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内容简介：

毕 业 设 计（论 文）任 务 书设计（论文）题目：水平轴潮流能水轮机转子结构设计 学生姓名：专业：机械设计制造及其自动化 所在学院：机电工程学院 指导教师：姜劲 职称：副教授 发任务书日期：年月日 任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系（院）领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生。2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写，不得涂改或潦草书写；或者按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，要求正文小4号宋体，1.5倍行距，禁止打印在其它纸上剪贴。3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系（院）主管领导审批后方可重新填写。4任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号，不能只写最后2位或1位数字。 5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照金陵科技学院本科毕业设计（论文）撰写规范的要求书写。6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 本课题属于教师自主命题，来源于工程实践。目的：1、通过本课题的设计研究，考察学生四年来在校所学的专业知识水平及运用专业知识解决设计项目的创新能力；2、通过本课题的研究使学生系统的熟悉机械设计分析及掌握相关的设计手法。 3、通过本课题使学生熟练掌握制图方法、规范设计图纸画法以及提高使用设计软件解决应用问题的能力。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 内容：水平轴潮流水轮机是近年来被广泛研究的一种海洋潮流能转换装置。本文对一种2400kW水平轴潮流发电水轮机进行了机构设计，对水轮机进行了传动系统动力学、水动力学和结构动力学分析，验证了潮流发电水轮机实现潮流能转换的可行性。根据竖潮流发电水轮机的结构形式、流体动力学特性及水轮机发电技术特点，对水平轴潮流发电水轮机进行了机构设计，建立了水轮机的三维实体模型。本课题技术要求：1、 水平轴潮流发电水轮机结构设计与建模2、 发电机选择3、 叶轮结构设计4、 增速器设计5、 辅助部件设计 本课题研究的工作要求： 1、 前期的市场调研，调研目前国内外垂直轴潮流发电水轮。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括图表、实物等硬件要求： 1、设计调研报告：前期的市场调研分析、图文结合、数据分析。2、设计图纸：设计机构的零件图和装配图并附上设计说明。3、完成毕业设计模型实物制作（暂定）与布展工作。4、按毕业设计要求完成全套设计方案及归档工作5、完成相关数据刻盘。1说明书2图纸：装配图（A0) 零件图（若干）4主要参考文献： 1 马舜. 水平轴潮流能转换系统能量转换率及功率控制研究D. 浙江大学 2011 2 邵萌. 海洋能多能互补智能供电系统总体开发方案研究及应用D. 中国海洋大学 2012 3 姜劲. 竖轴叶轮的流体动力分析与性能优化方法的改进与应用D. 哈尔滨工程大学 2012 4 许铁岩. 永磁直驱潮流发电变流器控制技术研究D. 哈尔滨工程大学 2013 5 张萧. 共水平轴潮流能自变距双透平技术研究D. 东北师范大学 2013 6 徐明奇. 潮流能直驱式海水淡化装置技术及仿真研究D. 东北师范大学 2013 7 王树杰. 柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究D. 中国海洋大学 2009 8 孙科. 竖轴H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟D. 哈尔滨工程大学 2008 9 刘宏伟. 水平轴海流能发电机械关键技术研究D. 浙江大学 2009 10 宫汝志. 水轮机水力激振及转子系统振动问题研究D. 哈尔滨工业大学 2013 11 郭伟. 新型竖轴潮流能转换装置数值与试验研究D. 大连理工大学 201412 张丽霞. 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究D. 清华大学 2010 13 李正贵. 灯泡贯流式水轮机协联关系及性能研究D. 兰州理工大学 201414 董万鹏. 水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析D. 上海交通大学 2009 15 郭长青. 输流管道与轴向流中板状结构的流致振动与稳定性D. 清华大学 2010 16 Xue-wei Zhang,Liang Zhang,Feng Wang,Dong-ya Zhao,Cheng-yan Pang. Research on the unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbineJ. China Ocean Engineering . 