半转叶轮水轮机载体平台设计与优化

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潮流能是一种储量大的可再生清洁能源,水轮机是潮流能能量转换装置。我国大多数海域的流速偏低,因而设计一种适用于低流速的水轮机具有良好的工程应用前景。半转叶轮水轮机是一种升阻复合的新型垂直轴水轮机,具有自启性能优、获能效率高等优点。本文针对半转叶轮水轮机的载体平台进行设计与优化,以保证半转叶轮水轮机在海洋中高效稳定的运行,论文的主要研究内容和结果如下:首先,介绍半转机构与半转叶轮水轮机结构,阐述半转叶轮水轮机与载体平台之间的性能关系。在XFLOW中建立该水轮机的横摇与纵摇分析模型,对数据进行处理,确定半转叶轮水轮机横摇与纵摇许用角范围,从而确定半转叶轮水轮机对载体平台的性能需求。其次,建立半转叶轮水轮机载体平台模型,基于驳船漂浮式平台设计两种方案——双体浮式平台与六边浮式平台。计算载体平台的横摇与纵摇幅值响应算子并进行对比,从而确定半转叶轮水轮机载体平台方案为双体浮式平台。当外界激励频率与双体浮式平台的固有频率一致时,会引起双体浮式平台共振,此时会导致平台产生最大的运动响应。本文在波浪频率(外界激励频率)作用下,基于频率响应法建立双体浮式平台横摇与纵摇的理论分析模型,得到该双体浮式平台在不同波浪频率下横摇与纵摇的运动响应。并通过ANSYS AQWA软件对双体浮式平台进行数值模拟,计算在不同工况下的横摇与纵摇响应值,将数值模拟结果与理论分析计算结果对比,以此验证理论分析的可信性,为后期的双体浮式平台的主尺度优化做理论基础。再次,对双体浮式平台的主尺度参数进行优化,使双体浮式平台的最大横摇角与纵摇角在半转叶轮水轮机横摇与纵摇的许用角范围之内。将优化后的模型进行数值模拟,计算该模型横摇与纵摇的最大幅值响应算子,即得到平台最大横摇角与纵摇角,验证优化后的双体浮式平台能否保证半转叶轮水轮机高效稳定的运行。对多载荷的综合作用下的双体浮式平台的水动力性能进行数值模拟,计算该平台在三级海况下受力与运动响应等。最后,为提高水轮机的总功率,将优化后的平台进行模组化布置——横向布置与环形布置,在ANSYS AQWA中对两种布置形式的双体浮式平台进行分析,计算可知,环形布置方案优于横向布置方案。
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