海洋浮标波浪能供电装置设计研究

【摘要】：波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源，其开发利用技术已趋于成熟，正在进入或接近于商业化发展阶段。本文针对海洋波浪能发电技术的基本原理、能量转换系统等作了全面综述，介绍了国内外海洋波能发电技术的进展和主要波能装置，而其中一些计划的成功实施，有力地推动了波能转换的技术进步及其在世界范围内的竞争力。同时也结合中国海洋的实际情况分析了波浪能研究和利用的发展目标和方向，指出我国波浪能利用对于沿海地区海洋资源的开发和远离大陆海岛的发展有着十分重要的意义． 本文主要设计研究了一种新型的轴流叶轮式波浪能发电装置，用于海洋波浪能的发电。其结构包括中空浮子，以及与浮子相连的套筒，套筒中设有两组发电结构组件，每组结构组件一端伸入中空浮子，通过齿轮机构与发电机相连，另一端连接双向叶轮。装置中叶轮、转轴、齿轮、发电机顺序连接，利用叶轮将波浪能的重力势能转化为叶轮的动能，叶轮通过旋转带动内部齿轮转动，齿轮将此机械能传递至发电机的齿轮上，实现机械能转化成电能。套筒与浮子间装有开放式保持架，释放多余的空气压力和海水压力。本装置具有发电效率高，成本低，结构紧凑，耐冲击等优点。 在所设计的轴流叶轮式波浪能发电装置中，作为波浪能的主要吸收装置——叶轮，其对波浪能的吸收转化率，是影响本波浪能发电装置发电功率的重要因素。根据本设计的波浪能发电装置所供电的设备——ARGO浮标的工作运动情况，即上浮、下潜、海面漂浮及海底静止四个状态下所受的压力情况，利用流体力学分析软件Fluent,根据ARGO浮标四种运动状态下的受力情况得到波浪能发电装置的叶轮在工作中的受力范围为（400,640058）（单位N），分别选取叶轮在浮标上浮或下潜过程中由相对运动产生的入口压力P1=5MPa，在随波浪运动时产生的平均入口压力为P2=7.5MPa，以及在波能最大的极限情况下即入口压力为P3=20.3MPa进行模拟计算，得到叶轮上转化的波浪能功率与入口压力的比率。通过与波浪能发电装置模型的实际实验，得到波浪能供电装置中叶轮吸收波浪能的相关叶片性能之间的关系。通过Gambit建模及Fluent软件的模拟计算，得到叶轮的压力云图与径向力、力矩。选取的3组仿真结果直观的反映了在叶轮内部流场中随浮标运动叶片受力等特性参数，验证了所设计供电装置的可行性并为浮标用叶片式波能供电装置叶轮的叶根设计强度提供了参考依据。 叶轮在正常工作中的受力及材料疲劳强度情况，是决定本设计装置能否运行的重要因素。通过ANSYS有限元分析软件，分别选取在正常工作中2m、5m、10m三中不同浪速下，通过模拟计算，得到叶轮所受的压力、变形和安全系数等参数。通过计算得到，当波浪浪高到达10m时，即波浪进入套筒的速度达到14.14m/s时，叶轮的最大应力为653.7MPa，安全系数为1.28。所以本文所设计的叶轮式波浪能发电装置在我国沿海地带能够安全的运行。 本设计的海洋波浪能发电机构是一个由多级变速传动的齿轮系统组成的，作为机械传动中重要的一种传动形式，齿轮传动具有形式多，应用广的特点。波浪能发电机构靠海水波浪的上下势能转换为发电机的电能，运转速度不高，故齿轮选七级精度（GB10095-88），材料的选择上，大、小齿轮的材料选择分别为45钢（调质）与40Cr（调质），硬度分别对应为240HBS与280HBS，硬度差值为40HBS。从齿面接触强度和齿根弯曲强度两方面计算齿轮的模数，模数m=1.5，最后用ADAMS计算了齿轮轴的受力大小，便于后期进一步的选材和轴承寿命计算等。 21世纪是海洋世纪，人类向大海索取资源已成为必然趋势。波浪能作为一种重要的海洋能，研究波浪能发电装置是一种有效缓解能源压力的方式。提高波浪能发电装置的效率以及可靠性，最大幅度地降低它的工程造价，是未来发展波浪能的整体趋势。目前，已经有部分能够降低波浪能发电成本的技术，如果能够进行大规模的生产与应用，波浪能发电装置的成本会大幅度降低。合理高效地利用波浪能资源，对海洋的开发以及国家海防建设都有非常重大的意义。 【关键词】：浮标 波浪能 叶轮 齿轮 有限元 动力学分析
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P715.2;P743.2
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 本文的研究背景15-16
• 1.2 国内外的研究现状16-18
• 1.3 本文的研究内容18-19
• 1.4 本研究的实用价值及理论意义价值19-20
• 第二章 海洋浮标运动分析20-27
• 2.1 ARGO 浮标的简介及运动形式介绍20-22
• 2.1.1 ARGO 浮标的简介20-21
• 2.1.2 ARGO 浮标的工作流程21-22
• 2.2 ARGO 浮标在工作运动中的受力计算22-25
• 2.2.1 浮标上浮运动的基本方程22-23
• 2.2.2 浮标上浮过程中浮力保持不变23-24
• 2.2.3 在上浮过程中浮标所受浮力逐渐增大24-25
• 2.3 浮标运动叶轮受力分析25-27
• 2.3.1 浮标漂浮与停滞（海底 2000 米）状态26
• 2.3.2 下潜与上浮状态26-27
• 第三章 轴流叶轮式海洋波浪能发电装置的设计27-31
• 3.1 波浪能的产生、特点及吸收装置的选用27-28
• 3.1.1 波浪能的产生及特点27-28
• 3.1.2 适用我国的波浪能发电装置的选用28
• 3.2 轴流叶轮式波浪能发电装置的发电原理及结构介绍28-31
• 3.2.1 轴流叶轮式波浪能发电装置的发电原理28
• 3.2.2 轴流叶轮式波浪能发电装置的设计思路28-29
• 3.2.3 轴流叶轮式波浪能发电装置的结构介绍29-31
• 第四章 波浪能吸收装置主要部件—叶轮的流场动力学分析31-38
• 4.1 根据浮标运动分析确定叶轮受力范围31
• 4.2 叶轮运动受力分析31-33
• 4.3 叶轮式波浪能发电装置模拟实验33-35
• 4.4 Fluent 软件数值模拟分析35-38
• 4.4.1 几何模型建立与网格划分35
• 4.4.2 设置边界条件35-36
• 4.4.3 Fluent 计算结果分析36-38
• 第五章 叶轮的有限元分析38-44
• 5.1 波浪在发电装置中运动计算38-40
• 5.1.1 波浪在自由状态下垂直初速度38-39
• 5.1.2 波浪在套筒内的运动情况39-40
• 5.2 叶轮强度校核40-44
• 5.2.1 波浪能发电装置模型简化40-41
• 5.2.2 叶轮强度仿真分析过程41-44
• 第六章 波浪能发电装置中传动装置—齿轮的运动仿真44-61
• 6.1 波浪能发电机构齿轮简化44-45
• 6.2 计算齿轮的参数45-55
• 6.3 齿轮参数设定55-56
• 6.4 齿轮运动仿真56-61
• 第七章 结论及展望61-64
• 7.1 本文的主要工作61-62
• 7.2 后续研究及展望62-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间获得的专利与发表的学术论文68-69
• 致谢69

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