2014 (1) 17 Amir Bashirzadeh Tabrizi,Jonathan Whale,Thomas Lyons,Tania Urmee. Performance and safety of rooftop wind turbines: Use of CFD to gain insight into inflow conditionsJ. Renewable Energy . 2013 18 Hongtu Yuan,Jingfen Zhang,Huaxiang Liu,Zhenzhong Li. The protective effects of resveratrol on Schwann cells with toxicity induced by ethanol in vitroJ. Neurochemistry International . 2013 (3) 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：15.11.20-15.12.2015.12.20-16.01.1516.01.15-16.03.1816.03.18-16.04.0816.04.08-16.04.3016.05.01-16.05.1016.05.10-16.05.15学生明确选题学生完成开题报告学生完成设计草图阶段,明确设计方案学生完善设计正稿, 撰写毕业设计论文初稿学生毕业设计完成阶段,提交毕业论文正稿,完成期中检查学生提交毕业设计论文,布置毕业设计展布展、毕业答辩准备所在专业审查意见：通过负责人： 2015 年 12 月23 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告设计（论文）题目：水平轴潮流能水轮机转子结构设计 学生姓名：专业：所在学院：指导教师：职称：年 月日 开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5、开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距1.5倍。毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字左右的文献综述： 人类对潮流现象的观察、认识由来已久。但是，基于各种原因，直到1970年代，人类才开始研究潮流能的利用问题，近年来才开始重视潮流能发电的开发及规划建设问题。中国是世界上最早开展潮流能发电试验的国家之一。1958年在大跃进的热潮中，广东顺德县水电局在桂畔海水闸进行了潮流能发电试验。试验水轮机转子直径0.6m，长4.5m，两台装置均可在流速1m/s及以上的潮流下发电，但发电功率较低，仅700W左右。同年冬天，山东水利科学研究所在山东荣城县斜口湾进行了潮流能发电试验，在两台相连的船上安装两台水轮机(直径0.8m，长2.78m)，带动一台5kW的发电机发电，但由于结构设计不当，在最大流速0.8-0.9m/s时，输出电压也不足200V，只能带动一台石磨用于粮食加工。 1969年，江苏有关单位在南京长江大桥下进行了水流发电试验，试验采用3台5m的螺旋桨式水轮机，当水流速度1.3m/s时，水轮机转速为15r/min，水轮机水力效率可达50%左右，水轮发电机输出功率可达7kW。浙江舟山市的农民企业家何世钧是我国自费开展潮流能发电研究的第一人。面对舟山丰富的潮流能资源，何世钧潜心研究潮流能发电，1978年，他将两台卧式螺旋桨水轮机装在一只船的船尾，通过油压传动带动发电机发电。当潮流速度3m/s时，机组输出功率达5.7kW。 1980年代，哈尔滨、青岛一些单位进行过千瓦级潮流能发电船的试验。潮流发电船利用潮流冲击安装在锚定船舶两侧的水轮机转动发电。 1980年代初，哈尔滨工程大学等采用漂浮系泊式立轴自调直叶片摆线式双转子水轮机方案，开始潮流能发电研究。1980年代中期完成1kW样机装置。接着完成了10kW潮流能实验电站的设计研究，最后于2000年建成70kW潮流能实验电站。2002年4月，中国第一座70kW潮流能实验电站在浙江舟山市岱山县龟山水道建成发电。 “十五”(20012005)期间，哈尔滨工程大学在国家“863工程”支持下，研制了40kW海底固定式垂直轴潮流能发电系统，2006年在岱山县高亭港内试运行。此外，东北师范大学2008年研制成功1kW水下漂浮式水平轴潮流能发电装置；中国海洋大学和机械科学研究总院2008年研制成功5kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置；浙江大学2009年研制成功25kW固定式水平轴潮流能发电装置。此外，从1997年起，意大利阿基米德桥公司联合英国爱丁堡大学和意大利那不勒斯大学，与中国国家海洋局第二海洋研究所、哈工大和浙江省情报所等单位合作，开展“舟山潮流能开发技术可行性研究”。合作双方完成了舟山海域的金塘、西侯门和龟山三个强潮流能水道的潮流资源调查，并推荐龟山水道为最佳试验水道；对欧方提出的“KOBOLD”竖轴可调叶片水轮机进行了适应舟山潮流能特性的选型研究。目前我国潮流能发电研究已进入实海况的应用示范研究阶段。