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变攻角垂直轴潮流能发电水轮机的设计研究

作　者: Waqar Hussain
导　师: 朱世范
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 多连杆机构凸轮机构运动学分析 3D建模模态分析凸轮分析
分类号: TK730.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

潮汐能在可靠性和可预见性方面有很大优势。对有关潮流资源的研究,包括涉及潮流能的提取及其影响的物理过程,对于有效的利用这种能源是至关重要。许多方法已经被引进这个领域当中,水轮机是实现上述目的的最有效的方法之一。本文的研究建立在垂直轴水轮机提取潮流能的研究上,重点是以简单的变桨距机构对垂直轴水轮机进行改进,这种配置允许转子始终在同一方向旋转,并且不随潮流的方向而改变。而传统的定桨距垂直轴水轮机构通常不能够独立的启动旋转且只能在非常高的速率下有效地工作,因此自启动马达是必需的。目前已经提出了一种变螺距垂直轴水轮机,它可以通过控制转子在一个旋转周期上所有点的叶片间距来显著提高能量的提取效率。潮汐水轮机模型已开发出两种不同的变桨距控制机构:(a)平面多杆可变螺距机构,以控制变桨距的工作性能,(b)凸轮变桨距控制机构。为了评估该机构的功能和自由度,进行了动力学分析。为了评估在可变环境条件下的机构效率对主要部件进行了应力分析。为了验证设计的正确性,利用Pro/E软件建立了两种机构的虚拟样机模型。并且对水轮机的叶片进行了模态分析,得到了叶片的固有频率和振型。为了达到上述的目的,利用altair hypermesh对水轮机叶片几何模型划分网格并且利用ansys软件提取了叶片的前五阶模态。通过利用Msc Adams软件获得的凸轮运动的速度和加速度曲线验证了凸轮的设计效率。

全文目录

Abstract  5-7
摘要  7-10
CHAPTER 1 INTRODUCTION  10-28
  1.1 Motivation for the study  10-12
  1.2 Background of the research  12-18
    1.2.1 Tidal formation & Analysis  12-16
    1.2.2 Power generation from Tidal current  16
    1.2.3 Energy from Moving Water  16-18
  1.3 Tidal Current Energy Converters  18-23
    1.3.1 Horizontal Axis Turbines  18-20
    1.3.2 Vertical Axis Turbines  20-21
    1.3.3 Variable Foil Systems  21-22
    1.3.4 Venturi Systems  22-23
  1.4 Advantages of Tidal Power Generation  23-24
  1.5 Current Research on Tidal turbines  24-27
  1.6 Aim of the Study  27-28
Chapter 2, Introduction of Tidal Turbine Design (Theory & Methodology)  28-44
  2.1 Description of the turbine  28-29
    2.1.1 Design aspects  28-29
  2.2 Tidal turbine power extraction principle  29-31
    2.2.1 Theory of Turbine  29-30
    2.2.2 Stages of development  30-31
  2.3 Blade Element Momentum (B.E.M.) theory  31-33
  2.4 Vertical axis Tidal Turbine Working Principle  33-35
  2.5 Foil theory of blade  35-41
    2.5.1 Turbine Blade working principle  40-41
  2.6 Generator  41-43
  2.7 Summary  43-44
Chapter 3 Kinematics of Variable Pitch Control Linkage Mechanism  44-62
  3.1 Kinematics  44-46
    3.1.1 The Process of Kinematic Analysis  44-46
  3.2 DOF Definition  46-47
    3.2.1 Determining Degrees of freedom  46-47
  3.3 Analysis of Mechanisms  47-49
    3.3.1 Methods and Techniques of Mechanism Analysis  47-48
    3.3.2 Synthesis of Mechanisms  48
    3.3.3 Motion Generation  48-49
  3.4 Linkage Mechanism Synthesis  49-55
  3.5 The design of a main axis Spindle  55-60
    3.5.1 The check of the main axis  57-60
  3.6 Summary  60-62
Chapter 4 Cam Control Variable Blade Pitch Turbine Mechanism  62-78
  4.1 Cam controlled variable blade pitch mechanism  62-64
    4.1.1 Theory of Cam mechanism & synthesis  62-63
    4.1.2 Displacement Diagram  63-64
  4.2 Principle of Cycloidal cam design  64-71
    4.2.1 The Rise Part of the Displacement Diagram  65-66
    4.2.2 The Return Part of the Displacement Diagram  66-71
  4.3 Kinematic diagram of Cam controlled variable blade pitch mechanism  71-75
    4.3.1 Degrees of freedom  71-72
    4.3.2 Position analysis  72-75
  4.4 Turbine math model  75-77
  4.5 Summary  77-78
Chapter 5 Virtual Prototype Technology  78-104
  5.1 Analysis  78-81
  5.2 Pro/E Model  81-86
    5.2.1 Mechanism design and simulation of propeller and interference detection  84-86
  5.3 Modal Analysis  86-87
  5.4 Turbine Blade modal analysis  87-99
    5.4.1 Turbine blade Finite Element Modeling  88-90
    5.4.2 Normal modes Analysis  90-94
    5.4.3 Turbine blade Modes and Mode shapes  94-95
    5.4.4 Mode and mode shapes  95-99
  5.5 Cam Analysis  99-104
    5.5.1 Follower displacement  99-100
    5.5.2 Velocity and Acceleration  100-101
    5.5.3 Summary  101-104
Conclusions  104-105
Future Work  105-107
References  107-112
Acknowledgement  112

变攻角垂直轴潮流能发电水轮机的设计研究

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