潮流能驱动的柔性叶片水轮机水动力性能试验研究

论文摘要

目前用于获取海洋潮流能的潮流水轮机均采用刚性叶片,对工作流速要求高,噪音大,空蚀现象严重,且锋利的边缘容易对鱼类等海洋生物造成伤害,这些都是造成目前潮流能开发力度不够的重要因素。柔性叶片水轮机作为一种新型换能装置,其叶片由柔性材料制成,起转能力强,转速低,空蚀现象不明显,具有很多刚性叶片所不具有的特点。更具工程开发意义的特点是,柔性叶片水轮机转子转向只与叶片的安装方式有关,而不受水流流向控制,因此可广泛应用于流向多变的工况下。在流体作用下,柔性叶片不断发生形位变换,自适应流体呈现翼形结构,承受阻力的同时可充分利用流体的升力效应做功,阻力效应和升力效应是彼消此长相互更替的关系,在相互转化过程中共同充当水轮机旋转的动力,高效提取流体能。本文首先以四叶片帆翼式水轮机转子为例,介绍了柔性叶片水轮机的工作原理。分析了叶片的运动和受力,建立了评价柔性叶片水轮机水动力性能的数学模型,探讨了方程中对柔性叶片水轮机性能的众多影响因素,提出了目前国内外科研机构在流体和柔性体双向耦合理论研究中普遍遇到的问题,从而将解决问题的方法转向以风浪流水槽试验为基础的试验分析法。在无量纲分析理论的指导下,作者找到与叶片形状和水轮机结构有关的一系列无量纲参数,这些参数的大小直接影响了柔性叶片水轮机的获能能力。对应这些参数的变化,设计了多个水轮机转子模型,提出了合理的试验方案,解决了试验过程中的诸多难题,并对试验获取的数据进行分析总结,找到了这些参数对柔性叶片水轮机水动力性能的影响规律。论证了柔性叶片水轮机的水动力特性,针对叶片结构参数和水轮机安装方式提出了优化方案。随后,作者讨论了5kW柔性叶片水轮机海试样机的多种结构方案,并确定采用双浮体升降式结构形式。设计了国内第一台5kW柔性叶片水轮机海试样机。针对海洋特殊环境和载荷,选用了柔性叶片材料并对叶片和水轮机转子支撑结构进行了校核和优化。同时,对载体进行了设计,介绍了样机电控检测系统。最后,基于海试数据,分析了导流罩的聚流效果。针对柔性叶片水轮机可控工作状态参数尖速比进行了分析,对比了模型试验和海试数据,不同流速环境具体数值上有一定差距,但趋势一致性好。提出了在不同流速下水轮机工作状态控制方案,为潮流能开发工程化应用阶段保持高效获能状态提供思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 潮流能开发的意义
• 1.2 潮流能的特点及分布
• 1.3 潮流能发电技术研究综述
• 1.3.1 当前典型潮流发电系统
• 1.3.2 国外潮流能发电技术的现状和进展
• 1.3.3 国内潮流能发电技术现状和进展
• 1.4 柔性叶片水轮机简介
• 1.5 本文的工作内容
• 2 柔性叶片水轮机水动力性能理论分析
• 2.1 柔性叶片水轮机的结构
• 2.2 柔性叶片水轮机工作特点
• 2.2.1 水轮机的分类
• 2.2.2 柔性叶片水轮机的工作原理
• 2.3 柔性叶片水轮机的运动和受力
• 2.3.1 叶片的运动
• 2.3.2 叶片及水轮机的受力
• 2.4 本章小结
• 3 柔性叶片水轮机试验设计
• 3.1 量纲分析确定柔性叶片水轮机性能影响因素
• 3.2 试验设备和装置
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 水轮机试验模型
• 3.3 试验方案和数据获取过程
• 3.3.1 三相有功功率表的接线方式
• 3.3.2 电阻式应变片的标定
• 3.3.3 试验方案
• 3.4 其他关键问题解决
• 3.4.1 叶片的固定和ACR 控制
• 3.4.2 水轮机转子支撑结构
• 3.5 本章小结
• 4 试验内容及试验数据处理
• 4.1 试验目的
• 4.2 柔兜式柔性叶片水轮机试验
• 4.2.1 柔兜六边形水轮机淹没试验
• 4.2.2 变兜度试验
• 4.2.3 变叶片密度试验
• 4.2.4 单组叶片受力试验
• 4.3 帆翼式柔性叶片水轮机试验
• 4.3.1 淹没度的影响
• 4.3.2 变弧弦比试验
• 4.3.3 变边弧比试验
• 4.3.4 叶片密度试验
• 4.3.5 单组叶片受力试验
• 4.4 水轮机转子安装方式比较试验
• 4.5 同种结构的刚性叶片水轮机试验
• 4.6 本章小结
• 5 柔性叶片水轮机水动力性能研究与优化
• 5.1 水动力特性分析
• 5.1.1 运动特性
• 5.1.2 动力特性
• 5.2 柔性叶片水轮机性能研究
• 5.2.1 柔性叶片固定方式比较
• 5.2.2 帆翼式柔性叶片水轮机最佳弧弦比
• 5.2.3 帆翼式柔性叶片水轮机边弧比分析
• 5.2.4 帆翼式柔性叶片水轮机叶片密度分析
• 5.3 柔性叶片水轮机的优化
• 5.3.1 结构参数优化
• 5.3.2 安装方式优化
• 5.4 本章小结
• 6 5kW 潮流能发电样机设计与海试
• 6.1 5kW 潮流发电样机设计
• 6.1.1 总体方案设计
• 6.1.2 水轮机转子设计
• 6.1.3 载体设计
• 6.1.4 输变电供电及试验数据监测系统
• 6.2 5kW 潮流能发电样机海试
• 6.2.1 载体聚流效果分析
• 6.2.2 样机最佳工作状态分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文