目前國內水輪機發(fā)電機組大多處于海上試驗階段,浮式平臺支撐結構形式以其經(jīng)濟優(yōu)勢和方便維護等特點成為現(xiàn)階段國內水輪機發(fā)電機組最普遍采用的支撐結構方式。因此對浮式水輪機的性能研究,以及探究影響其性能的影響因素是研究人員目前需要解決的問題。本文以2*150KW三體船漂浮式結構平臺支撐的直葉片五懸臂豎軸潮流能發(fā)電水輪機為研究對象,對其在復雜海況下水輪機能量捕獲效率進行研究。首先在理論層面上,引入流管法—雙多流管模型來建立水輪機葉輪盤面的理論推導模型,在積分微元的過程中,把盤面分割成無數(shù)流管通道,整個盤面又被看作是來流先后通過的上下兩個盤面,分別對葉輪盤面的受力運動分析進行研究,從而引入誘導速度的計算,得到水輪機靜力下的性能預測。從基礎力學理論上估測水輪機在定常流下的性能,同時為數(shù)值模擬分析提供理論參考。之后研究在不考慮浮式平臺的情況下,水輪機發(fā)電裝置葉輪流場在不同流速和葉尖速比工況下的水動力性能。運用RANS方程下的湍流模型,考慮壁面影響,用ANYSIS-FLUENT模擬水輪機在非定常狀態(tài)下瞬態(tài)的受力和轉矩。對不同來流和不同葉尖速比工況下的水輪機葉輪非定常流場進行分析。分析比較不同工況下水輪機在流場中的能量捕獲效率。然后研究浮式平臺在復雜海況下的運動情況。建立了三維勢流理論為基礎的平臺運動學和動力學方程,通過簡化UG模型,建立平臺的運動結構模型并添加合理約束,用AQWA進行平臺的運動學響應頻域分析,基于頻域分析響應的結果作為初值的基礎上提出時域分析方法,分別模擬在不同風浪載荷,不同頻率和浪相角下,載體的運動響應。最后通過對復雜海況數(shù)據(jù)進行處理分析,選出計算的工作海況和極限海況條件,結合環(huán)境載荷數(shù)據(jù),用UDF編譯給水輪機葉輪來定義水輪機的運動。給出算例,預測水輪機受單自由度(縱搖,縱蕩)波動狀態(tài)下的能量捕獲效率變化。結果表明,CFD數(shù)值模擬方法求得的水輪機能量捕獲效率要略大于理論流管法。在復雜環(huán)境載荷的作用下,水輪機平臺產生晃動,其中縱搖的響應幅值最大,其次是橫搖、縱蕩和橫蕩。縱蕩運動對水輪機能量捕獲影響不大;縱搖運動對水輪機的能量捕獲產生小幅度的增大效果。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P743;P742
【部分圖文】：

菇錐蝃7]。國內在水輪機水動力性能和結構對水輪機的影響研究正處于起步階段，與國外很多國家已經(jīng)成功并網(wǎng)發(fā)電的先進技術水平相比還有很大的進步空間，因此國內水輪機的研究者在研究過程中主要是跟蹤國際技術前沿，著重于概念研究、理論分析、軟件仿真，為未來的水輪機能量捕獲效率的提升，為水輪機并網(wǎng)發(fā)電的實現(xiàn)進行技術儲備。下面將對現(xiàn)有潮流能發(fā)電水輪機研究現(xiàn)狀進行綜述，由于本文研究參考機型為豎軸潮流能水輪機，因此綜述更偏重于豎軸水輪機，更多是對現(xiàn)階段國內外成熟機型進行介紹，對后續(xù)研究具有參考意義。圖1.1潮流能發(fā)電系統(tǒng)組成

5能量儲備KW/m228.9925.9323.8917.4115.1然而在潮流能的利用上，我國與世界上大多數(shù)發(fā)展中國家一樣，尚處在試驗研發(fā)階段，還有很大的進步空間。雖然我國從20世紀80年代開始建設一些小發(fā)電站，例如在1980年哈爾濱工程大學研制的豎軸直葉片擺線水輪機，如圖1.2所示該水輪機成為國內首個自主研制的水輪機，但因當時技術條件所限，發(fā)電效果并不理想。同期的一些水輪機發(fā)電裝置，由于發(fā)電效果沒有達到預期，大部分也已報廢拆除。但研究人員沒有局限住自己的腳步，特別在近二十年中，國內潮流水輪機的研究得到快速發(fā)展。圖1.2哈爾濱工程大學首次試制的水輪機近幾年隨著國家戰(zhàn)略和人們意識對清潔能源的利用越來越重視，潮流能利用技術的發(fā)展速度。在國家863計劃的支持下，2002年5月，哈爾濱工程大學團隊研發(fā)的“萬向I”實驗電站如圖1.3(a)所示，它的單機發(fā)電量能夠達到70KW，采用漂浮式的平臺結構，其潮流能發(fā)電站在浙江建造并完成實驗，特別地，“萬向Ⅰ”是我國第一臺高校研制建立成功的使用潮流能的實驗電站[12]；三年后，如圖1.3(b)名為“萬向Ⅱ”的40kW海底式潮流電站進行了海洋實驗，并取得了成功[13]；2013年，漂浮式潮流能電站“海能Ⅰ”號建成并完成海上實驗，其電站總容量達到了300kW[14]，如圖1.4(a)它是首個高校自主研制的百千瓦量級電站。在此之后哈爾濱工程大學又繼續(xù)研制了一種200kW發(fā)電能力的水平軸雙葉片發(fā)電裝置“海能Ⅱ”和垂直軸發(fā)電裝置如圖1.4(b)“海能Ⅲ”[15]。因為它們都是采用浮式平臺結構，因此在海上實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)波浪對水輪機平臺的影響不可忽視，大風大浪均會對水輪機的能量捕獲和結構強度帶來巨大挑戰(zhàn)。此外中國海洋大學的王樹杰等人研制了類似帆翼形狀的柔性葉片如圖1.5所示的海上發(fā)電水輪機并在青島

6(a)“萬向Ⅰ”(b)“萬向Ⅱ”圖1.3“萬向”水輪機(a)“海能Ⅱ”(b)“海能Ⅲ”圖1.4“海能”水輪機圖1.5中國海洋大學柔性葉片海上水輪機過去幾年中，除了樣機和實驗機型的設計制造，通過數(shù)值模擬和實驗，研究人員進行了大量的豎直軸水輪機的相關研究，以理解豎直軸水輪機的流體運動狀態(tài)以及對其參數(shù)進行優(yōu)化設計。例如研究了水輪機離水深的最優(yōu)參數(shù)，水輪機可變偏角的優(yōu)化方法，水輪機機械結構設計優(yōu)化，水輪機核心部件材料優(yōu)化，水輪機機組的布置形式等等，從而提高水輪機組性能，為我國水輪機實現(xiàn)并網(wǎng)的目標提供理論技術支持。在海洋潮流能領域，豎軸水輪機在過去10年中經(jīng)過了深入研究，不管是在經(jīng)濟上還是在技術上已經(jīng)成為海洋電力設備中最可行的設備之一，然而，在豎軸水輪機整個行業(yè)發(fā)展的過程中，
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