悬浮锚定式潮流发电装置水动力性能研究及样机研制

【摘要】：伴随着石油、天然气等常规能源的日益枯竭,绿色无污染的可再生新能源逐渐吸引科研工作者的注意,并得到长足的发展。潮流能作为一种海洋可再生新能源,以周期性、可预测性以及能量密度大的特点得到广泛的关注。世界各地不同结构形式的潮流能发电装置层出不穷。但高昂的安装、海上施工以及维修、维护费用极大限制了潮流能发电装置的商品化进程。因此,本文设计研制一种悬浮锚定式潮流发电装置。该装置可通过向海底基座内注入与排出海水实现系统升沉运动,较好的降低海上施工以及设备维修、维护费用;发电装置主体悬浮工作于海水表面之下10～20m,具有隐蔽性强,不受风、浪等海洋极端天气影响的优点,可为海洋孤岛以及海上仪器仪表提供电能。依据潮流发电装置工作以及潮流流动特点,本文提出一种具有浮体在上,两台并排对转潮流涡轮在下的锚定式潮流发电装置结构形式。该结构形式增加了发电装置稳性高,进而增强装置在俯仰运动中的稳定性。并排潮流涡轮作为吸收转换潮流能量的核心构件,采用对转形式抵消潮流涡轮旋转产生的额外扭矩,增强装置稳定性;并在发电机舱内采用空载启动技术,降低潮流涡轮的启动流速,增加装置工作效率。浮体为发电装置整体提供浮力,使其悬浮工作于海水之中;位于浮体尾部的十字尾翼在装置偏航状态下提供恢复力矩,确保发电装置的适流性。此外,本文从受力分析角度剖析该种结构布局在发电装置俯仰、横摇等运动中的优越性。并根据锚定式潮流发电装置在静水以及设计流速工况下的姿态提出一种系泊点位置选取方法,并在模型试验与样机海试中予以验证。潮流涡轮的水动力性能不仅影响锚定式潮流发电装置的工作姿态,同时影响整个系统的工作效率。考虑到潮流来回往复的特性,本文在NACA翼型的基础上进行改形,生成双向BDA翼型,并对其水动力性能做出仿真计算。采用叶元体动量理论设计双向潮流涡轮,以数值计算与模型试验的方式对其水动力性能进行分析,结果表明双向涡轮叶片在正反两向来流下具有近乎相同的能量转换效率。在双向涡轮叶片外围架设薄壁导管后,通过数值计算以及模型试验的方式获得导管涡轮的水动力性能,并将双向潮流涡轮与导管涡轮的水动力性能进行对比,明确锚定式潮流发电装置设计方案。并排导管间距以及浮体相对并排导管涡轮的高度位置会对导管涡轮的水动力性能产生影响。因此,本文分别构建不同尺寸下并排导管涡轮以及锚定式潮流发电装置整机的三维模型,以数值仿真的方式,分别分析并排导管间距以及浮体相对导管涡轮高度位置对并排导管流通性能以及导管涡轮水动力性能的影响规律,确定并排导管涡轮与浮体之间的相对位置,指导锚定式潮流发电装置模型与样机研制。研制1:5比例锚定式潮流发电装置模型,并在循环水槽内进行模型试验,通过发电装置在静水以及设计工况附近的工作性能验证该装置设计的合理性以及CFD数值计算的准确性。研制1:1比例锚定式潮流发电装置样机,进行陆上试验以及威海褚岛北部海域的海上试验。通过陆上试验,在验证涡轮控制器数据采集可靠性的同时,对发电机组的发电效率以及控制系统的稳定性进行测试;通过海上试验验证锚定式潮流发电装置在真实海洋环境下受正反两向潮流作用时的回转性能。海上试验结果表明,锚定式潮流发电装置具备适流性,可跟随潮流流向的改变实现自主换向,且在俯仰以及扭转运动中具备较好的稳定性。综上所述,本文探索研制一款悬浮锚定式潮流发电装置,以数值计算、模型试验以及样机海上试验的方式对发电装置的工作姿态以及发电性能进行分析研究,为我国悬浮锚定式潮流发电装置的发展提供一定的数据支撑与参考。