开题报告-龙门式潮流能发电支撑平台设计.doc

中国海洋大学本科毕业论文（设计）开题报告题 目 龙门式潮流能发电支撑平台设计 院、 系 工程学院机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2011级 学生姓名 学 号 指导教师 2015 年 4 月 2 日一、选题依据1. 课题来源自然科学基金与部、省、市级以上科研课题。2选题依据和背景在全球范围内，自2013年初以来，约有280个不同的公司已致力于研究潮能和波浪能发电装置，而有关潮流能共有超过300个处在部署阶段的项目。这得之于潮流能各种显著的优越性。首先它是可以在不污染环境条件下被开发的海洋绿色可再生能源；其次较强的规律性和可预测性，使得潮流可以预报；再者开发投资少且不影响航道交通，将开发装置可安装在海底或漂浮在水面，不占用宝贵的土地资源；最后就发电表现而言，功率密度大，能量稳定，发电转速慢、噪音低，不影响海洋生物的正常活动。中国潮流能储量十分丰富。根据对130个水道沿岸潮流能资源蕴藏量统计，我国可利用的潮流能理论平均功率为13948.2MW。按海区分，以东海沿岸最多，有95个水道，理论平均功率为 10958.15MW，占全国总量的78.6%。按省区分，浙江省最多，占全国一半以上。特别是舟山群岛，许多地方潮流速度达4m/s以上，世界罕见，开发条件和环境好，适宜建设大型潮流发电场。3研究目的和应用价值然而尽管关于潮流能发电装置本身的研究不胜枚举，关于其所依托的载体和支撑平台的研究却远不及发电装置本身。支撑结构关系到整个潮流能发电装置的稳定、安全、维修等各方面，是潮流能发电装置中十分重要的一部分，现阶段很多发电装置仍处于发电实验阶段，所以其检修和维护就显得尤为重要。本文在潮流能研究开发的趋势下，在限定的环境和龙门式结构基础上，研究适合水下涡轮机发电的载体和支撑平台。寻求稳定可靠的支撑系统，保证发电装置的正常工作，同时也要保证在关键时刻能及时对涡轮发电装置进行检修和维护，从而保证发电装置能够清洁、稳定、高效、安全地进行日常工作。支撑结构对潮流能发电来说具有不亚于发电装置本身十分重要的意义。二、文献综述1国内外研究现状（1）国内研究现状作为世界上最早开展潮流能发电实验的国家之一，我国于20世纪50年代开始潮流能发电实验。各大高校的主要成果有东北师范大学2008年研制的1kW水下漂浮式潮流能发电装置，中国海洋大学和机械科学研究总院2008年研制的5kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置，浙江大学2009年研制的25kW固定式水平轴潮流能发电装置等1。而我国的潮流发电技术始于20世纪70年代末，并在舟山和岱山海域先后进行了8kW和40kW发电实验项目。2013年8月12日，我国装机容量最大的漂浮式潮流能发电站在浙江省舟山市岱山县龟山水道入水投入运行2。（2）国外研究现状英国是世界上潮流能发电技术最先进的国家，也是世界上潮流能开发利用较早、较多的国家。2003年，英国在德文郡的Lynmouth外海投运首台300kW的潮流能发电机组Seaflow；2008年4月，1.2MW的SeaGen型潮流能发电机组在北爱尔兰Strangford湖投入运行，2008年12月，机组满发，超发，总装机容量达到12MW。SeaGen机组也是目前世界上投入商业运行的最大潮流能发电机组。英国正在苏格兰和北威尔士建设大型潮流能发电场，将安装1.2MW和1.5MW的SeaGen型机组及其他形式的潮流能发电机组；英国潮流（Tidal Stream）公司开发了一种名为Triton，与SeaGen异曲同工的潮流能发电装置，公司已对完成对四代装置的测试；德国Voith Hydro公司计划将在20102015年间完成600台1MW水轮机的设计制造及安装工作；Voith Hydro Tidal公司为韩国研制同型号的300kW水平轴水轮机发电机组；英国SMD公司设计的Tidel风车式潮能水轮机，单个转子的旋转直径为18.5m，在流速2.3m/s下可发电1MW；美国绿色能源公司（Verdant Power Co.）