垂直轴水轮机电站载体运动模拟平台研究

摘要

漂浮式潮流电站的运行经验表明，载体的摇荡运动会降低水轮机的工作性能、预期寿命和可靠性，为了准确评估这种影响需要建造模拟平台进行模拟实验。模拟平台要能重现载体的6自由度摇荡运动，其液压缸需要配合动作并能输出足够大的驱动力以克服实验过程中水轮机的流体载荷及其惯性力。本文先研究潮流电站载体运动响应和垂直轴水轮机在主轴运动时水动力，以提供模拟平台的运动学要求和载荷要求，然后对6-UPU型的并联模拟平台进行运动学和动力学研究。
　　本文首先建立载体坐标系、载体平行坐标系和北东坐标系以描述载体运动，并对垂直轴水轮机电站载体进行运动学和动力学分析；运用DNV SESAM的DeepC模块建立载体的结构模型，在浮式载体湿面添加水压并划分网格；在HydroD模块中，导入网格模型，添加波浪参数，建立载体水动力模型并调用WADAM和WASIM程序求解，经后处理得到潮流电站载体的6自由度频域和时域运动响应。
　　其次，根据潮流电站载体稳态摇荡时域响应，分析载体上水轮机主轴的运动规律，得到主轴相对于水流的速度沿轴向的分布；以水流速度与主轴速度的矢量差在主轴垂直面内的投影来分析垂直轴水轮机的水动力；运用Glauert原理和叶素理论求解水轮机处的来流速率沿主轴方向的分布，进而积分得到垂直轴水轮机整个叶轮在主轴随载体运动时的水动力。
　　再次，根据并联机构模拟平台的结构特点，推导其运动学方程；根据潮流电站载体摇荡6自由度时域响应，分别计算模拟平台动平台跟踪载体摇荡运动时考虑载体垂荡和艏摇与忽略垂荡和艏摇的两种情况下模拟平台运动学逆解；为求解模拟平台位姿正解，采用Broyden修正的拟牛顿法，并在Mathematica中编程计算；根据实例正解求解结果，给出获得合适初始迭代初值的建议。
　　最后，设计一台垂直轴水轮机，在UG中运用自上而下的建模方法绘制模拟平台和水轮机的完整三维模型，经零件合并、适当简化后导入ADAMS进行动力学仿真；在ADAMS中添加约束、驱动和作用力，驱动采用前面计算的模拟平台运动学逆解，作用力采用前面计算的水轮机在主轴随载体运动时的流体载荷；ADAMS正运动学仿真结果验证了本文运动学分析的准确性，ADAMS逆动力学仿真结果得到为克服垂直轴水轮机的流体载荷及其惯性力所需的驱动力。

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第1章 绪论

1.1 本文研究意义及目的

1.2 漂浮式潮流能发电装置的研究概况

1.3 并联机构模拟平台研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 潮流电站载体运动响应研究

2.1 载体运动数学模型

2.2 载体运动响应数值计算

2.3 本章小结

第3章 垂直轴水轮机水动力研究

3.1 载体静止时水轮机水动力分析

3.2 叶轮主轴运动分析

3.3 主轴运动时水轮机水动力分析

3.4 本章小结

第4章 模拟平台运动学分析

4.1 模拟平台结构分析

4.2 运动学反解分析

4.3 运动学反解计算

4.4 模拟平台位置正解分析

4.5 本章小结

第5章 模拟平台动力学分析

5.1 模拟平台动力学建模

5.2 ADAMS仿真

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