目前國內(nèi)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組大多處于海上試驗(yàn)階段,浮式平臺支撐結(jié)構(gòu)形式以其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和方便維護(hù)等特點(diǎn)成為現(xiàn)階段國內(nèi)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組最普遍采用的支撐結(jié)構(gòu)方式。因此對浮式水輪機(jī)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(jié)構(gòu)平臺支撐的直葉片五懸臂豎軸潮流能發(fā)電水輪機(jī)為研究對象,對其在復(fù)雜海況下水輪機(jī)能量捕獲效率進(jìn)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(jī)葉輪盤面的理論推導(dǎo)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(yùn)動分析進(jìn)行研究,從而引入誘導(dǎo)速度的計(jì)算,得到水輪機(jī)靜力下的性能預(yù)測。從基礎(chǔ)力學(xué)理論上估測水輪機(jī)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(jī)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(yùn)用RANS方程下的湍流模型,考慮壁面影響,用ANYSIS-FLUENT模擬水輪機(jī)在非定常狀態(tài)下瞬態(tài)的受力和轉(zhuǎn)矩。對不同來流和不同葉尖速比工況下的水輪機(jī)葉輪非定常流場進(jìn)行分析。分析比較不同工況下水輪機(jī)在流場中的能量捕獲效率。然后研究浮式平臺在復(fù)雜海況下的運(yùn)動情況。建立了三維勢流理論為基礎(chǔ)的平臺運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程,通過簡化UG模型,建立平臺的運(yùn)動結(jié)構(gòu)模型并添加合理約束,用AQWA進(jìn)行平臺的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)頻域分析,基于頻域分析響應(yīng)的結(jié)果作為初值的基礎(chǔ)上提出時域分析方法,分別模擬在不同風(fēng)浪載荷,不同頻率和浪相角下,載體的運(yùn)動響應(yīng)。最后通過對復(fù)雜海況數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,選出計(jì)算的工作海況和極限海況條件,結(jié)合環(huán)境載荷數(shù)據(jù),用UDF編譯給水輪機(jī)葉輪來定義水輪機(jī)的運(yùn)動。給出算例,預(yù)測水輪機(jī)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(jié)果表明,CFD數(shù)值模擬方法求得的水輪機(jī)能量捕獲效率要略大于理論流管法。在復(fù)雜環(huán)境載荷的作用下,水輪機(jī)平臺產(chǎn)生晃動,其中縱搖的響應(yīng)幅值最大,其次是橫搖、縱蕩和橫蕩�？v蕩運(yùn)動對水輪機(jī)能量捕獲影響不大;縱搖運(yùn)動對水輪機(jī)的能量捕獲產(chǎn)生小幅度的增大效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P743;P742
【部分圖文】：

菇錐蝃7]。國內(nèi)在水輪機(jī)水動力性能和結(jié)構(gòu)對水輪機(jī)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(jìn)技術(shù)水平相比還有很大的進(jìn)步空間，因此國內(nèi)水輪機(jī)的研究者在研究過程中主要是跟蹤國際技術(shù)前沿，著重于概念研究、理論分析、軟件仿真，為未來的水輪機(jī)能量捕獲效率的提升，為水輪機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行技術(shù)儲備。下面將對現(xiàn)有潮流能發(fā)電水輪機(jī)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，由于本文研究參考機(jī)型為豎軸潮流能水輪機(jī)，因此綜述更偏重于豎軸水輪機(jī)，更多是對現(xiàn)階段國內(nèi)外成熟機(jī)型進(jìn)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(yàn)研發(fā)階段，還有很大的進(jìn)步空間。雖然我國從20世紀(jì)80年代開始建設(shè)一些小發(fā)電站，例如在1980年哈爾濱工程大學(xué)研制的豎軸直葉片擺線水輪機(jī)，如圖1.2所示該水輪機(jī)成為國內(nèi)首個自主研制的水輪機(jī)，但因當(dāng)時技術(shù)條件所限，發(fā)電效果并不理想。同期的一些水輪機(jī)發(fā)電裝置，由于發(fā)電效果沒有達(dá)到預(yù)期，大部分也已報(bào)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(nèi)潮流水輪機(jī)的研究得到快速發(fā)展。圖1.2哈爾濱工程大學(xué)首次試制的水輪機(jī)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(shù)的發(fā)展速度。在國家863計(jì)劃的支持下，2002年5月，哈爾濱工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“萬向I”實(shí)驗(yàn)電站如圖1.3(a)所示，它的單機(jī)發(fā)電量能夠達(dá)到70KW，采用漂浮式的平臺結(jié)構(gòu)，其潮流能發(fā)電站在浙江建造并完成實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了海洋實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，其電站總?cè)萘窟_(dá)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(xué)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?yàn)樗鼈兌际遣捎酶∈狡脚_結(jié)構(gòu)，因此在海上實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)波浪對水輪機(jī)平臺的影響不可忽視，大風(fēng)大浪均會對水輪機(jī)的能量捕獲和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來巨大挑戰(zhàn)。此外中國海洋大學(xué)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(jī)并在青島

6(a)“萬向Ⅰ”(b)“萬向Ⅱ”圖1.3“萬向”水輪機(jī)(a)“海能Ⅱ”(b)“海能Ⅲ”圖1.4“海能”水輪機(jī)圖1.5中國海洋大學(xué)柔性葉片海上水輪機(jī)過去幾年中，除了樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)機(jī)型的設(shè)計(jì)制造，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，研究人員進(jìn)行了大量的豎直軸水輪機(jī)的相關(guān)研究，以理解豎直軸水輪機(jī)的流體運(yùn)動狀態(tài)以及對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如研究了水輪機(jī)離水深的最優(yōu)參數(shù)，水輪機(jī)可變偏角的優(yōu)化方法，水輪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，水輪機(jī)核心部件材料優(yōu)化，水輪機(jī)機(jī)組的布置形式等等，從而提高水輪機(jī)組性能，為我國水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的目標(biāo)提供理論技術(shù)支持。在海洋潮流能領(lǐng)域，豎軸水輪機(jī)在過去10年中經(jīng)過了深入研究，不管是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上已經(jīng)成為海洋電力設(shè)備中最可行的設(shè)備之一，然而，在豎軸水輪機(jī)整個行業(yè)發(fā)展的過程中，
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