叶片姿势可变的潮流能获能水轮机设计

摘要

潮流能获能水轮机是潮流能开发利用的主要设备。随着能源和环境问题不断加剧，研究和设计捕获海水动能的水轮机意义重大。研发过程中，对叶片和叶轮进行合理有效的受力分析，可以为结构设计提供依据;对聚能导流结构进行水动力特性研究可以优化其结构形式;采用有限元分析方法可以对机架结构进行强度评定，为其设计是否合理提供判断依据。
　　本论文以一种叶片姿势可变的潮流能获能水轮机的研发为背景，对其工作原理进行了阐述，总结了该水轮机在能量获取和利用上的特点和优势;对叶片及叶轮进行了受力分析，为样机结构设计提供了依据。
　　根据目标海域情况，确定了12kW样机机组主要设计参数，完成了材料选择、防腐与密封设计;依据理论分析结果完成了叶轮设计;确定了半直驱式机组增速方案，完成了发电机选用和轴承及联轴器选型与校核。
　　针对潮流双向性及本研究中水轮机特点，提出了直板型、圆弧型和S1223RTL翼型前板三种导流结构;借助Fluent软件，以增速比和阻力系数为性能评定指标，确定了圆弧型导流结构是最优类型;根据绘制出的相应增速比和阻力系数曲线，确定了前板张角和半径、后板半径等参数的最优值，并对不同流速下最优参数导流结构性能进行了分析。分析结果得出，圆弧前板导流结构可以大幅增加来流速度，并改善水流流场分布，间接提高水轮机能量利用率。
　　论文参考CCS《浅海固定平台规范》等对水轮机机架进行了结构设计，然后计算了机架结构所受载荷，利用ANSYSWorkbench对简化模型进行有限元分析，得出了最大应力值及存在区域;针对小于材料许用安全系数的区域，采用加强和局部优化的方式进行再次设计，确定了满足强度要求的结构形式和设计尺寸。最后，完成了样机总体布局。