水平轴变桨距潮流能发电水轮机实验装置研究

摘要

随着传统能源紧缺问题的日渐突出,潮流能开发与应用技术的研究正逐步升温。水平轴潮流能发电水轮机作为潮流能发电的重要装置,其研究正受到广泛的关注。变桨距技术的应用也使其性能较以往有了很大的提升。而其实验室的理论研究作为工程实践的基础,也正受到越来越大的重视。因此作为基础理论研究的平台,水平轴水轮机实验装置的研制将会对推动水平轴变桨距式水轮机的发展起到重要作用。本文针对1KW水平轴变桨距潮流能发电水轮机实验装置研制项目的设计要求,在实验装置总体结构设计,强度分析,控制系统设计,实验研究等方面进行了研究。
　　根据实验装置研制项目的设计要求,运用贝茨理论确定最大能量捕获率,系统计算变桨力矩的大小。在比较分析传统水平轴水轮机的设计方案后,确定直驱式统一变桨的整体设计方案,对水轮机实验装置进行了机构设计,建立了水轮机实验装置的三维模型。
　　对水轮机实验装置进行了强度分析。对实验装置中的主轴、变桨齿轮进行理论计算,确定其疲劳强度满足设计要求。针对主轴、齿轮、套杯等重要零部件,根据载荷受力运用有限元软件进行静强度分析,确定了应力及位移均为安全值。根据强度校核结果,确定了所有零件尺寸及图纸,根据图纸要求制作实体样机。
　　对水轮机实验装置进行了通讯及数据采集系统设计。确定分布式控制系统的控制方案,将系统分为上位机,通讯系统,数据采集系统,变桨控制系统四大部分。建立通讯协议及处理程序,实现上位机与终端设备的数据交互。设计制作数据采集系统并标定,实现实验装置所需信号的采集。通过实现外界负载在系统中的接入断出,达到稳定主轴转速的目的。
　　对水轮机实验装置进行了控制实验研究。对实验装置变桨系统实施闭环控制方案,根据直流电机原理搭建驱动电路和控制程序,实现桨叶的可控定角度旋转及保持。联合测试整体系统,通过分析系统的测试数据验证了各模块功能的完整性。实验证明本文设计的水轮机实验装置在实验数据记录、机组运行工况监测、变桨控制、发电机负载调节方面均能够完成设计要求。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 水平轴潮流能发电水轮机国内外研究现状

1.4 控制系统研究现状

1.5 论文的主要研究内容

第2章 水平轴潮流能发电水轮机实验装置机构设计

2.1 水平轴潮流能水轮机能量捕获原理

2.2 变桨系统理论设计

2.3 水轮机实验装置总体设计

2.4 本章小结

第3章 水平轴潮流能发电水轮机实验装置强度分析

3.1主轴强度分析

3.2变桨系统齿轮强度分析

3.3桨叶套杯强度分析

3.4 本章小结

第4章 水平轴潮流能发电水轮机实验装置通讯及数据采集系统设计

4.1控制系统总体方案设计

4.2通讯系统设计

4.3数据采集系统设计

4.4 本章小结

第5章 水平轴潮流能发电水轮机实验装置控制实验研究

5.1水轮机实验装置驱动控制控制方案设计

5.2 水轮机实验装置控制实验研究

5.3 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