水平轴潮流能发电装置海洋环境载荷与可靠性分析

摘要

随着潮流能水轮机的发展,水轮机的实际工程应用逐步成为研究重点。目前,国内对潮流能及其电场建设的一系列相关应用技术的研究和装备的研制尚处于起步阶段,工程应用中水轮机组的结构设计是其中的关键技术之一。在潮流能基础结构设计中,环境载荷的计算方法和设计准则是首要解决的问题。我国潮流能储量丰富,深入潮流能发电装置工程应用研究,对解决我国日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。
　　本文以潮流能水平轴50kW水轮机组研制及相关装置研究和设计为背景,研究水平轴潮流能水轮机及机组结构的环境载荷及其计算方法,包括潮流和波浪对水轮机叶片及其机组结构的作用载荷。研究内容主要包括以下内容:水平轴潮流能水轮机海洋环境载荷计算方法;水平轴潮流能水轮机组可靠性分析;50kW水平轴潮流能发电装置的载荷数值计算与可靠性分析。
　　本文首先对潮流能水轮机在的工程海域和作用在潮流能水轮机上的海洋环境载荷进行分析。运用动量-叶素理论等相关基础理论对水轮机的叶片的流体动力载荷进行分析,给出水平轴水轮机水动力载荷计算方法,为水轮机组后续设计分析奠定基础。
　　其次对作用水下非常规结构的波浪载荷计算方法进行分析。根据线性波理论和Morison方程等理论给出水下海洋结构物波浪力的计算方法。同时还对水下的环境载荷作用下的水轮机组的静力学、动力学、稳定性等进行分析,并给出分析方法。
　　最后采用有限元分析软件对作用在50kW水平轴水轮机水动力载荷,包括水轮机叶片的水动力载荷,机组装置的载荷进行计算,得出潮流能水平轴50kW水轮机水动力载荷及其周围流场的影响。将实际环境载荷的施加在50kW潮流能工程机组结构上,并通过流固耦合及有限元原理,对其静力学和振动模态的分析研究,验证水轮机运行的稳定性。
　　本文的研究为水平轴潮流能水轮机特别是重力式基础形式的水轮机组的环境载荷设计及其稳定性计算提供参考。