海洋环境下轴流式潮流能水轮机载荷分析及稳定性研究

摘要

当前，我国的海洋能开发正处于蓬勃发展阶段，其开发利用面临着前所未有的战略发展机遇期，把握好当前的有利时机，对推动我国海洋能发展，加快海洋能产业化进程至关重要。潮流能发电技术作为海洋能开发利用的关键技术之一，其获能装置在恶劣海洋环境条件下的载荷响应和安全稳定性研究至关重要。
　　本文依托国家海洋可再生能源专项资金项目“轴流式潮流能发电装置研究与实验(GHME2010ZC04)”，围绕海洋环境条件下潮流能水轮机的载荷计算和强度、稳定性研究展开工作。采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，完成了轴流式潮流能水轮机的结构研发、流体动力载荷分析、机组稳定性研究以及关键零部件的强度分析工作。
　　参考国外潮流能水轮机设计经验、机组安装海域的海况资料及前期实验数据完成了轴流式潮流能水轮机的结构研发，并采用Fluent数值模拟和水池模型实验研究相结合的方法优化了导流增速结构，得出了不同母线线型导流罩的优劣，并总结了扩口段开口张角对圆型导流罩水动力学性能的影响规律。
　　运用Stokes二阶波浪理论和计算流体动力学理论分析了轴流式潮流能水轮机在实际运行工况下所承受的由于复杂海洋环境而产生的浪、流载荷及其联合作用机理，考虑水质点速度随水深的衰减变化，给出了座海底潮流能水轮机组流体动力载荷计算的模块叠加法，为后续稳定性研究和强度分析奠定了基础。
　　参考船舶原理，进行了潮流能水轮机静水力性能的理论、数值分析，指导设计了机组的海上施工方案；并运用ANSYS-AQWA软件实海况模拟了机组拖航施工过程，得出了机组横摇、纵摇、垂荡动力响应曲线；评估了机组在工作过程中的抗倾覆、滑移稳定性问题。给出了浮箱式载体潮流能水轮机组稳定性的研究方法。
　　最后，运用有限元法计算了机组关键零部件在特定工况下的静、动强度，验证了潮流能水轮机组运行的安全稳定性，为机组的优化设计奠定了基础。
　　本文研究为轴流式潮流能水轮机，尤其是浮箱式载体结构的潮流能水轮机在海洋环境下的载荷分析、强度和稳定性研究提供参考。

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1 前言

1.1 研究背景

1.2 潮流能水轮机载荷、稳定性研究现状

1.3 论文研究工作和意义

2 20kW轴流式潮流能水轮机海况资料

2.1 安装海域选址

2.2 浪流参数

2. 3 海底地质

2.4 本章小结

3 轴流式潮流能水轮机结构研发

3.1 设计方案的确定

3.2 导流罩水动力特性研究

3.3 本章小结

4 轴流式潮流能水轮机流体动力载荷研究

4.1 波浪载荷

4.2 海流载荷

4.3 浪、流联合载荷

4.3.2浪流联合载荷计算

4.4 本章小结

5 轴流式潮流能水轮机稳定性研究

5.1 机组参数计算

5.2 海上施工稳定性研究

5.3 抗滑移倾覆稳定性研究

5.4 本章小结

6 轴流式潮流能水轮机结构强度分析

6.1 有限元方法概述

6.2 20kW轴流式潮流能水轮机关键零部件强度分析

6.3 本章小结

7 工作总结与展望

7.1 工作总结

7.2工作展望

参考文献

附录一

附录二

致谢

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