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水平轴潮流能发电机械叶片设计及特性分析

作　者: 徐学涛
导　师: 李伟
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水平轴潮流能发电装置翼型叶片能量最大捕获
分类号: TM312
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 26次
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内容摘要

能源短缺是当今全世界共同面对的难题,走可持续发展之路是全人类的必然选择。近年来,水平轴潮流发电机械能作为一种新型可再生能源,以其蕴藏丰富,环境友好的巨大优势在全球得到了迅猛发展,技术越发成熟。在这种新型的利用潮流动能的发电机械中,叶轮作为发电装置的一次能量转换环节,将潮流动能转化为机械能,其性能好坏直接决定了机组的效率。现阶段,水平轴潮流能发电机械的技术大多参考风力发电机组,本文通过理论和软件仿真从三个层次分析论证了叶轮、叶片、叶素的设计方法并进行了整体优化。本文主要工作如下：(1)论述了水平轴潮流能发电装置研究的背景和意义；介绍了国内外潮流能发电技术特别是叶轮装置的发展现状。(2)结合风力发电机和螺旋桨技术,分析了叶片设计的基本理论和优化方法,探讨了叶素动量理论、葛渥特法和威尔森法之间的联系和区别；运用Matlab软件编写了以功率系数CP为目标的叶片优化设计程序。(3)运用CFD软件,对叶素二维翼型进行了研究,探讨了翼型在不同介质、不同外形结构下的升阻系数和压力情况。(4)设计10W潮流能模型样机叶片的外形结构,运用Bladed软件进行了性能仿真,探讨了叶片数、流速、转速对功率对最大能量捕获系数的影响,证实了设计方法的有效性。(5)结合实验室课题,完成了60kW潮流能发电机械的叶片初步设计并进行了模态分析。经过理论计算和数值仿真验证,本文叶片设计方法有效可行,优化结构达到了预期目标,为深入研究水平轴潮流能发电机械的关键技术,进一步高效运用和发展潮流能发电打下了基础。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-11
1 课题研究的背景和意义  11-20
  1.1 课题的研究背景  11-14
  1.2 国内外水平轴潮流能发电机械的发展现状  14-16
  1.3 水平轴潮流能发电装置叶片的研究现状  16-19
  1.4 课题的主要研究内容  19-20
2 水平轴潮流能发电装置的基本理论  20-32
  2.1 能量捕获基本理论  20-24
    2.1.1 贝茨极限  20-21
    2.1.2 涡流理论  21-22
    2.1.3 叶素动量理论  22-24
  2.2 能量捕获优化理论  24-27
    2.2.1 Glauert设计方法  24-25
    2.2.2 Wilson设计方法  25-27
  2.3 利用MATLAB优化求解叶素参数  27-32
    2.3.1 Matlab模型建立  28-29
    2.3.2 Matlab优化求解过程  29
    2.3.3 Matlab程序编写  29-32
3 水平轴潮流能翼型研究与优化  32-54
  3.1 翼型基本理论介绍  32-34
  3.2 基于CFD软件的翼型数值仿真  34-54
    3.2.1 Fluent仿真过程  34-39
    3.2.2 不同介质对翼型性能的影响  39-41
    3.2.3 几何外形对翼型性能的影响  41-49
    3.2.4 不同攻角下翼型的压强系数与流场分析  49-54
4 水平轴潮流能发电模型样机叶片设计与特性仿真  54-70
  4.1 叶片参数设计  54-62
    4.1.1 设计工况  55
    4.1.2 基本参数确定  55-57
    4.1.3 基于Wilson法的Matlab优化求解  57-59
    4.1.4 Solidworks软件下的三叶片叶轮三维造型  59-60
    4.1.5 基于快速成型技术的三叶片叶轮叶片加工  60-62
  4.2 BLADED软件仿真  62-70
5 潮流能60KW发电装置叶片的设计与校核  70-82
  5.1 叶片初步参数设计  70-74
  5.2 BLADED软件仿真  74-78
  5.3 叶片模态分析  78-82
6 结论与展望  82-84
  6.1 课题及论文总结  82
  6.2 工作展望  82-84
参考文献  84-87

水平轴潮流能发电机械叶片设计及特性分析

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