（机械电子工程专业论文）水平轴潮流能发电机械叶片设计及特性分析.pdf

摘要 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m a t l a b 软件编写了以功率系数c p 为目标的叶片优化设计程序。 ( 3 )运用c f d 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1 0 w 潮流能模型样机叶片的外形结构，运用b 1 a d e d 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6 0 k w 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。 关键词：水平轴潮流能发电装置，翼型，叶片，能量最大捕获 a b s l 轧c t a b s t r a c t e n e r g ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sm ed i l 锄m af - a c e db yt h ew o r l dt o d a yi n r e c 即ty e a r s ，t i d a lp o w e r 嬲an e wr e n e w a b l e 锄嘲h a sar a p i dd e v e l o p m e l l ta n da m o r em a t l 鹏t e c l l l l o l o g yw i 血i t sh u g ea d v a n t a g e s1 i k ea b u l l d 锄r e s o u r c ca n d e n 访r o m n e 删l y 伍d l y i nm i sn e wt y p em e c h 枷c sw h i c hu s et i d a lk i n e t i ce n e 略y ， b l a d e sa sm eh 嘶z o n t a la ) 【i sm a r i n ec u 玎e mt u r b i n e s ( h 久m c t ) f i r s t 锄铭y c o n v e r s i o nl i n k ， s 晰t c hw a t e r sh n e t i c e n e 嘲7 i n t om e c h a l l i c a l e n e 鞫， i t s p e r f o m l a i l c e 谢1 1d i r e c u yd e c i d en l ee 伍c i c yo ft h ew h 0 1 em e c h a n i c s a tp r e s e n t t h eh o r i z o n t a la x i sm a 血ec u 暇e n tt 1 1 r b i n e ( h a m c t ) m o s tr e f e r st 0w i n dt i l r b i n ea n d p d 0 p e l l e r l e 0 够1 m sp 印e ra i l a l y s e s 也ed e s i 弘p 血c i p l eo f t h eb l a d ee l e m 即ta n dt 1 1 e w h o l eo p t i i n i z a t i o nt l l r o u 曲t 1 1 et 1 1 e o r 舐c a la 1 1 a l y s i s ，s o 觚a r cs 血u l 撕o ne x p e 曲e n t s m s p a p e r m 血w o r l 【s a r ea u sf o l l o w s ： 1 d i s c u s st l l eb a c k 鲫da n dl l i s t o 巧o f 也eh o z o n t a la ) 【i sm 撕n ec u 玎c 斌 t 瞰b i n e ( ham c t ) ；i n 臼- o d u c et 1 1 ed e v e l o p m e i l ts t a ：t l l so fm a r i n et u r b i n et e c h n o l o g y ， e s p e c i a l l ym eb l a d e si nc h i n aa n df o r e i g nc 0 1 1 1 1 t r i e s ； 2 a n a l y s i sb a s i cp 血c i p l ea n do p t i m i z 撕o no fb l a d ed e s i 印a s s o c ia ：t e dw i m 讲n d t u r b i n ea n dp r o p e l l e rt e c l m 0 1 0 9 y ，i n v e s t i g a t et h er c l a t i o ns _ h i pa n dd i 佰嬲l c e 锄o n g t h eb l a d ee l e n l e n tm o m 既l n h nt h e o r y ，g 1 a u r ta 1 1 dw i l s o nm e t h o d ；w n t et h e 0 p t i i n i z a t i o np r o g r a mu s i n gm a t l a bt og e tt h em a ) 【i m u me 伍c i e n c yc p ； 3 r e s e a r c h0 n 也ea i l f o i ll l s i n gc f ds o 矗w a r c ，i n v e s t i g a t ct 1 1 el i 彤d r a g 瑚啦。