在Roosevelt岛潮汐工程中设计的固定倾角式三叶式风车式水轮机，2008年9月正式投入运行；挪威Hammerfest Storm公司研制的底座式三叶片水平轴潮汐能水轮机，2003年在挪威Kvalsund安装，经四年运行测试已正式并网发电；法国Hydrohelix于2008年完成了转子直径3m的水平轴水轮机测试1。（3）国内现状问题分析虽然潮流能发电不需筑坝蓄水，对环境影响小，建设周期缩短，但在海上固定和安装潮流发电机组困难。相比国外较为成熟的商业化运行模式，我国的潮流发电项目都还只是在示范应用阶段，很多关键技术问题有待于进一步研究。制约我国潮流能大规模开发的主要因素在以下几点：造价较高，投入风险较大，在短时间内无法实现经济效益。同时有关潮流能发电装置的开发设计技术、加工制造技术、安装和维护技术、电力并网技术等技术的缺失，也限制了潮流能开发的发展规模和速度3。2潮流能水轮机支撑方式（1）潮流能水轮机分类目前国外技术上比较成熟的潮流发电装置有轴流式、横流式、震荡水翼式和套管式。统计数据表明，水平和垂直轴水轮机拥有更大的使用份额，分别为43%和33%4。其中水平轴流叶轮技术比较常见，类似于常规大型风力发电设备的运作方式，水流方向与旋转轴平行利用水流推动叶轮桨叶旋转发电。主要代表有英国MCT公司的SeaGen系列产品以及爱尔兰OpenHydro公司的OCT（Open Centre Turbine）。 水平轴式水轮机在概念上类似于广泛的水平轴风力发电机，它的水平轴平行于入射流5。目前我国潮流能发电站多采用水平轴水轮机，相关技术趋于成熟2。水平式潮流能水轮机按结构可分为风车式、空心贯流式和导流罩式。风车式结构简单、稳定性好、获能系数高。目前被许多公司所青睐，主要代表有英国的MCT、SMD公司，美国绿色能源公司（Verdant Power Co.）和Voith Hydro Tidal等1。而本文研究所依托的水轮机正是水平轴式风车式水轮机。（2）水轮机支撑方式分类潮流能发电装置的支撑载体与系泊系统或基础共同组成了海洋结构系统，由于转子通常装在一个支撑结构上，重要的是不仅要研究转子的性能，也充分理解流量特性下的支撑结构的相互作用。支撑结构是整个潮流机组的支撑平台，常见的支撑结构主要有座海底式、漂浮式、桩柱式6。其中桩柱式又分为单立柱式和双立柱式。国外学者对此进行了统计，研究数据表明，水平轴潮流机组采用的主要三种支撑结构所占比例分别为座海底式37%，漂浮式33%，桩柱式27%4。漂浮式安装把水轮机安装在浮体下，整个装置随潮位涨落而上下浮动，水轮机始终处于水面附近它在深水区作业的优点是：安装容易，基本上就是将其拖走，然后在停泊的位置；如需大修任务或者必要的搬迁，更易移动；近水面处潮流流速比水底大，有利于捕获潮流能量；接近或超过水表面使得日常维护基本上是简单的。但漂浮式支撑平台受波浪影响大，不稳定波大时影响正常运行，极限海况时生存能力弱，难以安装和维护，由于在较高的压力下工作，使得更大程度地暴露在恶劣的海洋环境中7-8。座海底式支撑结构将水轮机安装于近水底处避开了水面波浪的影响，但水底潮流流速低于水面，比起漂浮式不能最大限度地捕获潮流能，同时长期在高压下工作，对机舱的密封防腐性能要求较高，日常维护也比较困难。桩柱式支撑结构其基础固定安装于水底，但水轮机位于水面附近。支撑结构的耐久性和极限海况下的生存能力好于浮式支承结构，从风电行业获得的经验和知识表明，由于所谓的塔坝效应，支撑结构总是会干扰涡轮叶片周围的流体流动，流体会在碰到支承结构时减慢速度9。所以桩柱结构受波流载荷影响较大，为了满足强度要求，其制造和安装强度较高。（3）水轮机支撑方式选择对于水轮机来说，虽然转子应尽可能放在水中的高处，以达到最大可用功率，但由于船舶航行等实际问题的限制，把它们安装在靠近水面处并不总是可行的。例如在塞文河口，吃水深度达14m的船只随处可见，而最深得可达35 m10-11。