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共水平轴潮流能自变距双透平技术研究

张萧  
【摘要】:随着传统化石能源濒临枯竭及环境污染的日益严重,各国都加大了对清洁能源的开发利用。其中海洋能源因其分布范围广、储量大及能量密度高而被认为是21世纪最重要最具开发潜力的清洁能源。人类已利用现有技术将海洋能量转化为电能,从海洋发电技术层面及能量转化层面上综合考虑,潮流能发电是迄今最为成熟最易实现的海洋能发电技术。目前国内外潮流能发电机多采用变桨对流技术,但传统的变桨技术存在变桨能量消耗高、变桨叶片承载巨大及变桨系统密封困难等问题。 在传统变桨技术面临一系列技术问题的时候,本文创新性地设计出一种新型的变桨技术试图来解决这些问题,该变桨系统在变桨过程中无额外的电能消耗,仅在海水作用下便可完成桨叶小范围自动变距以提高海流利用系数,减少了因大角度变桨引起的叶片承载过大及变桨能量消耗高等问题。本文又在满足载荷要求的前提下,选用非金属聚合物径向滚柱为变桨轴承滚动体并采用等离子陶瓷喷涂技术对轴承内外表面进行处理,避免了变桨轴承的动密封,从而无需对变距系统进行维护并大幅提升整机的可靠性。 针对透平系统设计中的问题,本文将着重围绕以下几个方面展开研究: 建立水平轴潮流能发电透平系统设计基础理论,运用动量理论分析得出潮流能透平捕获海洋能量峰值;通过假设各叶素间无气流影响,将三维叶片水动力性能的研究简化成二维叶素的研究,以此计算推导出水平轴潮流能透平叶片的载荷计算方法;基于叶素动量理论的应用,可进一步确定叶素几何参数、潮流能流速和叶素载荷之间的关系,在此基础上推导出自变距透平变桨数学模型。 研究潮流能流场数值模拟理论基础,任何流体都可用质量守恒方程、动量方程及能量方程来表达,对流场的数值求解分析可通过对控制方程的求解而得到。鉴于难以直接对这些控制方程求解,因此需要将其在规定区域进行离散化处理,对离散得到的线性方程进行迭代求解。 潮流能自变距系统可行性研究,根据我们设想制作变距透平模型,对其进行水槽试验,验证自变桨设计方案的可行性。以叶素动量理论为叶片设计基础,设计出自变距透平并通过机械三维软件建立几何模型。基于数值模拟理论基础使用网格划分软件gambit对几何模型进行网格的划分,将划分好的网格文件加载进世界通用计算流体分析软件fluent中进行迭代求解。通过物理模型水槽试验和计算流体力学数值模拟验证了自变距透平系统的可行性,同时表明了通过前移变桨轴相对位置及增大叶根舵面面积两种方式,可有效提升变桨力矩,降低变桨启动流速,使叶片易于克服轴承摩擦阻力完成自动变桨。 设计双向共轴变距透平系统,通过水槽试验及仿真软件对其水动力性能进行研究。通过物理模型水槽试验和计算流体力学数值模拟结果表明,与定桨单透平相比共水平轴自变距双透平在发电功率及获能效率上有较大的提升;随安装角增加,透平效率急剧下降,但大安装角有助于透平启动,因此对于自变桨潮流能透平来说,固定安装角的选择至关重要。在串联分布透平结构中,上游透平对下游透平有较大的干涉作用,随着上游及下游两组透平间距的缩短,上游透平对下游透平的干涉影响逐步增强,下游透平会对上游透平产生拖延作用,将会降低整个共水平轴双透平系统的获能效率,可以通过增加串置透平的间距来降低上游透平对下游透平的影响,提高整体发电效率。但对共轴双透平系统来说,前后透平的增加势必会导致加工困难、制造及维护成本增大幅增加,并也降低了整机水下运行的可靠性。 本文的研究为攻克了水平轴潮流能发电装置变桨的关键技术,为后续潮流能发电机大规推广奠定了技术基础。


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