“150kW潮流能电站关键技术研究与示范”作为我国六大海洋能开发利用重点项目之一，已纳入国家中长期科学技术发展规划纲要(20062020)，正组织实施中 参考文献 1 马舜. 水平轴潮流能转换系统能量转换率及功率控制研究D. 浙江大 学 2011 2 邵萌. 海洋能多能互补智能供电系统总体开发方案研究及应用D. 中 国海洋大学 2012 3 姜劲. 竖轴叶轮的流体动力分析与性能优化方法的改进与应用D. 哈 尔滨工程大学 2012 4 许铁岩. 永磁直驱潮流发电变流器控制技术研究D. 哈尔滨工程大学 2013 5 张萧. 共水平轴潮流能自变距双透平技术研究D. 东北师范大学 2013 6 徐明奇. 潮流能直驱式海水淡化装置技术及仿真研究D. 东北师范大 学 2013 7 王树杰. 柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究D. 中国海洋大 学 2009 8 孙科. 竖轴H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟D. 哈尔滨工 程大学 2008 9 刘宏伟. 水平轴海流能发电机械关键技术研究D. 浙江大学 2009 10 宫汝志. 水轮机水力激振及转子系统振动问题研究D. 哈尔滨工业 大学 2013 11 郭伟. 新型竖轴潮流能转换装置数值与试验研究D. 大连理工大学 2014 12 张丽霞. 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究D. 清华大学 2010 13 李正贵. 灯泡贯流式水轮机协联关系及性能研究D. 兰州理工大学 2014 14 董万鹏. 水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析D. 上海交通大 学 2009 15 郭长青. 输流管道与轴向流中板状结构的流致振动与稳定性D. 清 华大学 2010 16 Xue-wei Zhang,Liang Zhang,Feng Wang,Dong-ya Zhao,Cheng-yan Pang. Research on the unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbineJ. China Ocean Engineering . 2014 (1) 17 Amir Bashirzadeh Tabrizi,Jonathan Whale,Thomas Lyons,Tania Urmee. Performance and safety of rooftop wind turbines: Use of CFD to gain insight into inflow conditionsJ. Renewable Energy . 2013 18 Hongtu Yuan,Jingfen Zhang,Huaxiang Liu,Zhenzhong Li. The protective effects of resveratrol on Schwann cells with toxicity induced by ethanol in vitroJ. Neurochemistry International . 2013 (3) 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 课题研究内容 本课题以水平轴水轮机为对象，研究其转子结构并完成设计。 要求完成以后，能掌握制图方法、规范设计图纸画法以及提高使用设计软件解决应用问题的能力。 课题研究手段本课题主要是对水平轴水轮机转子进行设计，通过调查研究以及参考文献学习等方式学会垂直轴潮流发电水轮机结构设计与建模并了解发电机选择、 叶轮结构设计、 增速器设计、 辅助部件设计。 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生通过大量搜集和查阅文献资料，对本课题相关的国内外前人工作较好地进行了综合分析和归纳整理，并针对某一学者具体的研究工作进行了比较专门的、全面的、深入的和系统的描述与评价，语言简洁，层次清楚。达到了学校“文献综述要求”。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：预期可完成3.是否同意开题： 同意 不同意 指导教师： 2016 年 03 月 09 日所在专业审查意见：同意 负责人： 2016 年 04 月 05 日压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 水平轴潮流能水轮机转子结构设计 学生姓名：二级学院： 班级： 提交日期： 压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录摘 要IVAbstractV1 绪 论11.1 课题研究背景以及意义11.2 当前国内外的研究11.2.1 国内发展现状11.2.2 国外发展现状21.3潮流能发电技术32 水平轴潮流发电水轮机工作概述52.1 水平轴潮流能水轮机的工作原理53 水平轴潮流发电水轮机传动系统与结构设计63.1风车式潮流能水轮机63.2水平轴潮流发电水轮机简单的结构介绍64 水平轴潮流发电水轮机机构的参数选择84.1 发电机的选择84.1.1水下风车输出功率的计算84.2 叶轮设计84.2.1 叶片参数计算84.2.2 叶轮三维建模94.3 增速器设计94.3.1分析过程94.3.2增速器的主要参数104.4 辅助零件的选取134.4.1轴的选取与校核134.4.2轴承选择与校核134.4.3联轴器的选取134.4.4 水下风车的三维建模和二维装配图145 结 论15参考文献16致 谢17III压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985水平轴潮流能水轮机转子结构设计摘 要潮流能发电水轮机是一种尚处在初期研发阶段的能量转换装置,它的工作原理与传统的筑坝式潮汐能发电是完全不同的。