海流发电机的安装和支撑方式需根据海床地址、深浅、海流特征等综合因素加以考虑。一般来说，水深小于40m的情况下采用座海底式和单立柱式，水深大于40m时采用双立柱式和漂浮式12。综合研究对象的实际情况，为龙门式潮流能发电支撑平台，发电装置为风车式水平轴水轮机，所以采用桩柱式支撑方式。本文的中心思想便是设计满足其强度和使用需求的支撑平台。在由梅森琼斯等人进行的工作中，初步研究了水平潮流能发电机桩柱的几何效应，在转子的下游2个轮毂直径或3.6m处放置，研究其性能特点。以一个额外的没有任何支撑结构模型所得数据位为基线值，以3.086m/s的匀速水流，对五种不同几何形状的横截面（水翼剖面、圆形、椭圆形、菱形、正方形）进行测试。得到了这些不同几何形状的横截面对轴向推力的影响。虽然椭圆形或水翼剖面是最佳的支柱设计，但圆形支柱会比较容易制造，因此圆形支柱提供了基于各种因素之间的一种支柱设计折衷10-11。基于以上因素，桩柱式支撑也采用圆柱型结构。3支撑平台设计关键技术（1）易于上浮的坐底式技术。这是潮流能发电领域的前沿技术13。其核心是完善的升降系统，使得发电装置可沿支撑立柱升降。这种技术可使得发电装置在不影响航运的情况下，最大化地利用潮流能，及时进行维护和检修。（2）稳固的支撑结构。这是在采用桩柱式支撑方式时必须更为慎重的问题，包括尺寸设计、连接部位设计、材料选择、防腐抗蚀方法选择等众多有关其稳定性的问题。由于柱式结构受波浪载荷影响较大，需要做好各个关键部位的受力分析，海上环境恶劣突变，需校核其强度能够满足在地震、暴雨、狂风等各种天气条件下也能正常工作。（3）避雷系统。该系统应位于海上且周围无高大物体的建筑上，雷电防护对平台的安全使用，电气设备正常运行有至关重要的作用。电气设备需配置外部避雷器并接地，内部电气系统配置保护器等避雷措施14。（4）支撑平台的安装技术。尤其对于桩柱式支撑而言，正确到位的安装是一项富有挑战性的工作。一般桩柱式支撑采用驳船起重，驳船的脚架在遭受较强的海流冲击时需要保持很好的稳定性，同时脚架下游的泄出涡诱导的涡激振力可能引发整个结构物共振的危险。所以在安装之前，需对安装地点不同海况下结构物的力学特性进行预估。海流发电及的安装和支撑方式可以借海洋石油平台海上施工建造中得共性技术15。（5）载荷分析。在设计支撑平台时应考虑风、波浪、流、潮汐、冰、地震等一系列环境载荷的影响。同时还要考虑各种极限条件下的组合荷载情况如：固定荷载和相应于平台正常工作的最大活荷载相结合的作业环境条件；固定荷载和相应于极端条件相组合的最大活荷载组合的设计环境条件。还要注意，除了地震荷载外的环境载荷，应以在所考虑的荷载条件期间同时出现的概率形式相组合。在适用的场合，地震载荷应作为单独的环境载荷作用在平台上14。参考文献：1 戴庆忠.潮流能发电及潮流能发电装置J.东方电机,2010,02:51-66.2 张勇,崔蓓蓓,邱宇晨.潮流发电一种开发潮汐能的新方法J.能源技术, 2009,04:223-227.3 李慧,郝嘉凌,陶爱峰,王懿.中国潮汐能利用现状研究A.中国海洋工程学会.第十六届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上册）C.中国海洋工程学会, 2013:3.4 M.J.Khan,G.Bhuyan,M.T.Iqbal,J.E.Quaicoe.Hydrokinetic energy conversionsystems and assessment of horizontal and vertical axis turbines for river and tidal applications:A technology status reviewJ.Applied Energy,2009,86:1823- 1835.5 B.Yang,X.W.Shu.Hydro foil optimization and experimental validation in helical vertical axis turbine for power generation from marine currentJ.Ocean Engineering, 2012,42:3546.6 乔永喜.