線如下圖1-3所示：圖1-3技術(shù)路線Figure1-3Technicalroute

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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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(xué) 2017
[2]我國電能競爭力評價模型及應(yīng)用研究[D]. 郭琳.華北電力大學(xué)(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(xué) 2014
[4]小型垂直軸風(fēng)力機葉輪動力性能研究[D]. 徐艷飛.三峽大學(xué) 2012
[5]小型水流能發(fā)電裝置設(shè)計與仿真[D]. 孟維文.武漢理工大學(xué) 2012



本文編號：3242324