潮流能是一種不竭的清潔可再生資源,研發(fā)潮流能發(fā)電技術(shù)與裝置具有重要的戰(zhàn)略意義和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。水輪機(jī)是潮流能發(fā)電裝置的核心部件,同時,在水輪機(jī)外部設(shè)置導(dǎo)流罩以增加潮流流速是一種提高裝置獲能效率的有效方法。本文采用仿真模擬為主、理論分析與模型試驗(yàn)為輔的方法,以Savonius型水輪機(jī)為研究對象,對其進(jìn)行了優(yōu)化與性能研究,本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)使用FLUENT建立二維仿真計算模型,用以潮流能垂直軸水輪機(jī)的模擬分析。結(jié)合相關(guān)研究與模型試驗(yàn),驗(yàn)證仿真模型的適用性。采用該模型對基本S型水輪機(jī)進(jìn)行非定常計算,得到不同工況條件下的性能曲線,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)尖速比系數(shù)為1.0,最大功率系數(shù)為25.49%。(2)運(yùn)用二次Bezier函數(shù)對基本S型水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。引入斜度與拱度,設(shè)計出不同型式的兩葉片水輪機(jī),并進(jìn)行多種工況下的仿真模擬。結(jié)果表明,在相同斜度條件下,拱度為5/6的葉型具有更優(yōu)良的工作性能;最優(yōu)葉型為斜度與拱度均為5/6,其最優(yōu)尖速比系數(shù)為1.4,最大功率系數(shù)為0.3291,比基本S型水輪機(jī)提高了29.09%。(3)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的單向?qū)Я髡盅b置。在尖速比系數(shù)為0.4的工況條件下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,最優(yōu)參數(shù)組合是α角為50°、β角為40°、距離L為5/6R。加裝導(dǎo)流罩的優(yōu)化后水輪機(jī)的最大功率系數(shù)為0.3902,比單純的優(yōu)化后水輪機(jī)提高了18.57%,比基本S型水輪機(jī)提高了 53.05%,但是,在尖速比系數(shù)高于1.2的工況下不適宜采用。(4)搭建潮流能垂直軸水輪機(jī)發(fā)電模擬裝置。裝置主要包含有:潮流模擬部分、水輪機(jī)運(yùn)動部分、數(shù)據(jù)采集部分及相關(guān)的試驗(yàn)臺與附件。葉型優(yōu)化部分的模型試驗(yàn)表明優(yōu)化后水輪機(jī)的工作性能優(yōu)于基本S型水輪機(jī),與仿真結(jié)果相互驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P743.1;TK730.3
【部分圖文】：

水輪機(jī)屬于潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置，是整個發(fā)電裝置的關(guān)鍵部分，其性能與裝??置整體的性能息息相關(guān)［｜７１。按照水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式劃分，現(xiàn)在世界上的潮流能獲取??裝置主耍有水平軸式和垂直軸式，其基本分類如圖１．１所示１｜８］。隨著潮流能發(fā)電??技術(shù)的發(fā)展，水輪機(jī)的分類也在不斷改變，種類不斷豐富，各種類型也在互相借??鑒、組合。??水ｔ袖瀾流能水輪機(jī)??ｉ?廠４?ｍ力嘲水輪機(jī)??能??????ｎ?一一－啦６軸潮流能水輪機(jī)—＾升力１彳水輪機(jī)??屢????１?升祖浞含唞水輪機(jī)??掛鴻水娓式發(fā)電裝Ｈ??圖１．１潮流能發(fā)電裝置的基本分類??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｗｅｒ?ｆｌｏｗ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ?ｄｅｖｉｃｅｓ??１．３．１水平軸潮流能水輪機(jī)??水平軸式水輪機(jī)，也可稱為軸流式，工作時，來流方向平行于旋轉(zhuǎn)軸，利用??潮流流動產(chǎn)生的能量推動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將流體動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化??為電能。該水輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與常見的大型風(fēng)力機(jī)類似，由于在風(fēng)力??發(fā)電中已經(jīng)研宄較多，有較好的理論研究和實(shí)踐基礎(chǔ)，因此其在潮流能發(fā)電中的??應(yīng)用十分普遍，也被稱為“水下風(fēng)車”。水平軸式水輪機(jī)的水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)平面垂直??于轉(zhuǎn)軸，與來流方向正對，葉片在徑向上繞軸心旋轉(zhuǎn)。??從冃前的研究來看

