悬浮式水平轴潮流能水轮机及其导流罩的设计与水动力分析

作     者：骆锐东 

作者单位：上海海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王世明

授予年度：2020年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：潮流能发电 叶片设计 导流罩 Fluent仿真 水槽试验 

摘      要：现今世界能源需求的爆发式增长与传统化石能源的枯竭、环境的恶化之间的矛盾愈发尖锐,各国把注意力转向了可再生能源。海洋潮流能因其卓越的环保性、可再生性及丰富的贮存量而成为研究重点。我国有着丰富的潮流能资源,开发潜力巨大。近十几年来,潮流能发电越来越受到国家的重视,得到了比较快速的发展,也取得了初步的理论基础,但我国对于潮流能的利用仍在初期阶段,和发达国家相比仍有很多技术上的难题有待解决。国外很早便对潮流能发电技术展开了研究,因此发展得更加成熟,尤其是欧洲的一些发达国家,已经有规模化商业应用的工程范例,这些范例可以为我国潮流能技术的研究和发展提供一些参考。通过总结近些年国内外潮流能发电装置和潮流能水轮机的的发展状况和技术难点,叶轮效率普遍不高以及制造运行成本高始终是限制潮流能发电规模化应用的重要因素,因此本文提出一种新型悬浮式双向潮流发电装置,并对其关键部位水轮机和导流罩进行设计和研究,具体内容有:采用直驱式发电设计方案,电机端和叶轮直接用键同轴连接,叶轮转动直接带动电机转子;电机采用少槽数、多极数的设计,使其能在较低转速下仍有较高的效率;电机端盖设计成“子弹头分流罩以稳定流场和减少对水流的阻力;基于BEM理论和翼型理论,设计一种双向叶轮。通过对比分析选取NACA24112作为基础翼型,再截取、拼接得到新的对称翼型,再结合整体结构要求和实际工况,确定出叶片设计的基本参数,基于Wilson法求得各叶素的扭角和弦长,再根据弦长与截面半径之间的关系运用拟合函数对弦长和扭角进行修正,最后将翼型坐标经变换后导入三维建模软件CATIA中进行建模。运用Fluent仿真软件分析不同流速工况下不同叶片数目对叶轮水动力性能的影响,通过网格划分、设置边界条件,求解得到相关压力云图,分析出四叶片时叶轮性能最好;基于导流罩的设计原则和风力扩散器原理,设计一种双边对称式折线型导流罩。在已有项目研究成果上,选定扩口最优角度25°,重点对扩口段长度进行优化设计,利用Fluent软件分别对160mm、190mm、220mm、250mm和280mm的扩口长度进行数值模拟得出其速度云图并进行分析。导流罩内部流速随扩口长度的增加而先增大后减小,在220mm处最大。因为当小于220mm时扩口较小,增速效果差;大于220mm时扩口距内部中心较远,易造成涡流和漩涡产生能量损失;通过水槽实验,验证了叶轮能够较好地捕获双向来流能量;发电轮机在低速（0.5m/s）状态下,可保持正常发电,水轮机的输出测量功率在设计流速2m/s时达到额定功率40W,此时达到最大获能效率25.4%。综上所述,本装置可以为后续的海上试验和未来的实际应用提供一定的参考。