漂浮式潮流电站叶轮与锚泊系统设计研究

论文摘要

随着经济的高速发展,我国对能源的需求量日趋增加。在发展石油、天然气等化石能源产业的同时,大力发展可再生能源利用技术,促进可再生能源产业的发展,保证能源供给的安全,优化能源供给的结构,已成为保障国民经济持续高速发展的战略举措。海洋潮流能是作为海洋可再生能源的重要组成部分,是当前可再生能源研究的重点领域之一,通过潮流水轮发电系统将潮流动能转换成电能,是潮流能利用最有效的技术途径,其发展十分迅速。漂浮式潮流电站是一种典型的潮流能转换系统,主要由浮式平台载体、水轮机、发电机组和锚泊系统组成。漂浮式潮流电站在整个运行寿命周期内,除了经受风、波浪和流的不断作用,还可能会承受台风等极端环境载荷。电站叶轮部分的设计至关重要,关系到电站的发电效能与整体的可靠性,因此其设计必须合理。为了保证漂浮式电站在工作海况下的运行与极限海况下的生存,其锚泊系统的设计必须有足够的可靠性。本文旨在分析漂浮式潮流电站载体、叶轮和锚泊系统的性能,设计高效可靠的叶轮机构与安全可靠的锚泊系统。根据海域环境和设计要求,提出漂浮式潮流电站的立轴式水轮机总体方案,分析水轮机各构件的受力特点,预报水轮机的流载荷,校核水轮机的叶片、主轴和轮辐等关键部位的强度。基于频域中的三维势流理论和二维切片理论,预报各个浪向下漂浮式潮流电站载体的波浪载荷和水动力系数,分析和研究电站载体在规则波中的运动响应,为锚泊系统的设计奠定基础。基于锚泊系统的静力分析方法和动态分析方法,根据规范要求,电站的设计要求以及工作海域特点,使用海洋工程通用软件MOSES,进行锚泊系统在作业工况和自存工况下的时域动态分析,设计三种锚泊系统方案,分析比较其结果,得出最优的方案。基于Miner疲劳累积损伤理论,进行锚泊系统的疲劳寿命分析,结果满足设计要求。本文的研究是国家科技支撑计划“150kW潮流能电站关键技术研究与示范”项目研究工作的一部分,该电站由哈尔滨工程大学负责设计研究,电站建成之后将会成为国内单机装机容量最大的潮流电站。本文成果为“150kW漂浮式潮流能电站”的详细设计提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 潮流能开发利用的技术和现状
• 1.2.1 潮流能发电特点
• 1.2.2 潮流能开发技术
• 1.2.3 国外与国内潮流能开发利用现状
• 1.3 锚泊系统发展
• 1.3.1 锚泊系统的分类
• 1.3.2 锚泊线的组成
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 漂浮式潮流电站水轮机设计
• 2.1 水轮机设计的相关参数
• 2.2 水轮机总体方案设计
• 2.2.1 叶轮的总体方案
• 2.2.2 叶轮的结构特点
• 2.3 水轮机受力分析
• 2.3.1 流载荷计算
• 2.3.2 主轴的扭矩
• 2.4 叶片设计与校核
• 2.4.1 叶片设计
• 2.4.2 叶片校核
• 2.5 主轴设计与校核
• 2.5.1 主轴设计
• 2.5.2 主轴校核
• 2.6 轮辐设计与校核
• 2.6.1 轮辐设计
• 2.6.2 轮辐校核
• 2.7 本章小结
• 第3章 漂浮式电站载体的水动力性能分析
• 3.1 漂浮式电站载体概况
• 3.2 浮体在规则波中运动的三维势流理论
• 3.2.1 浮体在规则波中速度势的定解条件
• 3.2.2 浮体受到的水动力（力矩）
• 3.2.3 附加质量和阻尼系数
• 3.2.4 浮体受到的静力（力矩）
• 3.3 浮体在规则波中运动的二维势流理论
• 3.4 漂浮式电站运动和受力分析结果
• 3.4.1 运动响应的计算
• 3.4.2 附加质量和阻尼系数的计算
• 3.4.3 载体受分析结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 锚泊系统分析方法
• 4.1 锚泊系统的布置形式和设计参数
• 4.2 锚泊系统静力分析
• 4.2.1 单根悬链线基本方程
• 4.2.2 浮体位移后锚泊线状态的变化
• 4.2.3 锚泊静力计算
• 4.3 锚泊系统动态分析
• 4.3.1 集中质量法
• 4.3.2 有限元法
• 4.4 锚泊系统动力分析的方法
• 4.4.1 准静态分析
• 4.4.2 动态分析
• 4.5 MOSES软件介绍
• 4.6 本章小结
• 第5章 锚泊系统设计
• 5.1 环境条件
• 5.2 设计标准
• 5.2.1 浮体偏移要求
• 5.2.2 锚链拉力要求
• 5.2.3 锚链长度要求
• 5.2.4 锚固形式的要求
• 5.3 锚泊系统方案设计说明
• 5.4 锚泊系统的数值模型
• 5.4.1 锚泊系统强度分析方法
• 5.4.2 环境载荷的定义
• 5.4.3 双体船和锚链模型的建立
• 5.4.4 MOSES分析的步骤
• 5.5 计算结果
• 5.5.1 设计工况
• 5.5.2 完整作业工况分析
• 5.5.3 完整自存工况分析
• 5.5.4 破损自存工况分析
• 5.5.5 结果分析与总结
• 5.6 本章小结
• 第6章 锚泊系统的初步疲劳分析
• 6.1 基本介绍
• 6.1.1 疲劳现象
• 6.1.2 疲劳破坏的特点
• 6.1.3 锚链疲劳分析
• 6.2 锚链的抗疲劳能力
• 6.2.1 锚链疲劳分析时的相关问题
• 6.2.2 拉力—拉力疲劳
• 6.2.3 弯曲—拉力疲劳
• 6.2.4 平均载荷的影响
• 6.3 锚链疲劳分析方法
• 6.3.1 累计疲劳破坏
• 6.3.2 低频和波频疲劳组合的方法
• 6.3.3 疲劳分析步骤
• 6.4 MOSES中进行锚链疲劳分析的相关说明
• 6.5 方案的疲劳分析
• 6.5.1 疲劳分析参数的设定
• 6.5.2 结果分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A