潮流能发电水轮机有着对海洋环境危害小、装置体积小且结构简单、噪音低、散热好等诸多优点,在当前的可持续发展的大背景之下潮流能是未来清洁能源的一个大的发展趋势。水平轴水轮机作为潮流能发电水轮机的一个较为成熟的发展方向，在世界各地已经有了很广泛的应用。本设计主要是对风车式潮流能水轮机的转子结构和传动系统进行了分析和研究。首先，本设计的思路是对现有水平轴水轮机进行结构分析掌握各个机构的工作原理进而进行整个风车式潮流能水轮机的设计与参数的选择。其次，对目前世界上的已经成熟的水平轴水轮机发电技术进行探究并借鉴风车式风力发电装置的结构，按照本设计要求结合实际情况探寻出水平轴水轮机具体传动方式和全部的结构形式。最后，本设计主要从400千瓦的发电机、增速器、传动轴、叶轮以及其他辅助设备着手进行分析，根据计算结果查表并借鉴已经成熟的风车风力发电技术选择出适合本设计的机构零件，通过CREO直观的表示具体结构形式，并以CAD图的形式进行结构细节和链接方式的展现。本设计主要是基于市场调研、理论分析与风车发电的相结合，具体给出了该装置的装配图，重点对机械传动系统如增速器部分进行了独创性设计：在增速器内部采用了斜齿轮、增加了行星架作为输入轴，解决了传统水轮机叶片传动比低、结构笨重、同轴度低等问题。力争本设计在验证水平轴水轮机优势的同时开拓其更加广阔的市场运用。 关键词：潮流能；水平轴水轮机；水下风车VI AbstractStructure Design of Horizontal Axis Tidal TurbineAbstractTidal turbine is a kind of energy conversion device which is still in the early development stage, its dam type with traditional tidal power is a completely different working principle is used to power generation. Trend can power turbine has small harm to the Marine environment, the device is small in size and simple structure, low noise, good heat dissipation, and many other advantages, under the background of sustainable development of the current trend can be a big trend of the development of clean energy future. Horizontal shaft turbine as tide can power turbine of a relatively mature development direction, all over the world have a wide range of applications. This design is mainly to the windmill tide to turbine rotor structure and drive system are analyzed and studied.First of all, this design idea is to structure analysis was carried out on the existing horizontal axis turbine master the working principle of various agencies, in turn, on the whole the windmill trend to turbine design and parameter selection.Secondly, for the world has mature horizontal axis turbine power generation technology to explore and to learn from the windmill structure of wind power generation device, in accordance with the requirements for the design combined with actual situation to find horizontal shaft turbine specific transmission mode and