基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置水动力性能试验研究与数值预报

发布时间：2020-11-05 15:17

　　 世界范围内,化石能源日趋紧张,环境污染不断加剧,潮流能作为一种清洁无污染的绿色可再生能源,具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等诸多优点,开发利用潮流能成为缓解能源紧张、降低环境污染的有效途径。潮流能开发利用的主要装置为水轮机,水轮机搭载在载体上,构成发电系统,将潮流动能转换为电能。目前,潮流发电装置的分类很多,各自具有独特的应用背景和优势。按载体分类,可以分为桩基础式、座底式和漂浮式,按水轮机分类主要分为水平轴水轮机式和竖轴水轮机式。其中,基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置融合了竖轴水轮机和漂浮式载体的特点,具有结构简单、生产制造技术难度小、成本低、维护检修和管理费用低、适应流向变化、对吃水要求低等优点,近年来成为研究的热点,并在我国和意大利等国有实验示范装置运行。但是,现阶段对该类潮流发电装置的研究多集中在对竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统的研究,对竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统耦合作用下,潮流发电装置的性能预报研究较少,而这却是制约该类潮流发电装置设计、实验示范研究和工程应用的关键。为此,本文对基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置开展其水动力性能研究,建立该类潮流发电装置水动力性能的试验预报方法、平台和数值预报方法,为该类装置的研究和工程应用提供理论基础和技术支撑。在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置系泊试验方法和设计方面,本文首先根据发电装置原型、船模拖曳水池情况确定模型试验的缩尺比,对双体船模型和水轮机模型开展连接设计研究,对发电装置模型重心及转动惯量的测量方法进行研究,设计开发模型重心及转动惯量测量与调整装置,测量和调整模型的重心及转动惯量。然后,开展系泊模拟研究,分别开展系泊点和锚链的模拟研究,通过系泊架实现系泊点的模拟,通过系缆实现锚链的模拟。接着,选配系泊试验研究的仪器和设备,开展测量与布置方案研究,并介绍系泊架的安装和系缆预张力的调节方法,给出试验工况,最后形成基于船模拖曳水池的漂浮式潮流发电装置系泊试验平台和试验方法。在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置系泊试验研究方面,本文首先研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置的自由衰减特性和系泊衰减特性,分别测量组合模型在自由状态下的横摇衰减情况和纵摇衰减情况,组合模型在系泊状态下的横摇衰减情况、纵摇衰减情况和艏摇衰减情况,并对各自的衰减情况进行分析。然后,研究装置模型在均匀流下的系缆拉力响应特性、组合模型的姿态响应特性,并介绍试验中的一些试验现象,对试验现象进行分析。接着,开展均匀流下水轮机转与不转时的比较试验研究,对两种状态下系缆拉力、组合模型的姿态响应和试验模型的侧向位移进行比较分析,给出研究结论。接着又进行规则波环境下系泊试验研究,研究波高和频率对模型系缆拉力和运动的影响。最后,研究装置在不规则波环境下的系缆拉力情况和姿态响应情况,并对试验结果进行分析。在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置总体性能研究的基本理论方面,文章首先给出竖轴水轮机流载荷的数值模拟方法,给出数值模拟的基本控制方程、RANS方程、湍流模型和近壁区处理方法、离散方法和自由变偏角的模拟方法。然后,给出了基于三维势流理论的频域分析理论,包括坐标系的定义,线性速度、一阶波浪力、平均波浪漂移力和二阶波浪力传递函数矩阵的求解。最后,给出装置水动力性能分析的时域耦合分析理论,建立了时域耦合运动方程,给出流力和波浪力的确定方法,给出水轮机载荷的耦合处理方法。在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置总体性能研究方面,文章首先根据第四章的基本理论方法,数值模拟水轮机的流载荷情况,并对水轮机受力进行数据拟合,计算水轮机旋转产生的等效附加质量和阻尼。然后,对漂浮式潮流发电装置的浮式载体进行频域辐射、绕射分析,最后,考虑水轮机转动的影响,对发电装置的水动力性能进行了耦合计算研究,预报发电装置的锚链张力和运动响应情况,并选择典型工况与试验结果进行比较,验证本文数值预报方法的有效性。在带浮筒的漂浮式潮流发电装置总体性能研究方面,首先设计了浮筒的结构形式和锚链连接,然后,利用第四章的频域分析基本理论和时域耦合分析基本理论,对带浮筒的漂浮式潮流发电装置进行时域耦合计算研究,预报发电装置锚链张力和运动响应情况,分析浮筒对装置性能的影响。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P743;TM612
【部分图文】：

机械科学研究总院和中国海洋大学以柔性叶片研究和应用为背景，共同研制了一款??基于竖轴柔性叶片水轮机的漂浮式潮流发电装置［６］，并于２００８年１２月在青岛斋堂岛海??域进行了实验测试，见图１．４。该发电装置的能量转换机构为多布置三角形柔性叶片竖??轴水轮机，具有较高的能量转换效率，能够实现自启动。载体部分采用了双浮体升降式??结构，具有结构简单、加工和制造成本低等特点。??在“国家科技支撑计划项目”的支持下，哈尔滨工程大学于２０１２年完成了?“海能Ｉ”??号２Ｘ?１５０ｋＷ潮流实验电站的设计和建造，并２０１３年在浙江省舟山市岱山县示范运营。??该发电装置总长２４ｍ，总宽１３．９ｍ，型深３ｍ，吃水１．２ｍ，为基于竖轴水轮机的漂浮式??潮流发电装置，采用双体船式载体结构，锚泊定位，双转子，竖轴直叶水轮机，可实现??电能的变化和控制，发出的电经海底电缆输向官山岛。??基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置的开发较少

