水平轴海流机叶片与漂浮式支撑的设计与分析

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1、上海交通大学硕士学位论文水平轴海流机叶片与漂浮式支撑的设计与研究摘要海流能是一种清洁可再生能源，全球海洋蕴藏着丰富的海流能，合理利用海流能可以有效缓解能源危机。水平轴海流机是将海流能转化为电能的常用装置之一。水平轴海流机的叶片是决定整个装置获能效率的重要部件，而支撑结构也是保证装置正常运行必不可少的组成部分。本文以额定工况下获能系数达到最大值为目标，利用叶素-动量理论设计了150KW水平轴海流机的叶片。使用叶素-动量理论结合普朗特修正和葛劳渥修正的方法，预测了海流机在不同尖速比以及不同桨距角下的水动力性能，分析了攻角和载荷沿着叶片径向的分布规律。使用CFD方

2、法计算了海流机在不同尖速比下的水动力性能，并与理论方法的计算结果进行了比较。理论方法和CFD方法的结果均表明，所设计的海流机的最大获能系数位于设计尖速比处，证明了基于叶素-动量理论的水平轴海流机叶片设计方法是有效的。本文选用玻璃纤维复合材料对150kW水平轴海流机的叶片进行初步设计，对叶片的蒙皮以及主梁提出了三种铺层设计方案，并使用ANSYS对上述三种铺层设计方案下的海流机叶片进行了静力分析和模态分析。分析发现，在进行叶片结构设计时除了要保证叶根的强度以外，还需要兼顾叶尖附近的刚度和强度。另外，本文还研究了叶片主梁的结构参数对叶片结构性能的影响。根据海上风机

3、的发展模式，本文针对150kW水平轴海流机，初步设计并研究了三类漂浮式支撑结构——单柱式、半潜式和双体式。通过对三类结构物的频域水动力性能分析发现，单柱式支撑结构具有较优的水动力性能，并有利于保证海流机获能装置的对流能力。半潜式支撑结构首摇性能较差，不利于海流机获能装置的对流能力。双体式支撑结构相比于其他两类浮式支撑结构，水动力性能均较差。关键词：水平轴海流机，叶片设计，水动力性能，结构分析，漂浮式支撑I万方数据上海交通大学硕士学位论文DESIGNINGANDRESEARCHONTHEBLADESANDFLOATINGSUPPORTSTRUCTUREOFAH

4、ORIZONTAL-AXISCURRENTTURBINEABSTRACTTheoceansallovertheworldcontainabundantmarinecurrentenergy,whichisakindofcleanandrenewableenergy.Properutilizationofmarinecurrentenergycangreatlyassuagetheenergycrisis.Horizontal-axiscurrentturbineisonekindofthedevicesthatareusedtoconvertcurrente

5、nergyintoelectricity.Bladesareimportantpartsoftheturbinefortheywilldecidetheenergyconversionefficiencyofthedevice.Thesupportstructureisalsoanindispensiblecomponenttokeepthedevicewellfunctioning.Thebladedesigningofacurrentturbineisaimedtoacquirethemaximumpowercoefficientunderratedco

6、ndition.Toachievethisgoal,BEMtheoryisadoptedinthispapertodesignthebladesofa150KWhorizontal-axiscurrentturbine.Thehydrodynamicpropertyofthecurrentturbine,withdifferenttipspeedratiosandpitchangles,iscalculatedthroughBEMtheorywithPrandtlcorrectionandGlauertcorrection.Basedontheresulto

7、ftheoreticalcalculation,theradicaldistributionofhydrodynamiccoefficientisstudied.CFDmethodisalsoadoptedtocalculateitspropertywithdifferenttipspeedratios,andtheresultsarecomparedtothoseofBEMmethod.BoththeoreticalandCFDmethodsshowthatthemaximumpowercoefficientofthecurrentturbineisach

8、ievedattheratedtipspeedrat