垂直轴潮流能水轮机转子结构设计.doc

1、摘 要垂直轴水轮机是目前市面上广泛研究制造的一种海洋潮流能转换装置。本文主要是针对300KW的垂直潮流发电机进行机构设计与研究，对水轮机进行力学研究，验证垂直轴水轮机能够符合市场需求从而进行推广生产。本文主要从垂直轴水轮机的工作原理入手从而进行下一步的设计与零部件的选择。本文首先对市面上的垂直轴水轮机进行探究寻找出常见可行的水轮机结构并对结构进行特点分析，找到适合本设计的水轮机机构形式。文章主要从发电机、叶轮、增速器以及其他辅助设备着手进行分析，根据计算和查表选择出适合本设计的机构零件，通过CAD图的形式进行展现。本设计是基于理论分析研究与市场调研相结合，力争设计在验证垂直轴水轮机优势的同时发

2、现其更加广阔的市场运用。 关键词：垂直轴水轮机；结构设计；前景展望AbstractVertical shaft turbine is made extensive research on market at present is a Marine tidal current energy conversion device. This article is mainly aimed at 300kw mechanism design and the research trend of vertical generator, the mechanics study on the turbine,

3、 validation of vertical shaft turbine can meet the market demand to promote production.The main idea of this article is for vertical shaft turbine is analyzed with mechanics for the working principle of various agencies to take the next step of structure design and the selection of components.This a

4、rticle first to explore the vertical shaft turbine on market to find out the common feasible turbine structure and the structure characteristics of the analysis, find suitable for the design of water turbine institutional formArticle mainly from the generators, impeller, speed-up machine and other a

5、uxiliary equipment to analyze, choose according to calculation and look-up table is suitable for the design of mechanism parts, through the CAD drawings in the form of show.This design is based on the research and market research, the combination of theoretical analysis to design in the validation o

6、f vertical shaft turbine advantage at the same time found that the more broad market application.Key words: vertical axis Tidal Current Turbine;The structure design；outlook目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1 课题研究的背景以及意义11.2 目前国内外的研究现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内的发展现状32 垂直轴潮流能水轮机总体布局设计52.1 垂直轴潮流能水轮机的工作原理52.2 垂直轴潮

7、流能水轮机的典型形式63 垂直轴潮流能水轮机的结构设计与选择73.1 发电机的选择73.2 叶轮设计73.2.1 叶片参数计算73.2.2 传动转向装置的设计73.3 增速器设计9 3.3.1设计要求93.3.2增速器主要参数的计算103.4 辅助部件设计124 结 论14参考文献15致 谢16II1 绪 论1.1 课题研究的背景以及意义 自从人类进入了21世纪以来，能源消耗量越来越大，地球资源的有限性和人口的激增决定了我们要利用一切科学技术手段寻求新能源供应。我国人口众多，资源虽然丰富但是人均资源占有率却偏低，这个基本国情决定了我国要想发展就必须要摒弃不可持续发展之路，积极投身于新能源的研究

8、之中。 化石燃料的日益枯竭让人们意识到必须要找到新的能源供给。这时占地球总面积71%的海洋成为了各国开发研究的重点，海洋的水资源取之不尽用之不竭，其中最具有代表性的就是潮汐能，潮流能，波浪能。潮汐能源一方面是一种可循环资源符合现代可持续发展的要求，另外一方面潮汐能源污染少利用率高是人类以后可研究开发利用的重要领域。 由于潮流能与潮汐能产生机理类似，所以本文着重研究了潮流能。因为其能自身的条件限制，所以现在的潮流能发电站都分布在海区、海口。最早的潮流能研究可以追溯到上世纪70年代，随着科学技术的不断发展，人们对潮流能发电技术也日趋成熟，各方面的发电设备也是比比皆是，科学技术的发展使得潮流能发电运

9、用步入了一个新的台阶。 传统的水利发电主要是利用水流的压力差来驱动发电机的叶轮转动从而达到发电的效果，这样的发电方式一方面使得发电的成本增加另外一方面由于大坝的蓄水也会使得生态环境遭到破坏，显然这种方式并不完全符合我们的可持续发展的战略部署，而潮流发电针对这两项缺陷进行了调整，目前的潮流能水轮机大多是无压降低头水轮机，这样的水轮机无需建设栏河大坝，相较于传统的发电方式在发电生产成本上有了一个质的提高，在提高发电效率的同时减少了成本，控制了对生态环境的污染。 潮流能水轮发电机作为潮流能发电的主要能量转换装置，它的工作性能直接影响到整个发电效率，因此，有人也说潮流能水轮机是潮流发电的生命和动力之源

