水平轴海流能发电机组关键部件载荷分析及其试验研究

摘要

能源是人类赖以生存和发展的重要资源，随着化石燃料的日益短缺，各国都加大了新能源的开发。海流能作为一种可再生能源，丰富的蕴藏量，以及相比于风能更强的可预测性得到了广泛的关注，借助成熟的风力发电机的研究基础，用于捕获海流动能并将其转化为电能的设备——海流能发电机组也得到了迅猛发展。海流能发电机组的结构强度设计需要依据机组受到的外部载荷进行，研究并寻找适用于海流能载荷计算的快速准确的方法十分重要，设计大功率等级的发电机组时将有助于合理布置机组材料用量，减小体积和质量，并为机组机构上的优化提供依据。
　　论文分六个章节，各章节内容分述如下:
　　第一章论述了课题研究的背景和意义;介绍了国内外海流能发电机组的进展和海流能发电机组载荷计算的发展。
　　第二章介绍了海流能发电机组的载荷来源，分析了基于叶素动量(BEM)和计算流体力学(CFD)计算海流能载荷的方法，并将两者计算结果对比，结果相差不大，但基于叶素动量的计算方法由于计算量小，更适用于工程计算。
　　第三章依据第二章讨论的结论，采用叶素动量计算60kW海流能发电机组的水动力学载荷，并利用有限元分析工具，对机组的关键部件进行强度分析并提出结构改进。对叶片和主轴进行了模态分析，两者不存在共振频率。
　　第四章依据分析结果设计加工60kW水平轴海流能发电机组，并对机组的装配、传动效率、负载特性、工作温升等指标进行了场地实验，实验结果满足设计要求。
　　第五章设计完成海流能发电机组叶轮旋转工作时，主要水动力学参数的测试方法，采用mps430低功耗的单片机随叶轮一同旋转，离线采集叶片根部的应变间接获得叶根弯矩，利用机组悬挂吊臂变形获得机组的轴向力。并在实验室对50W小型机组进行了应变信号标定。
　　第六章对论文的研究工作和成果进行了归纳总结，并对课题后续的研究方向和工作内容进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 海流能发电机组的国内外发展历史及现状

1．2．1 国外海流能发电机械发展情况

1．2．2 我国海流能发电机械发展情况

1．3 海流能机组戴荷计算的发展

1．3．1 风力机中关于载荷计算的方法

1．3．2 海流能戴荷计算方法

1．4 课题的研究意义及研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

2 轴向匀速海流能机组载荷计算

2．1 主要载荷概述

2．2 基于BEM方法的载荷计算

2．2．1 动量理论

2．2．2 叶素理论

2．2．3 模型修正

2．2．4 载荷计算方法

2．3 基于CFD的流固耦合计算

2．3．1 控制方程的建立

2．3．2 ANSYS Workbench平台介绍

2．3．3 CFD仿真方法步骤

2．4 计算结果及分析

2．4．1 研究对象

2．4．2 结果及分析

3 关键零部件载荷分析

3．1 叶轮结构强度的有限元分析

3．1．1 有限元模型的建立

3．1．2 边界条件及戴荷的处理

3．1．3 计算结果及分析

3．2 机组箱体结构分析

3．2．1 籍体璧厚计算

3．2．2 建立模型及网格划分

3．2．3 计算结果及分析

3．3 主轴结构分析

3．3．1 建立分析模型

3．3．2 划分网格和施加载荷

3．3．3 静力学计算结果分析

3．3．4 抗弯强度的改进

3．4 关键部件的模态分析

3．4．1 模态分析理论

3．4．2 叶片模态分析

3．4．3 主轴模态分析

4 海流能机组的设计及其试验

4．1 机组结构设计

4．2 零部件装配及机组台架试验

4．2．1 叶片受载试验

4．2．2 叶片轮毂装配

4．3 整机机械传动测试

4．3．1 实验方案

4．3．2 实验结果

5 海流能载荷测试系统

5．1 戴荷测量系统组成

5．2 测试系统软硬件设计

5．2．1 硬件设计

5．2．2 软件设计

5．3 实验测量标定及结果分析

5．4 小型实验机组性能场地测试

6 总结与展望

6．1 课题及论文总结

6．2 工作展望

参考文献