本文關(guān)鍵詞： 小型潮流能葉輪 失速翼型 葉素動量理論 流固耦合 樣機(jī)試驗(yàn)　出處：《國家海洋技術(shù)中心》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：潮流能發(fā)電是當(dāng)今世界解決能源需求、環(huán)境保護(hù)、社會可續(xù)發(fā)展的重要途徑,小型實(shí)用化作為潮流能發(fā)電趨勢之一,不僅在廣闊的海域具有應(yīng)用前景,還可為海洋觀測設(shè)備水下能源供給提供新型解決方案。針對小型裝置的功率限定問題,本文開展小型潮流能發(fā)電樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研究工作,著重研究決定樣機(jī)性能的葉輪設(shè)計(jì),重點(diǎn)解決小型葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)確定、失速型翼型選擇與特性計(jì)算、小型葉輪設(shè)計(jì)與性能分析、葉輪流固耦合分析等關(guān)鍵技術(shù)問題,并對設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。基于我國海域海況,采用理論及數(shù)值模擬方法對小型潮流能發(fā)電樣機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究,分析確定了包括設(shè)計(jì)流速、葉輪直徑、葉片數(shù)、設(shè)計(jì)尖速比等小型葉輪的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),以及發(fā)電機(jī)選型和密封箱體設(shè)計(jì)的參考準(zhǔn)則。針對國內(nèi)均采用失速性能較差的NCAC翼型進(jìn)行定槳設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀,選擇專為定槳葉輪設(shè)計(jì)的失速型翼型S809、FFA-W3-241、RIS?-A1-21并結(jié)合NACA63-418進(jìn)行對比研究與翼型特性計(jì)算,并分析各種數(shù)值模擬算法在翼型特性計(jì)算上的準(zhǔn)確性及常用數(shù)值外推方法的適用性。基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論,分別對四種葉輪葉片進(jìn)行水動力外形設(shè)計(jì)及性能分析。設(shè)計(jì)和分析結(jié)果表明:RIS?-A1-21葉輪的輸出特性曲線最符合設(shè)計(jì)要求,功率降低發(fā)生較早、最大輸出功率較小、能較快達(dá)到穩(wěn)定功率輸出狀態(tài)且穩(wěn)定輸出功率接近額定輸出功率。對樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并采用流固耦合分析方法對裝置關(guān)鍵部件——葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析:CFD分析為結(jié)構(gòu)分析提供流體動力載和識別極端載荷工況,并對計(jì)算工況下的輸出特性、空化特性、流場特性進(jìn)行分析;靜結(jié)構(gòu)分析對極端載荷工況下的葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校驗(yàn),并開展導(dǎo)入流體載荷的網(wǎng)格敏感性研究;模態(tài)分析對葉輪結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型進(jìn)行了分析計(jì)算。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)樣機(jī)性能,對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究,并將試驗(yàn)結(jié)果與葉素動量理論計(jì)算結(jié)果及CFD結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果表明,在試驗(yàn)驗(yàn)證尖速比下,試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果、CFD計(jì)算結(jié)果均吻合較好。
[Abstract]:Tidal current power generation is an important way to solve the energy demand, environmental protection and social sustainable development in the world today. As one of the trends of tidal power generation, small-scale practical power generation not only has the application prospect in the vast sea area. It can also provide a new solution for underwater energy supply of marine observation equipment. Aiming at the power limitation problem of small devices, the design and research work of small power generation prototype is carried out in this paper, and the impeller design that determines the performance of the prototype is studied emphatically. The key technical problems, such as the determination of design parameters of small impeller, the selection and characteristic calculation of stall airfoil, the design and performance analysis of small impeller, the coupling analysis of rotating blade and solid, etc. Based on the sea conditions of our country, the overall design parameters of the prototype are studied by using the theory and numerical simulation method, and the design velocity, the diameter of impeller, the number of blades are analyzed and determined. The key technical parameters of small impeller design, such as tip speed ratio, as well as the reference criteria for generator selection and seal box design, are discussed. Aiming at the current situation of NCAC airfoil with poor stall performance, the design of fixed propeller is carried out in China. Select the stall type airfoil S809 FFA-W3-241 RIS designed for a fixed blade wheel. A1-21 is compared with NACA63-418 to calculate the airfoil characteristics, and the accuracy of various numerical simulation algorithms and the applicability of common numerical extrapolation methods are analyzed, based on the existing design theory, the accuracy of the numerical simulation algorithms and the applicability of the commonly used numerical extrapolation methods are analyzed. The hydrodynamic profile design and performance analysis of four kinds of impeller blades were carried out respectively. The output characteristic curve of the A1-21 impeller meets the design requirements most, the power reduction occurs earlier, the maximum output power is smaller, the stable output power can reach the stable power output state quickly and the steady output power is close to the rated output power. The structure of the prototype is designed. Using the fluid-solid coupling analysis method to analyze the strength of the vane, a key component of the device, the CFD analysis provides the hydrodynamic load and identifies the extreme load conditions for the structural analysis. The output characteristics and cavitation characteristics under the calculation condition are also discussed. Static structure analysis is used to check the strength and stiffness of impeller structure under extreme load condition, and the grid sensitivity of introducing fluid load is studied. Modal analysis was carried out to analyze and calculate the natural frequency and mode shape of impeller structure. In order to verify the performance of the prototype, the prototype was tested and studied. The experimental results are compared with the theoretical results of leaf element momentum and the results of CFD. The experimental results show that the experimental results are in good agreement with the calculated results of theoretical calculation.
【學(xué)位授予單位】：國家海洋技術(shù)中心
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P743.3

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本文編號：1519647