浪流发电设备导流罩设计及分析
随着世界经济的高速发展，人口的急剧增加，作为人类利用的主要能源—化石能源被大量利用，因而日渐枯竭，这给全球带来了严重的环境问题。在全球范围内能源危机的冲击下，环境保护及经济持续发展的要求一再被提出并得到了广泛的关注，因此开发利用新能源和可再生能源成为大多发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。海洋能作为一种可再生的清洁能源，其有效开发利用可以为改善能源结构，发展低碳经济和应对气候变化提供一条重要的途径，所以大力开发海洋新能源是目前全球的共同目标。海洋能中应用比较广泛的是海洋波浪能和潮流能，因其在海洋中无处不在而且受时间限制相对较小。但是目前而言，对波浪能和潮流能的能量捕获装置彼此独立，相对单一，如果将波浪能和潮流能有效地综合利用，则更能有效地最大程度利用海洋能源。因此对浪流获能装置的设计研究和如何有效提高其获能效率是目前海洋能研究领域的重点和难点。 目前主要的海洋波浪能、潮流能获能装置是水轮机。由于流速的制约，国内许多海洋能研究机构都在积极研究应对策略，如何在低流速下最大限度的获取能量一直是研究的热点。目前提高水轮机获能效率的方法主要有叶片翼型优化、水轮机叶片变桨距机构和外部增加导流罩增大通过水轮机截面流速等。本文针对一种新型波浪潮流一体化发电装置的水轮机设计研究了适用性较强、易安装的导流罩，以增大轮机的获能效率。本课题的设计研究为导流增强型水轮机的研究和实践提供了基础，为适用于海洋能发电设备的导流罩设计提供了参考，为水轮机导流罩的优化设计提供一定的理论基础。 论文第一章首先对海洋能的开发利用的必要性进行了综述，并简单介绍了海洋能中两大主要能源—波浪能和潮流能现今的发电技术与原理。详细介绍了目前国内外对导流罩的开发利用技术的现状和进展，并提出了本文所研究的“浪流发电设备导流罩的设计及分析”课题，并论述了研究该课题的意义。 第二章主要是对导流罩进行外形的设计。首先对该研究课题中所涉及的浪流一体化装置的结构进行了详细的阐述。然后根据该发电装置的实际需要，结合风力发电机扩散器的设计理论，考虑工作流场对称型特点，设计提出了两种类型导流罩模型方案，即S型和W型。 第三章介绍了CFD仿真技术的相关内容，并对本次研究中所要采用的FLUENT软件中的相关功能进行了介绍和分析。这是本课题中的理论研究基础。接下来运用FLUENT软件进行二维CAD计算，分析S和W两大类型导流罩压力场和速度场，研究分析了线型对导流罩水动力特性的影响并得出S为优先选择型线。而后对不同收缩比下的S型导流罩进行了更为深入的水动力性能的研究，根据五条设计原则，选取双曲线变形方案S3作为最优线型。该设计研究为导流增强型水轮机的研究和实践提供了理论基础。 第四章在机械设计制造理论的基础上，对导流罩外形进行优化设计，并对导流罩与轮机的联接机构进行设计，完成了导流罩与机架的整体装配，保证装卸的稳固性和方便性。画出CAD图。 第五章系统的介绍了有限元方法在工程结构受力分析过程中的应用，以及大型通用有限元分析软件ANSYS的求解分析模块，针对课题中浪流轮机的导流罩进行了有限元数值模拟分析，分析了其结构强度和疲劳强度，验证了该导流罩设计的合理性。并对导流罩与机架装配后的整个机构进行了结构强度的分析，从模拟仿真分析的结果可以得出，该导流罩的设计与安装是具有良好的稳定性的。 最后针对导流罩在实际工况中所可能受到的破坏因素进行了分析，并对可采取的防护措施进行了简单的说明。
浪流发电设备;水轮机;S型导流罩;浪流一体化装置
上海海洋大学
硕士
机械工程
王世明
2015
中文
TK730
73
2016-06-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）