锄d p r e s s u r eu n d e rav a r i e t yo fm c d i aa n ds h a p e ； 4 d e s i 伊am o d e lb l a d es h a p eo f10 wh _ m c t ，s i m u l a t e du s i l l gb l a d e ds o f 呐a r e t 0p r 0 v et h ev a l i d i t ) ，o ft h ed e s i g n ； 5 d e s i 口缸dm o d a la n a l y s i st t l eb l a d eo f6 0 k wh 触v i c ta n da c c o r d i l l gt 0t l l e a s s i 助m e n to fm e 1 a b t 1 1 ed e s i 印o f 也eb l a d ei n 也i sp a p e ri sp r 0 v c dt ob ee 毹硝v ea r e rs i m u l 撕o na i l d e x p 甜m e 咄l a y m gt h ef o u n d a t i o no fd e e pr e s e 锄出i n t ok e yt e c l l n o l o 百e so f h o r i z o n t a l i i a b s t r a c t a x i sm 痂et l b i n e 跹yw o r d s ：h o r i z o n t a la x i sc 1 1 玎e n tm 撕n e 劬i n e ，a i 墒i 1 ，b 1 a d e ，m a x i m 吼 p o w e r i n 致谢 致谢 时光飞逝，很快我的硕士求学生活即将划上句号。此时此刻，回首时，百感 交集。近三年的记忆突然点点滴滴的涌上来。那些快乐的、伤感的、疯狂的、傻 傻的日子似乎还在昨天。而我已经要毕业了。当毕业临近，才发现很多梦想还没 有实现，许多良师益友都不忍分别。 感谢我的导师李伟教授，在做学问和为人处事很多方面给我的谆谆教诲。感 谢刘宏伟老师。在论文的选题、实验到最后定稿都给予了我细心的指导和帮助。 感谢林勇刚老师、张大海老师多年来对我的帮助。还要感谢实验室的师兄师姐师 弟师妹们马舜、石茂顺、鲍经纬、孙勇、欧阳鹏根、刘丽、徐全坤、涂乐、黄 炜、韩立坤、刘磊、李飞龙、吴少龙，我们在这些年里风雨与共。让科研生活变 得丰富多彩。在这里我要向那些好朋友们致以最衷心的感谢。感谢我的同窗好友 邵杰杰、曹欢、姚梦凯、丁伟、张峰、董磊、张海运、杨杰、冯瑞琳这么多年来 的陪伴，感谢寝室的兄弟们，金聪、林海、段小明，因为有你们的陪伴，我的研 究生生活过的幸福而宁静。我要感谢一直陪在我身边的朋友们，你们让我的生命 如此精彩。最年轻的时候我们一起见证了彼此的青春。 感谢我的父母。你们从不要求我做什么，也很少反对我做什么，谢谢你们对 我的信任和支持，你们是我最坚实的后盾。我会努力做最好的自己，去报答二十 多年来你们对我的养育之恩。 前行，我将把这段美好的回忆携带，一路前行。 徐学涛 二零一二年元月于求是园 浙江大学硕士学位论文l 课题研究的背景和意义 l 课题研究的背景和意义 1 1 课题的研究背景 能源一直是全球各国经济发展的重要物质基础。随着世界资源的短缺和自 然环境的恶化，开发和利用绿色能源进行可持续发展日益成为世界各个国家的主 要课题。在过去的十年里，风能、太阳能等绿色能源受到了人们的充分重视，技 术日益成熟并不断创新，得到了极其迅猛的发展。近年来，广袤的海洋逐渐走进 人们的视野，越来越多的人开始关注并积极开发潜力巨大的海洋能源，如波浪能、 潮汐能、温差能和盐差能等。我国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 将发展海洋经济和海洋科技提升到前所未有的战略高度，海洋产业更是成为培育 和发展战略性新兴产业的重要领域。 在无限的海洋能源中，潮流能拥有丰富的蕴藏和相对成熟的应用转化技术， 具有极大的发展潜力。根据预测全球可供开发的潮流能能量储备可达到 1 0 8 k w h 【2 】。中国沿海农村海洋能资源区划在对中国沿海1 3 0 条水道进行分析 统计后显示，我国沿海潮流能的年平均功率约为1 4 1 07 k w 。其中很多水道能量 密度高，流速大，具备相当可观的应用开发前景。