水平轴潮流能发电装置基础冲刷及支撑结构的优化设计D.中国海洋大学,2013.7 F.L.Ponta,P.M.Jacovkis.Marine-current power generation by diffuser- augmented floating hydro-turbinesJ.Renewable Energy,2008,33:665-673.8 王可,郭伟.基于PY曲线法潮流能发电装置支撑结构动静力仿真研究J.中国水运(下半月),2014,10:117-122.9 Hau.E.Wind turbines: fundamentals,technologies,application,economics.2nd ed .Germany:Springer;2006.0 C.Frost,C.E.Morris,A.Mason-Jones,D.M.ODoherty, T.ODoherty.The effect of tidal flow directionality on tidal turbine performance characteristicsJ. Renewable Energy,2015,78: 609-620.1 Mason-JonesA,ODohertyDM,MorrisCE,ODohertyT,ByrneCB,PrickettPW, et al.Non-dimensional scaling of tidal stream turbines. Energy,2012,44: 820-829.2 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,2009.13 刘美琴,仲颖,郑源,赵振宙.海流能利用技术研究进展与展望J.可再生能源,2009,05:78-81.4 宋雨泽,王项南,王鑫,路宽,杨宁,韩林生. 潮流能发电装置测试平台结构设计浅析J. 海洋开发与管理,2013,09:49-51.15 刘小龙,侯樱,赵文峰.海流发电机的发展和应用J.能源工程,2008,06:20-23.三、研究内容1学术构想与思路研究潮能发电装置的支撑结构是为了在关键时刻能及时进行对涡轮发电装置的检修和维护，这对发电装置在海底的正常工作具有十分重要的意义。良好的支撑结构必然能实现稳定有效的基本功能，升降系统能最大化地减小升降及检修维护过程中对发电装置的伤害，能保证在突如其来的天气影响下维修人员得以安全地进行相关工作。升降系统应具有的特点有：灵活性，操作方便；稳定性，受各种因素影响时仍然安全可靠；准确性，对于操作命令的执行能到位，比如在定位、刹车等情况下能够较准确地停留在某个位置。主要完成的内容有：(1)进行有关龙门式支撑平台整体结构的设计。包括采用的材料、尺寸等。(2)进行升降系统的设计，难点在其驱动系统，要求达到桩腿间的同步，有安全保护，启动与刹车的设计等。(3)根据长期统计结果进行载荷计算，包括单一载荷和组合载荷情况。(4)在载荷和设计结构的基础上进行有限元分析，使其满足各种条件下地强度要求。2拟采取的研究方法(1)查阅资料。通过各种互联网站和数据库如中国知网、Elsevier期刊、IEEE-IEL数据库、EI工程索引等进行文献的查询。(2)借鉴经验。借助已有的潮流能发电装置相关信息，浏览其网站如http：/ ，http:/www.tidalstream.co.uk/index.html(3)设计验证。首先通过各种工程软件进行辅助设计，如CAD、UG、SolidWorks等。然后根据所得模型进行验算分析，如若满足条件则方案可行，如若不能满足则需就问题进行修改，也是工程案例中常见的试错法。(4)定性分析。借助科学的公式进行计算，例如有关波浪载荷的计算，需要通过专业知识来定义，得出合理地值。并借助专业软件如AN