the structure of all.Finally, this design mainly from the generator, the speeder, drive shaft, impeller and other auxiliary equipment is analyzed, according to the result of calculation table look up and mature windmills wind power technology selecting suitable for the design of mechanism parts, through the CREO intuitive said concrete structure, and the structure in the form of CAD figure details and show the way of a link.This design is mainly based on market research, theoretical analysis combined with the windmills, specifically gives the device assembly, focus on the mechanical transmission system such as growth of the original design: the device inside helical gear is adopted in the growth, increased the planet carrier as the input shaft, solve the traditional hydraulic turbine blade transmission ratio is low, heavy structure and coaxial degree is low. To the advantage of this design in the validation of horizontal shaft turbine develop the broader market.Key words:Tidal; Horizontal axis turbine; Underwater windmill 第1章 绪论71 绪 论1.1 课题研究背景以及意义 当今社会快节奏的发展模式需要消耗更多的能源，其中大部分消耗的能源都是化石燃料。根据2012年的能源消耗统计：化石燃料占全球能源消耗的88%。其中，煤、石油、天然气的比重分别为28.6%、35.6%和23.8%。剩下的部分由核能（5.6%）和水利发电（6.4%）提供1。可以预知在未来几十年内按照现有的耗能速度化石燃料将会被耗尽。为了全球的可持续发展，寻找替代化石燃料的可再生能源成为全世界范围内争先研究的热点。地球上的可再生能源主要包括水能、风能、太阳能、海洋能、地热能等，其中的大部分可再生能源对环境危害极小或者无危害，而且资源分布广泛，不需要远途输送等环节。因此对可再生能源的研究并开发可以解决目前能源紧张问题并可同时避免环境污染的问题。 潮流能水轮发电机是潮流能发电的能量转换装置，它的工作性能好坏将直接影响整个发电组的工作效率。目前的潮流能水轮机大多数都是由发电机、增速器、传动轴、叶轮、电气控制柜等其他辅助设备组成的2。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。 我国是一个人口基数大、人均资源少、海洋资源丰富且开发利用少的国家。资源分配不平衡是制约我国经济发展的重大问题，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 当前国内外的研究 发电机组的工作效率取决于潮流能水轮发电机的结构设计，所以世界各国在这方面做出了大量的研究和实验，下文将对国内外发展现状进行介绍。1.2.1 国内发展现状 早在1958年大跃进的时候我国研究人员就开展潮流能发电试验，我国的科研人员就在广东顺德和山东荣城两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（如图1.1所示），但是由于理论研究的缺乏再加上技术的不成熟和结构设计的缺陷再加上早期设备的相对落后，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（如图1.2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3。 图1.1潮流发电船 图1.2 万向 I 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。1.2.2 国外发展现状 人类对潮流现象的观察与认识已经有了很长的历史，但是直到上个世纪，人类才真正开始研究如何利用潮流能的问题，近几年才逐渐开始重视潮流能发电的研究以及规划建设的问题。 1983年，法国的公司设计出了一款20KW水平轴水轮发电机设备他们将其命名为Davis，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4。 