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漂浮式潮流电站总体方案设计

作　者: 王志超
导　师: 张亮
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 流体力学
关键词: 潮流电站稳性水动力性能有限元法
分类号: P743.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 29次
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内容摘要

海洋潮流能是一种清洁的可再生能源,其利用价值高,且潜力巨大。在能源不断发展的21世纪,潮流能必将占有重要的地位。因此,开发利用潮流能已经成为我国,乃至于全世界关注的焦点。我国拥有相当长的海岸线,其中蕴含着丰富的海洋资源,开发利用海洋能源已成为我国首要任务。目前全世界已运行的潮流电站主要有三种形式：漂浮式、桩柱支撑式和坐底式。国内运行的电站多为漂浮式和坐底式。本文以国家科技支撑项目为依托,对在我国舟山海域,装机容量达150kW的潮流电站进行总体设计。本文主要展开的工作有以下几部分：首先,进行潮流电站选型,确定最优电站载体的形式；其次,计算该载体的稳性和水动力性能；然后,预报水轮机载荷；最后评估载体结构强度。潮流电站选型主要从潮流电站的经济性、水轮机工作效率及载体稳性三个方面考虑。本文对三种形式的潮流电站进行比较,最终确定了使用双体船的载体形式,并对双体船进行初稳性和大倾角稳性计算。然后基于三维频域势流理论,应用HydroStar水动力计算软件得到了在不同浪向下双体船的附加质量和附加阻尼、一阶水动力、二阶定常力和一阶运动RAO,并对结果进行分析,提出了一些改进建议。准确预报船体载荷是船体结构评估的重要部分,本文使用基于动量定理的流管法计算水轮机在工作状态下产生的载荷和力矩,然后参照规范计算波浪载荷,最后使用Patran有限元软件进行结构分析,得出相应结论。本文研究表明,双体船式潮流电站能够满足150kW水轮机工作要求,且自身结构满足中国船级社的要求。本文的研究工作为今后同类船型设计提供了参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 潮流能利用技术现状  12-17
    1.2.1 国外潮流能技术发展状况  13-15
    1.2.2 国内潮流能技术发展情况  15-17
  1.3 问题的提出  17-18
  1.4 本文工作要点  18-19
第2章潮流电站的选型和稳性计算  19-32
  2.1 潮流电站的选型  19-24
    2.1.1 潮流电站的型式  19
    2.1.2 潮流电站主尺度  19-24
  2.2 双体船潮流电站的稳性计算  24-30
    2.2.1 浮性和初稳性  24-27
    2.2.2 大倾角稳性  27-30
  2.3 双体船总布置  30-31
    2.3.1 片体  30
    2.3.2 连接桥  30-31
    2.3.3 水轮机支架(井字架)  31
  2.4 本章小结  31-32
第3章双体船式潮流电站水动力性能分析  32-47
  3.1 水动力计算理论基础  32-40
    3.1.1 水动力理论计算方法  32-33
    3.1.2 三维频域势流理论  33-40
  3.2 水动力计算结果  40-46
    3.2.1 水动力计算模型  40
    3.2.2 海况  40-41
    3.2.3 结果分析  41-46
  3.3 本章小结  46-47
第4章水轮机受力分析  47-60
  4.1 水轮机流体动力特性的计算方法  47-48
    4.1.1 动量理论  47-48
    4.1.2 旋涡理论  48
  4.2 水轮机叶片的受力与运动  48-53
    4.2.1 运动坐标系  48-49
    4.2.2 叶片受力分析  49-51
    4.2.3 无量纲参数  51-53
  4.3 求解诱导速度  53-56
    4.3.1 动能定理(贝茨定理)  53-54
    4.3.2 单盘面-多流管模型(SDMT)  54-56
  4.4 水轮机整体受力  56-59
    4.4.1 四叶片水轮机受力结果  56-58
    4.4.2 双叶片水轮机受力结果  58-59
    4.4.3 两种水轮机受力总结  59
  4.5 本章小结  59-60
第5章双体船整体结构评估  60-78
  5.1 有限元方法  60-62
    5.1.1 有限元方法介绍  60-61
    5.1.2 有限元方法在船舶领域的应用  61
    5.1.3 MSC软件的应用  61-62
  5.2 有限元模型  62-65
    5.2.1 坐标系的定义  62
    5.2.2 单元类型和网格划分  62-63
    5.2.3 材料属性  63
    5.2.4 边界条件  63-64
    5.2.5 重量重心调整  64-65
  5.3 载荷计算  65-71
    5.3.1 总体载荷  65-70
    5.3.2 局部载荷  70-71
    5.3.3 载荷计算结果  71
  5.4 载荷组合工况  71-72
  5.5 整体结构评估  72-77
    5.5.1 横浪(浪向角90°)计算结果  73-74
    5.5.2 斜浪(浪向角45°/135°)计算结果  74-75
    5.5.3 双井架计算结果  75
    5.5.4 计算结果总结与分析  75-77
  5.6 本章小结  77-78
结论  78-80
  主要研究结论  78-79
  研究工作展望  79-80
参考文献  80-83
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  83-84
致谢  84

漂浮式潮流电站总体方案设计

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