蓝能（Ｂｌｕｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）公司１２８１开发了一款Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水水轮机属于Ｈ型四叶固定偏角水轮机，四个叶片均为直叶片，对称布置，连接于，经齿轮箱传动驱动发电机发电，如图１．６所示。水轮机置于锚固在海底的水泥沉通过沉箱增强流速，提高能量转换效率。１９８４年蓝能公司开发了?１００ｋＷ的样机，??叶轮外侧加装了导流罩，使之成为导流增强型水轮机。Ｎｅｗ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ发了?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水轮机［２９］，如图１．７所示。该水轮机的叶轮结构与蓝能公司的Ｄａｖｒｏ水轮机相似，其中５ｋＷ和２５ｋＷ的机型已经在加拿大和美国有应用，目前正在５０ｋＷ的机型。??

?图丨．６?Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水轮机?图１．７?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水轮机??Ｆｉｇ?１．６?Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ?ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｆｉｇ?１．７?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ?ｔｕｒｂｉｎｅ??在加拿大，蓝能（Ｂｌｕｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）公司１２８１开发了一款Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水轮机，??该水轮机属于Ｈ型四叶固定偏角水轮机，四个叶片均为直叶片，对称布置，连接于转轴??上，经齿轮箱传动驱动发电机发电，如图１．６所示。水轮机置于锚固在海底的水泥沉箱??内，通过沉箱增强流速，提高能量转换效率。１９８４年蓝能公司开发了?１００ｋＷ的样机，??并在叶轮外侧加装了导流罩，使之成为导流增强型水轮机。Ｎｅｗ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公??司开发了?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水轮机［２９］，如图１．７所示。该水轮机的叶轮结构与蓝能公司的Ｄａｖｉｓ??Ｈｙｄｒｏ水轮机相似，其中５ｋＷ和２５ｋＷ的机型已经在加拿大和美国有应用，目前正在开??发２５０ｋＷ的机型。??图１．８Ｋｏｂｏｌｄ水轮机??Ｆｉｇｌ．８?Ｋｏｂｏｌｄ?ｔｕｒｂｉｎｅ??在意大利
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐斌;一种超常发电装置的创意设计[J];发明与革新;2002年06期

2 曲桂娴;刘鸿涛;贺玉龙;孙小端;;行人天桥自动发电装置的设计计算[J];科技信息;2013年13期

3 陈兵;杨宗宇;Tom Bruce;;越浪式波能发电装置的水力性能研究[J];可再生能源;2013年01期

4 宋雨泽;王项南;王鑫;路宽;杨宁;韩林生;;潮流能发电装置测试平台结构设计浅析[J];海洋开发与管理;2013年09期

5 王小龙;;举手投足也可发电[J];发明与创新(综合科技);2011年11期

6 蒋贵兴;微型发电装置的曙光[J];全球科技经济瞭望;2000年12期

7 马勇;张亮;马良;陈展;;竖轴水轮机式潮流能发电装置开发现状与发展趋势[J];科技导报;2012年12期

8 马勇;张亮;由世洲;;潮流发电装置运动衰减特性与不规则波响应[J];力学学报;2013年03期

9 郭小天;张亮;;潮流发电装置弹性锚泊设计[J];应用科技;2013年03期

10 孙泽阳;任岚晖;徐奕林;;一种无轴式节流发电装置的设计与CFX分析[J];科协论坛(下半月);2011年10期

相关博士学位论文 前10条

1 马勇;基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置水动力性能试验研究与数值预报[D];哈尔滨工程大学;2013年

2 袁江波;圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

3 刘娅君;碟型越浪式波能发电装置的系统设计及优化研究[D];中国海洋大学;2011年

4 杨亮;仿金枪鱼摆动尾鳍的水动力性能与推进机理研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

5 郭春雨;螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算[D];哈尔滨工程大学;2007年

6 陈展;摆式河流动能发电装置原理设计与水动力性能研究[D];哈尔滨工程大学;2015年

7 冯佰威;基于多学科设计优化方法的船舶水动力性能综合优化研究[D];武汉理工大学;2011年

8 李嘉文;新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D];天津大学;2014年

9 葛新发;赛艇水动力性能和运动员机能的评定研究[D];武汉理工大学;2004年

10 魏跃峰;浮式钻井生产储油轮（FDPSO）水动力性能及概念设计研究[D];上海交通大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 曲锋;永磁式海洋波动发电装置的设计[D];河北工业大学;2015年

2 耿超凡;压力发电装置的实用化设计与开发[D];华北电力大学;2015年

3 张智博;碟式斯特林太阳能光热发电装置中的光追踪控制系统研究[D];重庆大学;2016年

4 邢琳琳;风光生联合发电装置结构优化设计[D];华北电力大学;2016年

5 赵子超;多振子串联压电发电装置的设计与实验研究[D];吉林大学;2013年

6 雷道涛;轮机式浪流发电装置的设计与数值模拟研究[D];上海海洋大学;2014年

7 白文娟;风光塔式发电装置及方法的研究[D];青岛科技大学;2013年

8 高人杰;组合型振荡浮子波能发电装置研究[D];中国海洋大学;2012年

9 韩光华;越浪式波能发电装置的能量转换系统设计研究[D];中国海洋大学;2013年

10 孟维文;小型水流能发电装置设计与仿真[D];武汉理工大学;2012年

本文编号：2871816