特别是浙江，拥有全国最多的 水道数和较大的潮流能理论功率，如杭州湾口北部和舟山群岛海区，水道的最大 潮流流速可达4 n 以，是我国潮流能资源最丰富的地方，拥有巨大的开发利用价 值【3 1 。我国沿岸潮流能资源如表1 1 所示f 4 】。我国( 国家“十二五 海洋科学和 技术发展规划纲要明确指出：未来5 年一一1 0 年是我国海洋科技实现战略性 突破的关键时期，机遇与挑战并存。要积极开展近岸海洋可再生能源的资源分析 和评估研究；研发适合我国海洋风能、潮汐能、潮流能、波浪能特点的发电装置。 浙江大学硕士学位论文1 课题研究的背景和意义 一类区 二类区( 2 0 4 理论功 水道 分区 v m 盎 ( v m 3 0 6 )( 1 2 8 v m o 4 时，需要对a 和b 进行修正【蚓。 2 3 2 m a t l a b 优化求解过程 ( 1 )根据叶素理论，将叶片沿展向平均分成k 等分； ( 2 )针对每一个叶素，求解以式2 4 2 为目标函数，以式2 3 8 、式2 3 5 、式 2 3 6 为约束方程的最优化问题，运用筋i 1 1 c o n 函数迭代求出每一个特征截面 的干扰因子a 、b ； ( 3 )将a 和b 带入求解方程式2 3 3 、式2 4 1 计算出各个特征截面的弦长l ， 扭角等参数； ( 4 ) 对各叶素截面的弦长l 和扭角p 进行修正，以满足加工、结构等方面的 要求。 2 3 3 m a n a b 程序编写 m a t l a b 的优化工具箱由一些对普通非线性函数求解最小化的函数组成。所有 优化函数都是用m a t l a b 语言编写的m 文件。它的优化功能包括：求解无约束非 线性最小化；求解有约束非线性最小化；二次和线性规划问题等。最佳优化函数 的建立是通过创建3 个m 文件来分别存放目标函数、约束方程和求解方程，分 别命名为m ，劬c o n m 和s o l v e m 。在主程序中调用m a t l a b 优化工具箱 【x ，代a l 】= 6 l l i n c o n 求解干涉因子a 、b ，从而优化数值达到获得最大能量捕获系数c p 的目的。当求得干涉因子a 、b 后，便可通过数值计算快速求得其他特征参数。 程序框图如图2 5 所示。 干涉因子a 、b 在赋初值后，优化工具箱可以自动进行迭代运算，直到求出 目标函数的最值及其对应的a 、b 值。有文献给出了诱导因子a 和b 的经验初值 公式： 1 9 浙江大学硕士学位论文 2 水平轴潮流能发电装置的基本理论 口= 屯2 0 0 0 + o 0 2 7 九一o 0 3 8 6 = 1 0 九p 1 2 ( 2 - 4 3 ) ( 2 4 4 ) 在实际计算中发现，将a 和b 的初值赋予0 、o 即可满足条件，并不需要和 经验初值公式一样。 浙江大学硕士学位论文 2 水平轴潮流能发电装置的基本理论 开始 上 i 设全局变量 i 上 输入气、n 、r 、v f o ru - o ：0 0 5 ：1 上 计算r 、旯 上 赋初值a - o 、b ：o 1 l 调用优化工具箱迭代计算a 。b j c ( 2 叶片) 。 ( 5 )雷诺数计算 r e ：旦 y 其中： y 流动的特征速度，v ：毒l ，9 入流角 s m j 流动的叶片长度，这里指叶片弦长，y 流体的运动粘度，水在1 5 。c 时 的，= 1 1 5 1 0 击n 1 2 s 。由于每个叶素截面的特征速度和弦长都不一样，所以每个 截面的雷诺数都不一样。经计算，雷诺数一般为1 9 9 2 1 0 6 左右。 ( 6 )翼型的攻角和升阻比 翼型的选取对潮流能发电机械的捕能效率十分重要。一种较好的翼型应该是 在某一攻角范围内升力系数c l 较高，而相应的阻力系数c d 较小。 根据第三章的仿真分析，综合考虑翼型的动力学性能和强度，选择 n a c a 6 3 4 1 8 翼型，该翼型升阻系数如图4 1 所示。 浙江大学硕士学位论文4 水平轴潮流能发电模型样机与特性仿真 + c j 1 5 州。| 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 0 9 0 8 一 ? o 7 7 0 6 o 5 - 7 0 4 i 0 3 一 o 2 一pr o 1 一 。i 1 - - i 。i i 。l 。- - i 4 理1 2 4 681 d1 21 i1 6 1 82 02 2 “2 62 8 3 0 3 2 3 4 - 0 2 一 n 图4 2 n a c a 6 3 4 1 8 翼型升阻性能曲线 选择攻角为1 3 度，此时c l = 1 4 ，c d = o 0 8 3 8 8 。 4 1 3 基于w i l s 蚰法的m a t l a b 优化求解 根据章2 3 ，选择w i l s o n 法作为叶片设计理论，以c p 最大化为目标，运用 m a t l a b 软件计算对每个特征截面的弦长、扭角等参数进行编程计算。将基本参数 带入主程序，利用m a t l a b 优化求解。设计计算结果如表4 一l 所示。其中叶轮半 径的前2 5 为轮毂，所以没有特征叶素截面。 叶素半 3 叶片2