發(fā)布時間：2020-05-25 04:32

【摘要】：海洋可再生潮流能源發(fā)電裝置在技術(shù)開發(fā)和工程示范兩個方面都在快速發(fā)展，然而關(guān)于潮流能發(fā)電裝置總體及其性能設(shè)計方面的研究及其設(shè)計方法的探索較少，遠遠不能滿足當今技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展的需求。本文針對開發(fā)座底式水平軸潮流能轉(zhuǎn)換技術(shù)，開展潮流能發(fā)電裝置的總體設(shè)計、流體動力性能與載荷、支撐結(jié)構(gòu)的強度和整體穩(wěn)定性研究，并基于方案設(shè)計和分析結(jié)果進行優(yōu)化選型，為座海底式海洋潮流能電站的總體設(shè)計提供設(shè)計方法和基礎(chǔ)理論依據(jù)。 本文首先介紹了潮流能水輪機的分類及國內(nèi)外的研究進展，指出了潮流發(fā)電裝置的發(fā)展趨勢。對水平軸潮流電站的總體設(shè)計概念形式進行分類，總結(jié)概括各自的優(yōu)缺點。然后討論了潮流電站的工程設(shè)計方法，詳細闡述了電站總體設(shè)計思路和流程，，提出導(dǎo)流增強型潮流能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子主尺度和總體設(shè)計方案。接著基于計算流體力學(xué)和海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境載荷的理論對潮流電站的水動力載荷進行了詳細計算。采用CFD方法計算轉(zhuǎn)子的水動力性能，給出了加導(dǎo)流罩前后葉輪的流載荷；采用海洋工程經(jīng)驗公式估算支撐結(jié)構(gòu)的流載荷。然后根據(jù)載荷和潮流流動特性給出支撐結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計方案，分析了三種方案在極限流載荷作用下的性能，依據(jù)海洋工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)性能進行評估。最后，從傾覆性和漂移性兩方面對三種設(shè)計方案進行整體穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：通過對不同支撐結(jié)構(gòu)的方案對比可以得到，四邊形底座更易滿足強度和變形的要求，三角形底座的經(jīng)濟性和可操控性較好。同時通過調(diào)整壓載成分的比例，使得三角形底座方案的經(jīng)濟性達到最優(yōu)。綜上所述，選取三角形底座為最佳方案。 本文在水平軸潮流水輪機方面的工作主要體現(xiàn)在提出了潮流能發(fā)電裝置的總體設(shè)計方法，考慮工程實際因素，提出了可拆卸的座底式結(jié)構(gòu)設(shè)計新方案，并通過結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性研究給出優(yōu)化選型，解決了潮流電站自動換向和安裝維護過程中的諸多難題，對于今后大規(guī)模開發(fā)利用潮流能具有重要的參考價值。本文的研究成果已應(yīng)用于哈爾濱工程大學(xué)“海明-I”號10kW潮流能獨立發(fā)電系統(tǒng)的研制。
【圖文】：

圖 1.1 潮流水輪機的基本類型潮流能水輪機按照能量轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)形式來分，可以分為水平軸式（也稱橫或槳葉式，HAT）、垂直軸式（也稱豎軸式或 Dairies 式，VAT）以及基于線性升式的裝置三種（如圖 1.1 所示）。垂直軸水輪機的主要特點是受來流方向影響小啟動性能相對較好。水平軸葉輪的特點旋轉(zhuǎn)平面垂直轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)平面正對來流方向葉片在展向上圍繞一個軸心逐漸扭轉(zhuǎn)，并且弦長逐漸減小。與垂直軸葉輪相比，有在工作流場中載荷變化不劇烈，功率輸出較穩(wěn)定，流動干擾較小的優(yōu)點，但是片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，葉根處載荷較大，受到流向影響較大等缺點。潮流能發(fā)電裝置按載體安裝形式大體可分為：重力式（座底式）、漂浮式、樁。所謂重力式，也稱座底式，可以理解為依靠重力基腳，加大裝置與海底產(chǎn)生的力，從而使裝置固定在海底的結(jié)構(gòu)形式。漂浮式水輪機可以理解為載體裝置浮于或水面，并由連接于海底的錨鏈或張力腿固定的水輪機裝置。所謂樁柱式，即支構(gòu)主體為一個立柱，立柱一端樁固于海底的結(jié)構(gòu)形式。

行試驗[3]。20 世紀 90 年代以來，我國開始計劃建造海流能示范應(yīng)用電站，在“八，“九五”科技攻關(guān)中均對海流能發(fā)電進行立項研究[3]。2002 年，哈爾濱工程大學(xué)自計建造了我國第一座 70kw 的潮流實驗電站[3]；2005 年國家“863”科技計劃的 40kw能發(fā)電實驗電站在浙江舟山市岱山縣建成并發(fā)電成功[3]。2011 年國家海洋公益性科研專項支持的 10kw 水平軸座底式潮流發(fā)電裝置再次研究成功，并在浙江省岱跨海橋下持續(xù)運行[3]。浙江大學(xué)在國家自然科學(xué)基金資助下開始進行“水下風(fēng)車”鍵技術(shù)研究，2006 年 4 月 26 日在浙江省舟山市岱山縣進行了 5kW，葉輪半徑為 的水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電樣機（圖 1.2）運行試驗[4]。同年，東北師范大學(xué)研功小型低功率的放置于海底的低流速海流能發(fā)電機（圖 1.3）[5]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM612;P743

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 張亮;孫科;羅慶杰;;潮流水輪機導(dǎo)流罩的水動力設(shè)計[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2007年07期

2 劉雄;陳嚴;葉枝全;;水平軸風(fēng)力機氣動性能計算模型[J];太陽能學(xué)報;2005年06期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 張洋;漂浮式潮流電站錨泊系統(tǒng)的設(shè)計和計算[D];哈爾濱工程大學(xué);2004年

2 宋雯婧;渦面元法在水輪機性能計算中的應(yīng)用[D];哈爾濱工程大學(xué);2006年

3 顧春江;潮流電站平臺選型及錨泊系統(tǒng)設(shè)計研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

本文編號：2679576