10、。潮流能水轮机主要由发电机，叶轮，增速器和其他辅助设备组成。本文也将会在接下来的段落中对这些设备进行逐一的选择和介绍。 中国是一个人口大国，资源小国，资源分配不平衡是制约我们经济发展的重要问题，在东部地区会出现电力紧张而在西部边远地区甚至会出现电力不能完全供应的情况，因此潮流能水轮机的研究对于改善我国能源利用方式提高人民的生活水平具有非常重大的意义。1.2 目前国内外的研究现状 潮流能水轮发电机的设计直接影响到了整个发电机组的工作效率，因此，各国也在这方面做出了艰苦卓绝的研究，下文将从国内外发展现状进行介绍。1.2.1 国外发展现状 在1983年，法国的Blue Energy公司设计出了一款2

11、0KW垂直轴水轮发电机设备他们将其命名为Davis，（如图1.1所示），随着技术水平的提高该公司又在1984年设计出容量为100KW容量的水轮机并在1984和1987年投入试验。 1998年英国的salter教授设计出了一种无主轴的垂直轴水轮机the polo（如图1.2所示）。 2010年美国的Gorlov教授凭借自己所设计的GHT水轮机（如图1.3所示）获得了爱迪生奖，这款水轮机主要是在叶片方面进行了改进，它采用了螺旋形设计，这样的设计一方面既可以作为垂直轴叶轮也可以作为水平轴叶轮，这种叶轮可以提高对主轴的转矩。 2012年，英国的NRE公司对其自主设计的Neptune Proteus潮流

12、能发电设备（如图1.4所示）进行了改进采用了漂浮式载体和导叶形设计这样能够极大的减小反向力对水轮机的影响，这样较高的提高了发电效率，而在之后的研究中，NRE公司还在此基础上加装了太阳能发电装置，更好的提高了整个发电机组的发电功率。 图1.1 法国Blue Energy公司Davis 图1.2 英国 the Polo 图1.3 美国GHT水轮机 图1.4英国Neptune Proteus1.2.2 国内的发展现状 我国在潮流能水轮机方面的研究一直不落后于欧美国家，经过我国科研人员多次的试验与研究，我国在潮流能发电领域已经取得了相当大的进步。 早在1958年，我国的科研人员就在广东顺德和山东荣城两

13、地进行了潮流能发电试验，但是由于诸多技术方面的原因，这两次实验仅仅只实现了对潮流能的摄取并未取得突出的效果。到了1969年，何世钧采用船用螺旋桨发电的方式在浙江附近海域进行了试验，取得了一定的效果，但是由于早期设备以及技术的相对落后，我国在潮流能水轮机研发方面仅仅处于探索阶段。 2002年，哈尔滨工程大学完成了我国第一座潮流实验电站“万向 I”,其发电容量为70kw（如图1.5所示），该装置主要是由水轮机、发电机、船型载体以及控制系统等组成并利用四个锚固块进行固定。 2011年，哈尔滨工程大学再次自主设计研究出了潮流能水轮机“海明 I”并点亮了“海上升明月”灯塔（如图1.6所示），此电站选用了

14、原动机水平轴叶轮，发电机则是选择了永磁式直驱发电机，发电容量可以达到10KW1，为了能在涨潮和退潮时都能汲取到能量，科研人员为水轮机设计了转向装置，大大的提高了潮流能利用率。 随着科学技术的不断发展，我国在新能源发电方面也作出相应的研究，我国的大学以及科研人员对此进行了艰苦卓绝的努力，从上面叙述中可以看出，我国已经取得了长足的进步但是在技术发展的同时，我们也要看到差距，目前我国的技术与国外领先技术仍存在较大差距，装机容量不足是一个关机问题，对于新能源发电这块的研究，我国仍有巨大的进步空间，对于我国的科研人员来说，研究探索之路任重而道远 图1.5 万向 I 图1.6 海明 I号6 第2章 垂直轴潮流发电水轮机总体布局设计2 垂直轴潮流能水轮机总体布局设计 目前市场上采用的潮流能水轮机主要分为两类：一类是垂直轴潮流能水轮机，另一类则是水平轴潮流能水轮机，通过对比发现，垂直轴潮流发电水轮机不受俩来流方向的限制，因此，本文主要探索了垂直轴潮流能水轮机。 2.1 垂直轴潮流能水轮机的工作原理 由经典流体力学知识可知，液体流动的动能可表示为2： （2-1）