興型設(shè)計資料，也可采用專業(yè)的軟件進(jìn)行設(shè)計。同時，類似于船舶使用變距槳，??近兒年的設(shè)計也開始出現(xiàn)水輪機(jī)葉片槳距可調(diào)的設(shè)計，改善了水輪機(jī)的工作性能。??水平軸式水輪機(jī)是目前研究基礎(chǔ)最好、發(fā)展最快的類型，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、??功率輸出波動率較小，最重要的是獲能系數(shù)高于其他類型。近幾年的研宄也進(jìn)？??步的推動了該荊水輪機(jī)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目較多，部分裝Ｍ己經(jīng)能??夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)屯，商業(yè)化和規(guī)�；那熬拜^好。??但是，其缺點(diǎn)也十分明站：葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工工藝有較高的要求；葉根??處需要承受較大的載荷，對葉片材料和安裝方式也提出了一定要求；位置處??的葉片切向速度不同，在葉尖處極易出現(xiàn)空泡現(xiàn)象；工作性能受流向的影響較人，??來流乃向改變后，水輪機(jī)基本上無法工作，雖然變距槳式的設(shè)計＂丨以改荇這個Ｈ??題，但是這種方法也會導(dǎo)致加工難度大幅度提升。??丨．３．２垂直軸潮流能水輪機(jī)??旋轉(zhuǎn)軸垂直于來流方向的被稱為垂直軸式水輪機(jī)。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動力矩的１：要??

１０％￣２０％〇??Ｗａｈｙｎｄｉ?Ｂ等１￣將擴(kuò)散器設(shè)計與Ｓａｖｏｎｉｕｓ水輪機(jī)相結(jié)合，設(shè)計出一種新型的導(dǎo)??流罩型式（如圖１．５），其結(jié)構(gòu)分內(nèi)外兩層，內(nèi)層在基本Ｓ型水輪機(jī)的基礎(chǔ)上分別設(shè)??計了過渡葉片，在外層有直線型的導(dǎo)流板。當(dāng)過渡葉片的端部與外側(cè)的導(dǎo)流板接??觸時，在Ｓ型葉片的凹側(cè)形成類似擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增大流體速度、提高做功效??率的目的。?????Ｉ??圖１．５帶新型導(dǎo)流罩的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｗｉｔｈ?ｎｅｗ?ｔｙｐｅ?ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ??Ｅｌｂａｔｒａｎ?Ａ曰等［３５］對管道式噴嘴型Ｓａｖｏｎｉｕｓ水輪機(jī)進(jìn)行了性能研宄，通過對六??種不同的管道噴嘴設(shè)計的性能對比，發(fā)現(xiàn)管道噴嘴系統(tǒng)提高了水流速度，葉尖速??比系數(shù)為０．７３時，最大功率系數(shù)為０．２５，與傳統(tǒng)Ｓ型水輪機(jī)相比，增加了約１８％。??Ｄｉｎｅｓｈ?Ｋｕｍａｒ等研宄了螺旋形Ｓａｖｏｎｉｕｓ水輪機(jī)的工作性能優(yōu)化方案，其側(cè)Ｍ??點(diǎn)在于水輪機(jī)的應(yīng)力波動與材料強(qiáng)度，結(jié)果表明，采用增強(qiáng)技術(shù)可以提高水輪機(jī)??性能
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本文編號：2865806