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小型潮流能发电关键技术研究

廖微  
【摘要】:潮流能发电是当今世界解决能源需求、环境保护、社会可续发展的重要途径,小型实用化作为潮流能发电趋势之一,不仅在广阔的海域具有应用前景,还可为海洋观测设备水下能源供给提供新型解决方案。针对小型装置的功率限定问题,本文开展小型潮流能发电样机的设计与研究工作,着重研究决定样机性能的叶轮设计,重点解决小型叶轮设计参数确定、失速型翼型选择与特性计算、小型叶轮设计与性能分析、叶轮流固耦合分析等关键技术问题,并对设计样机进行试验验证。基于我国海域海况,采用理论及数值模拟方法对小型潮流能发电样机的总体设计参数进行研究,分析确定了包括设计流速、叶轮直径、叶片数、设计尖速比等小型叶轮的关键技术参数,以及发电机选型和密封箱体设计的参考准则。针对国内均采用失速性能较差的NCAC翼型进行定桨设计的现状,选择专为定桨叶轮设计的失速型翼型S809、FFA-W3-241、RIS?-A1-21并结合NACA63-418进行对比研究与翼型特性计算,并分析各种数值模拟算法在翼型特性计算上的准确性及常用数值外推方法的适用性。基于现有设计理论,分别对四种叶轮叶片进行水动力外形设计及性能分析。设计和分析结果表明:RIS?-A1-21叶轮的输出特性曲线最符合设计要求,功率降低发生较早、最大输出功率较小、能较快达到稳定功率输出状态且稳定输出功率接近额定输出功率。对样机进行结构设计,并采用流固耦合分析方法对装置关键部件——叶片进行强度分析:CFD分析为结构分析提供流体动力载和识别极端载荷工况,并对计算工况下的输出特性、空化特性、流场特性进行分析;静结构分析对极端载荷工况下的叶轮结构强度和刚度进行校验,并开展导入流体载荷的网格敏感性研究;模态分析对叶轮结构的固有频率和振型进行了分析计算。为验证设计样机性能,对样机进行试验研究,并将试验结果与叶素动量理论计算结果及CFD结果进行对比。试验结果表明,在试验验证尖速比下,试验结果与理论计算结果、CFD计算结果均吻合较好。


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