2010年美国的Gorlov教授凭借自己所设计的GHT水轮机获得了爱迪生奖，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5。2012年，英国的NRE公司对其自主设计的Neptune Proteus潮流能发电设备（如图1.3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6。 图1.3 SeaFlow型水轮机 1.3潮流能发电技术 潮流能发电技术是近年来迅速发展的一个新领域，在这个新领域中潮流能获取装置是整个装置中的关键性的技术。近二十年来，世界各国的科学家们提出了方法各异的潮流能获取系统，但大部分都是类似于旋转类水轮机。又由于潮流能发电和风力发电的工作原理相似，故许多潮流能获取装置的灵感都来源于各种风力机，并借鉴了许多类似风力机的结构。 当前所建成的一些发电站所使用潮流能获取装置有许多种，具体可按图1.4大致归类。图1.4潮流能获取装置分类在如图所示的多种潮流能获取装置中，水平轴潮流能水轮机应用是最为广泛的，竖轴潮流能水轮机也有着众多的应用，但是导流罩式的水流利用率更高一些。而本设计主要是针对水平轴潮流能水轮机的结构和传动系统，下文将重点介绍水平轴潮流能水轮机的风车式发电装置的结构和传动系统。4 第2章 水平轴潮流发电水轮机工作概述 2 水平轴潮流发电水轮机工作概述 目前市场上主流的潮流能发电水轮机主要是水平轴潮流发电水轮机和竖直轴潮流发电水轮机这俩大类，通过研究调查发现，水平轴潮流发电水轮机有着结构简单、能量转换效率高等优点，因此，本文着重研究了水平轴发电水轮机。2.1 水平轴潮流能水轮机的工作原理 由经典流体力学知识可以知道，液体流动的动能可表示为7： （2-1） 式中： 分析流体质量 流体流速。流体体积为8： （2-2）式中： 流管的横截面积 每秒通过流管的流体体积该体积流体的质量为： （2-3）式中： 分析流体的的密度（)。所以，流体的动能公式可以简化为： （2-4） 由公式（2-4）可得知，流体的动能与流管的横截面积有关，并且与流体的流动速度的三次方成正比9。本文选用的是水流，因此，当水体通过叶轮时，水流带动叶轮转动将水利能转化为机械能，转化的机械能通过增速器等传动装置转化为电能从而实现利用潮流能发电。从实际考虑，在整个过程能利用率系数将是非常重要的数据10。利用贝茨理论简单的推导可以得出结论： （2-5）17 第3章 水平轴潮流发电水轮机传动系统与结构设计3 水平轴潮流发电水轮机传动系统与结构设计3.1风车式潮流能水轮机 当前发展最快且技术较为成熟的是风车式潮流能水轮机机型，这种机型的传动结构和工作原理都与目前风力发电机相似，其输入装置的叶片均可以按照具体要求设置成固定式的和可调节式的以适用于各种不同的工作环境。 目前，水下风车式潮流能水轮机的结构形式已经被世界上大多数企业所接受采用，这其中英国洋流水轮机公司(Marine Current Turbines,Ltd.,MCT)、英国SMD公司和美国绿色能源公司(Verdant Power Co.)公司为主要的代表11。 图3.1 SeaGen型水轮机 图3.2 “Triton”水轮机 因此，本文对水轮机的初定设计参数如下：发电机的额定功率;叶轮的额定转速；水轮机的能量利用率系数；潮流最大流速；设计的水流流速3.2水平轴潮流发电水轮机简单的结构介绍 水平轴潮流发电水轮机由发电机机、刹车装置、支撑架、机舱、增速器、叶轮等装置组成主要结构的。水的流速作用于叶轮上使叶轮发生旋转，旋转的叶轮通过传动系统带动发电机的转子旋转，从而将潮流能转化为电能。 图3.3为潮流发电水轮机的结构，其中部分功能介绍如下：图3.3水下风车简单的结构示意图(1) 叶轮：水下风车的最重要零件就是将潮流能转化为机械能的叶轮，而叶片是安装在轮毂上同时轮毂与主轴通过法兰盘连接并将带动发电机发电。(2)增速器：由于水流等原因，潮流发电水轮机的叶轮转速较低，为了提高发电效率使叶轮转速匹配发电机的功率，加入增速器连接发电机与主轴12。(3)刹车装置：在外部载荷过于激烈时或者有维修需要时，为了使潮流发电水轮机快速停止而采用的装制动置。(4)发电机：将增速器传送过来机械能尽可能的转化为电能并通过相关设备输入电网的装置13。(5)机舱：机舱是所有内部部件的保护壳，具有防腐、防水、抗压等功能。(6)支撑架：将水下风车固定在海底中，并同时支撑着机舱承受潮流的轴向推力。 根据水下风车实际工作的力学分析和上文已得到的数据，经过计算得到具体的传动系统如图3.4。图3.4水下风车传动系统简图 第4章 水平轴潮流发电水轮机机构的参数选择4 水平轴潮流发电水轮机机构的参数选择4.1 发电机的选择4.1.1水下风车输出功率的计算水平轴潮流能水轮机机组输出功率的计算公式为： 根据本文的初定数据，发动机的额定功率为；叶轮的额定转速为。因此，本文采用功率为,转速为,转矩为28650的低速异步发电机。由于所选择参数较为特殊，所以这款发电机需要定制。 4.2 叶轮设计4.2.1 叶片参数计算 目前水轮机叶片的数目还没有明确的规定，但是研究显示在低速的工作条件下，潮流发电水轮机的能量利用率系数会随着叶片的数量变多而会较大幅度的提高，但是在实际的工作中随着水流的流速增加，水轮机的叶片之间会形成干扰，所以叶片的数量并不是越多越好，因此，本设计选用了三叶片模式，叶片的类型为NACA 0018，叶片相对厚度为14。 