随着能源的消耗,人们纷纷把眼光投向可再生能源,而海洋可再生能源因为储量大,清洁等优点受到格外的重视,其中包括海洋波浪能,潮汐能,潮流能等。本文基于海洋潮流能设计了一种柔性直驱式浪轮发电水轮机,首先介绍该装置的结构以及发电原理,重点介绍了发电机的选型。动力学分析主要包括两部分,一部分是水轮机的水动力学分析,首先对水轮机叶片进行分析,分析了流速,叶片攻角等对水轮机的性能影响,总结了能量利用率系数和尖速比的关系和主轴所受的扭矩和阻力。最后通过能量利用率系数和流速的关系,分析了通过增加导流罩来增加流速的过程,通过对比4种不同的导流罩外形,选择对水轮机影响最高的外形,进而增加水轮机的发电功率。另一部分是水轮机的结构动力学分析,先对水轮机进行模态分析,确定结构的固有频率和振型,对比外部载荷的频率,确定了结构的可以避免共振。之后进行谐响应分析,分析了结构的稳态受迫振动。最后进行试验,先进行水槽试验,再进行海上试验,与之前的计算结果做对比,最终验证了设计的柔性直驱式浪轮发电水轮机的可行性。以下为本文的设计思路:(1)基于海洋可再生能源技术,本文设计一种利用海洋能发电的装置——柔性直驱式浪轮发电水轮机。首先介绍了整体结构,具体包括采用永磁同步发电机以及其优点,水轮机的主轴和轴承等的结构校核,保证了设计寿命。(2)研究了水轮机的水动力学性能,首先对水轮机叶片进行受力分析,通过公式推导,最终确定无量纲数CP和叶轮尖速比λ的关系。通过对流速对水轮机性能的研究,研究显示随着流速的增加,流场的尾流扩散更加明显,湍动强度增强,但是伴随而来的是涡流的产生,虽然有利于提高装置的获能效率,但是涡流会产生空化现象,因此不一定是来流速度越多越好,一定要兼顾结构设计,增加其承受来流载荷的能力。同时研究课叶片攻角和叶片展长对水轮机性能的影响,最终确定,在安装角度为0°时,水轮机流场稳定,尾流区较短且流速相对较高。最后分析了水轮机主轴受到的扭矩和阻力,通过对比不同转速下的扭矩大小,定量的说明了扭矩随着水轮转速的增大而增加。随着转速的增加,阻力也增加,且呈现更加不稳定的阻力变化,因此在保证高速转速的同时,也要兼顾阻力系数过大导致的水轮机能量利用率的降低。(3)通过增加导流罩来增加水轮机的转速,继而增加水轮机的能量利用率,这对低速潮流区域具有极其重要的意义。本文通过分析四种导流罩线型,最终确定双三次曲线形导流罩为最优线形。为了更加充分的发挥导流罩的作用,创造性的提出了安装“导流椭圆锥”,可以在之前的基础上提高流速20%左右。(4)进行结构动力学分析,首先进行结构模态分析,分析结构的固有振型和频率,计算外部激励的频率,通过对比,证明结构在工作过程中不会出现共振现象。之后进行谐响应分析,确定过了振幅最大的4个位置,通过观察位移幅频特性曲线确定了叶片两端的位移要明显比叶片和支架接触的位置的最大位移幅值要大,最大位移出现在第一阶和第二阶振型中间的7.5Hz处,对后续的结构优化具有参考作用。(5)最后进行实验研究,通过水槽试验和海上试验得到不同工况情况下的水轮机转矩和功率,求取了能量利用率系数,与之前的计算结果对比,验证了理论计算的合理性。