双转子水平轴潮流能水轮机叶片设计及其性能研究

摘要

能源是推动社会进步的动力，是人类从事生产活动的基础。随着经济的快速发展，传统能源的储存量变的越来越少，而且造成气候变暖、雾霾等环境问题，寻找新的可再生能源已变的十分的迫切。潮流能作为新型可再生能源具有能量密度大、可预测性强、能量相对稳定的特点，因此利用潮流能发电成为各国关注的焦点。本文结合双转子潮流能水轮机的设计开发，着重分析叶片结构参数等对其机械性能和水动力性能的影响规律，研究工作具有重要的理论意义和现实意义。
　　在分析国内外潮流能水轮机发展，以及水轮机水动力性能和叶片结构研究现状的基础上，以叶素一动量理论(BEMT)、叶轮损失修正理论以及翼型理论等为理论基础，建立了叶片优化计算的数学模型；用Matlab程序分析计算了叶片的弦长和扭转角，从经济性以及加工工艺性出发，对计算的结果进行了修正，并在Pro/E中完成了叶片的参数化造型；针对潮流能周期性往复的特点，为了充分利用潮流能，采用结构简单的双转子结构，以及桩柱式多桩结构的固定形式，建立了水轮机整体的实体模型。
　　在Gambit中对双转子实体模型进行了简化处理，建立了流场模型，在Fluent中应用SSTk-ω湍流模型对双转子水轮机的尾流状况、速度分布、叶片表面压力分布以及能量利用特性等水动力性能随着叶片安装角、叶片个数和来流速度的变化规律进行了仿真分析，得出装置采用三叶片，安装角为4°时具有较好的综合性能。
　　运用有限元分析方法对环氧玻璃钢材料的叶片强度、应力、应变以及叶片的模态等机械性能进行分析研究，从而得出叶片在最大载荷下满足要求，而且结构稳定，具有较好的机械性能。