水力資源作為一種儲(chǔ)存量大、能量密度高、可持續(xù)性強(qiáng)的綠色能源,其開(kāi)發(fā)和利用受到越來(lái)越多的重視。水能捕獲裝置是一種將水能量捕捉和轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置,是水力資源開(kāi)發(fā)的核心設(shè)備。研發(fā)一種啟動(dòng)性能優(yōu)、應(yīng)用范圍廣的水能捕獲裝置具有很大的意義和很高的研究?jī)r(jià)值。本文在課題組前期研制的半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置,并重點(diǎn)開(kāi)展了半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置在靜止和低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的啟動(dòng)性能,旨在為半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置進(jìn)一步的研究提供實(shí)踐指導(dǎo)。首先,提出一種新型的水能量捕獲-轉(zhuǎn)換系統(tǒng)概念,并且對(duì)相匹配的水能捕獲裝置提出了設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)一種新型的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置,簡(jiǎn)單介紹該水能捕獲裝置的工作原理,并且對(duì)主要零部件進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制了零件的三維模型和整體樣機(jī)裝配模型�；谠O(shè)計(jì)的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置設(shè)計(jì)方案,通過(guò)對(duì)比分析和綜合考慮,確定了該水能捕獲裝置的安裝方式為漂浮式,并初步設(shè)計(jì)了安裝平臺(tái)。其次,針對(duì)所設(shè)計(jì)的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置,建立了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,使用數(shù)值模擬計(jì)算的CFD方法,通過(guò)XFlow軟件,對(duì)該捕獲裝置的靜止?fàn)顟B(tài)下的啟動(dòng)性能進(jìn)行研究。通過(guò)控制變量的實(shí)驗(yàn)方法,先后單獨(dú)改變計(jì)算模型的來(lái)流速度、葉片展弦比和轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度,探究其對(duì)于捕能裝置啟動(dòng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),葉片展弦比越大,啟動(dòng)性能越好,并且影響著自啟最優(yōu)和最差的位置分布。來(lái)流速度的增加能夠大大提升裝置的啟動(dòng)性能,故有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了聚流增速裝置并發(fā)現(xiàn),對(duì)于折線型聚流裝置而言,增加折角相對(duì)增加折彎長(zhǎng)度,能夠更好的增加聚流增速效果。然后,對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置的啟動(dòng)性能進(jìn)行了研究。主要是針對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩,建立了半轉(zhuǎn)葉輪輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型,推導(dǎo)出半轉(zhuǎn)葉輪在任意位置受到的來(lái)流作用力以及輸出轉(zhuǎn)矩大小的計(jì)算方程。為檢驗(yàn)計(jì)算方程的準(zhǔn)確性,建立半轉(zhuǎn)葉輪數(shù)值分析模型,將數(shù)值模擬計(jì)算的輸出轉(zhuǎn)矩與理論公式計(jì)算的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。基于推導(dǎo)出的理論公式,以平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),通過(guò)MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)半轉(zhuǎn)葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在允許范圍內(nèi)得到了半轉(zhuǎn)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的近優(yōu)解,并且在此參數(shù)條件下,計(jì)算出半轉(zhuǎn)葉輪周期內(nèi)的最小輸出轉(zhuǎn)矩,為后期外部負(fù)載的添加提供了參考。最后,根據(jù)半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置的設(shè)計(jì)方案,綜合考慮水能捕獲裝置的工作環(huán)境和運(yùn)行情況,對(duì)樣機(jī)零件進(jìn)行加工,包括零部件材料的選擇、加工和裝配,完成了半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置物理樣機(jī)的制作。針對(duì)加工的半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置物理樣機(jī),設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并采用漂浮式造流裝置模擬來(lái)流作用,開(kāi)展樣機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果驗(yàn)證了該水能捕獲裝置設(shè)計(jì)方案的可行性,并發(fā)現(xiàn)半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置具有良好的啟動(dòng)性能,表明了該半轉(zhuǎn)葉輪水能捕獲裝置樣機(jī)初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK730.2
【部分圖文】：

圖1.1 Polo漂浮式潮流電站示意圖 圖1.2 Kobold水輪機(jī)意大利的PAISA公司和Naples大學(xué)航空工程系的研究人員于2000年共同研制出了Kobold型水輪機(jī)，如圖1.2所示。該水輪機(jī)為垂直軸升力型水輪機(jī)，葉輪直徑6m，葉片弦長(zhǎng)0.4m，設(shè)計(jì)正常工作的來(lái)流流速2m/s，額定功率130kw，并在Messina海峽完成了海上測(cè)試[17]。英國(guó)Engineering Business Ltd公司于2002年成功設(shè)計(jì)一種新型的振蕩式Stingray潮流能水輪機(jī)，并進(jìn)行了海試并且成功運(yùn)行發(fā)電，如圖1.3所示。當(dāng)來(lái)流速度為2.4m/s 時(shí)，樣機(jī)的最大輸出功率達(dá)到150kw，平均功率為90kw[18]。

圖1.1 Polo漂浮式潮流電站示意圖 圖1.2 Kobold水輪機(jī)意大利的PAISA公司和Naples大學(xué)航空工程系的研究人員于2000年共同研制出了Kobold型水輪機(jī)，如圖1.2所示。該水輪機(jī)為垂直軸升力型水輪機(jī)，葉輪直徑6m，葉片弦長(zhǎng)0.4m，設(shè)計(jì)正常工作的來(lái)流流速2m/s，額定功率130kw，并在Messina海峽完成了海上測(cè)試[17]。英國(guó)Engineering Business Ltd公司于2002年成功設(shè)計(jì)一種新型的振蕩式Stingray潮流能水輪機(jī)，并進(jìn)行了海試并且成功運(yùn)行發(fā)電，如圖1.3所示。當(dāng)來(lái)流速度為2.4m/s 時(shí)，樣機(jī)的最大輸出功率達(dá)到150kw，平均功率為90kw[18]。

英國(guó)Engineering Business Ltd公司于2002年成功設(shè)計(jì)一種新型的振蕩式Stingray潮流能水輪機(jī)，并進(jìn)行了海試并且成功運(yùn)行發(fā)電，如圖1.3所示。當(dāng)來(lái)流速度為2.4m/s 時(shí)，樣機(jī)的最大輸出功率達(dá)到150kw，平均功率為90kw[18]。圖1.3 振蕩式 Stingray 潮流能發(fā)電裝置加拿大的Blue Energy公司研制出了Davis型垂直軸水輪機(jī)，如圖1.4所示[19]。該水輪機(jī)采用4葉片、定槳距的形式，并且在此基礎(chǔ)上安裝了導(dǎo)流裝置，并且制造了物理樣機(jī)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的結(jié)果表明最大輸出功率達(dá)到了100kw。

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本文編號(hào)：2834158