通过查询相关资料可以了解到发电机、增速器、联轴器传动的综合效率约为,由此可知本设计中水平轴潮流水轮发电机的传动轴的功率为15: (4-1)理论上叶轮循环体积内所包含潮流能的功率为： (4-2) 式中 d叶轮直径（m） b叶片长度（m） 由（4-1）和（4-2）这俩个公式计算所得数据可以得出水轮机的叶片长度b=8.1m叶轮直径d=4.2m,。 由于系数是叶尖速比的函数，根据基本设计参数。4.2.2 叶轮三维建模图4.1叶轮三维建模图4.3 增速器设计4.3.1分析过程 根据增速器装置的工作特点和实际用途本设计选用传动形式为定位两级定轴传动+单级行星传动的方案，单级行星传动的结构形式确定为：单级2K-H（NWG）型行星传动机构16。初定传动比分配情况如下： 第一级定轴传动： 第二级定轴传动： 第三级行星传动： 考虑到本设计中用的是大功率发电机，根据实际情况要求本设计结构紧凑且具有高可靠性等特点，再结合前人设计经验和相关的风力发电技术，故本文采用如图4.2的传动形式。图 4.2增速器传动设计简图4.3.2增速器的主要参数 (1)齿数 齿轮传动作用的不同决定了模数标准选择的不同，为了防止在传递过程中齿轮由于轮齿太小而发生断齿损坏的现象，齿轮的模数不要太小并按照第一系列来选择模数17。 根据齿根的弯曲疲劳强度计算公式 通过上述公式可计算出齿轮的模数，则根据机械设计手册中相关规定，在本设计中第一级行星齿轮模数选取10。 经过计算和查手册各级齿轮参数如下表：表4.1 第一级行星齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第一级中心轮241002602152400行星轮381004003553800内齿圈100100980102510000表4.2 第二级平行轴斜齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第二级直齿轮一6990652.87612.86634.8712直齿轮二1990192.82152.81174.8212分度圆直径：；标准中心距：表4.3第三级 平行轴直齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第三级直齿轮一65604023753900直齿轮二22601441171320分度圆直径：； 标准中心距： (2)齿宽在日常机械生产中，在日常实践中，适当增加齿宽可以有效减小齿轮直径和传动中心距，但齿宽的载荷会受到齿轮不均匀分布的影响18，因此既要考虑布置方式又要保证校核要求。(3)增速器的三维建模图和二维装配图以及部分零件图 按照前文算好的模数、齿数、以及中心距绘制出各个部件的三维图，装配成增速器（如图4.3所示）。图4.3 增速器三维爆炸图 图4.4齿轮轴 图4.5 行星机构图4.6 平行轴齿轮机构 为了更好的表示出增速器的结构，绘制出CAD的二维装配图（如图4.7所示）图4.7增速器的二维装配图4.4 辅助零件的选取4.4.1轴的选取与校核(1)轴的选取本设计借鉴前人经验在轴的众多设计方法中优先选用扭转强度法来设计传动轴。根据相关的机械设计知识可以知到轴的设计公式为： 根据前文所得数据,，选取叶轮主轴作为研究对象，故最小直径取110mm.，在根据经验可得出其它轴段的直径。 查机械手册可以知道键槽会对轴的强度有着一定的影响，在常规的机械设计中单键槽轴段的直径要加大5%左右来保证轴的强度，双键槽的轴段直径要应该加大10%左右且键槽要相各180。 (2)轴的校核本设计中传动轴的材料选用，本设计根据实际需求仅对主轴进行强度校核。主轴的扭转强度校核公式为： 根据以上的计算的结果可以得知此传动轴结构强度是符合本设计要求的。4.4.2轴承选择与校核 轴承型号的选用是水轮机结构设计中一个非常重要的部分。根据受力分析得知本设计中的轴承需要同时承受径向力和轴向力俩个不同方向的力，并结合前文的数据选择相应的轴承型号。 通过借鉴前人设计、计算分析和查相关手册可以得出轴承的基本额定寿命，故本设计选择的轴承校核结果合格。4.4.3联轴器的选取 因制造、安装等误差会导致轴与轴之间出现相对位移、颈向位移以及角位移。为了避免以上情况的出现我们一般用联轴器来缓解复杂工况下的载荷冲击并减少对机器的磨损。在选择联轴器的时候需要同时满足联轴器的传递扭矩不大于联轴器校核许用转矩和联轴器的公称转矩两个条件。根据计算和实际调查研究，最终选择相应的有对中环的凸缘联轴器。4.4.4 水下风车的三维建模和二维装配图 第5章 结论图4.8 水下风车三维建模图4.9 水下风车二维总装配图5 结 论 本设计是以400千瓦发电机为基础设计的水平轴潮流能发电水轮机，设计过程中借鉴前人设计风力发电机的经验和使用机械设计的相关知识进行整体的结构设计和传动系统设计。水平轴潮流能水轮机作为新能源具有循环性、清洁性、高利用率等特点，符合可持续发展战略。经过设计研究我们发现其具有广阔的市场前景并且能够在未来为人类社会发展提供广阔的能源供给，有强大的可行性。 在接下来的工作中，我们还必须要理论联系实践，在基本设计模型已经搭建完毕的情况下进行实地考察，及时修改更正设计中与实践所不符合的地方，努力将水轮机的设计从模型转化为实体。通过本次毕业设计，我加深了对以前知识的总结与回顾。毕业设计的初衷就是在运用以前所学的知识辅助以实践应用，理论联系实际。本次水轮机设计我们只是粗略的设计了结构方案，要想真正能够变为实体，还需要以后的建模和更加精准的计