对转双叶轮潮流能发电装置次级透平设计方法研究

论文摘要

海洋能作为一种储量丰富、环境友好的可再生能源,日益受到世界各个国家的重视。潮流能作为其中一种易预测、易开发的形式,有着巨大的科研和经济价值。与潮流能资源丰富且开发技术最先进的欧盟相比,中国的潮流能能量密度较低,欧盟现有的技术不能直接应用于中国,而需要做出相应的本土化改进。考虑到一般单叶轮潮流能发电装置,由于旋转尾流的存在,其效率的提高空间有限。为了将旋转尾流中流体的动能利用起来以提高效率,可以在单叶轮潮流能发电装置后增加一个与之转向相反的次级透平组成双叶轮潮流能发电装置。论文提出一种对转双叶轮水平轴潮流能发电装置次级透平的设计方法,使用流体仿真软件模拟通过前透平后流体速度场及流动发展参数,确定双透平最佳间距及后透平最佳直径,进而通过将非定常流动平均化为定常流动,同时通过在叶素理论中加入切向速度以及动量理论中加入流动发展参数,改进了叶素动量理论以适用于后透平设计,并完成后透平叶片的设计。进而基于此方法通过数值仿真以及实验测试证明了此方法的有效性。论文主要完成的工作如下:(1)从理论角度分析了前透平流场旋转尾流的速度场,并将此速度场作为后透平的入流条件,得到了适用于后透平设计的叶素动量理论,然后使用平均化的方法,将非定常流动转化为定常流动来分析,得到双透平发电装置次级透平的设计流程。(2)根据实验室现有的条件,依照提出的设计方法设计一组对转双透平发电装置,并在设计过程中,使用流体仿真软件辅助对前透平后流场进行仿真分析。(3)对双透平发电装置进行建模并使用流体仿真软件Fluent进行仿真,对其可能产生的空化现象进行了预测,提出了降低空化现象风险的建议,同时对其功率以及效率进行了预测。(4)使用3D打印技术制作了前述设计完成的双透平发电装置,并使用测试水槽对其性能进行了测试。通过以上研究工作,可以证明本文提出的设计方法能很好地提高潮流能发电装置的透平转换效率,此设计方法可以用来设计符合中国潮流能资源现状的低流速潮流能透平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 研究背景
•   1.2 潮流能研究现状
•     1.2.1 潮流能全球开发概况
•     1.2.2 国内潮流能资源储量情况
•     1.2.3 国外潮流能开发现状
•     1.2.4 国内潮流能开发现状
•   1.3 研究目的及意义
•   1.4 本文主要研究内容
•   1.5 本章小结
• 第二章 透平装置设计分析的理论
•   2.1 研究内容
•   2.2 透平分析理论
•     2.2.1 贝茨理论
•     2.2.2 有旋转尾流的理想透平
•     2.2.3 叶素动量理论
•     2.2.4 贝茨最优叶片理论
•   2.3 透平后流场分析
•   2.4 后透平设计方法
•     2.4.1 后透平设计理论分析
•     2.4.2 后透平其他参数设计
•   2.5 双透平系统设计流程
•   2.6 本章小结
• 第三章 双透平系统设计
•   3.1 透平设计条件
•   3.2 基本设计参数选择
•     3.2.1 叶尖速比及叶片数的选择
•     3.2.2 翼型的选择
•   3.3 前透平叶片设计
•   3.4 前透平后流场仿真分析
•     3.4.1 网格划分
•     3.4.2 仿真求解
•     3.4.3 仿真结果
•     3.4.4 结果分析
•   3.5 后透平设计
•     3.5.1 透平间距及后透平半径选择
•     3.5.2 后透平叶片设计
•   3.6 双透平系统模型的建立
•   3.7 本章小结
• 第四章 透平模型仿真
•   4.1 数值仿真的理论基础
•     4.1.1 控制方程
•     4.1.2 湍流模型
•     4.1.3 CFD求解的一般过程
•   4.2 流场网格划分与边界条件设定
•   4.3 双透平模型仿真结果
•     4.3.1 压力分布及空化预测
•     4.3.2 双透平功率的预测
•   4.4 本章小结
• 第五章 实验测试
•   5.1 实验测试水槽介绍
•   5.2 测试模型的制作
•     5.2.1 叶片的制作
•     5.2.2 发电机的制作
•     5.2.3 其他部件的制作及组装
•   5.3 实验测试结果
•     5.3.1 双透平功率系数的定义
•     5.3.2 透平系统的启动流速
•     5.3.3 透平系统转速与流速的关系
•     5.3.4 透平系统功率系数与流速的关系
•   5.4 实验结果与仿真结果的对比
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文及著作情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张芙铭

导师: 徐明奇

关键词: 潮流能,透平,效率,对转,叶素动量理论

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 东北师范大学

分类号: P743.3;TM61

DOI: 10.27011/d.cnki.gdbsu.2019.000212

总页数: 72

文件大小: 3555K

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