开题报告-基于涡激振动的电能转换装置设计.doc

中国海洋大学本科毕业论文（设计）开题报告题 目 基于涡激振动的电能转换装置 院、 系 工程学院机电系 专 业 机械 (年级) 2011级 学生姓名 学 号 指导教师 教务处制表 2015 年 04 月 02 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。该课题为基于涡激振动的电能转换装置，课题要求学生完成涡激振动发电装置中传动部份的设计。2、 选题依据及背景情况： 随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，而在过分的消耗不可再生能源之时，保护环境，可持续发展的呼吁声逐渐增强。因此，可再生能源与清洁能源就成为了现在研究的大势。如何利用浩瀚海洋中的能量也是其中一个十分重要的研究方向。 从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动。利用涡激振动原理将能量捕捉，通过机械结构将能量转换成发电机的转动，以此实现电能转换的目的【1】。3、 课题研究目的： 我们国家电力主要来源依然是火力发电，能占到总发电量的70%。通过消耗煤炭来实现我们日常的电能所需，不仅使煤炭资源被过度消耗，煤炭燃烧过后产生的二氧化硫、氮氧化合物等废气会严重污染环境，影响人们的生存质量。为了解决这种矛盾的现状，选取该课题进行研究以期实现涡激振动对电能的转换，为可持续发展战略尽一份绵薄之力。4、 实际应用价值： 利用涡激振动实现电能转换不会产生任何的污染物，完全可以清洁的产生电能。我国有300万海洋国土面积，拥有18000多千米绵长的海岸线，这是我们能够利用海洋能的天然的有利条件。而且我国的沿海城市经济发展水平相对更高，对电力的需求也更大，如果能够实现涡激振动对电能转换的大规模应用，将会大大缓解沿海城市的电力压力，并且解放出火力发电，节省下大量的煤炭，对环境的保护也会有十分积极的意义。二、文献综述国内外研究现状： 涡激振动的研究主要有模型实验研究、经验模型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。涡激振动研究是从实验研究开始的【2】。在过去的近半个世纪中,许多学者都研究过弹性支撑柱体(多数为圆柱体)自激振动的运动和动力特性。当前,海洋立管涡激振动机理研究的热点主要集中在两个方面:海洋立管的顺流向振动和海洋立管尾流的三维效应对其振动响应的影响【3】。 经过数十年对涡激振动的研究,学术界虽然还未把握涡激振动的机理,但仍取得了许多阶段性的成果,构成了当今涡激振动研究的基石。从研究方法上来分,涡激振动的研究主要有模型实验研究、经验模 型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。涡激振动研究是从实验研究开始的。在过去的近半个世纪中,许多学者都研究过弹性支撑柱体(多数为圆柱体)自激振动的运动和动力特性,其中影响 最为广泛的是 FENG 在风洞中对单自由度弹性支撑的圆柱体所做的实验;随后,更多的研究者在水槽中完成了类似的实验,得到了当前工程界更为关 注的以海洋立管为代表的低质量比(m)(结构与所 排开水的质量之比)和低阻尼比()的圆柱体的涡激振动特性【4】。最近,KHALAK、GOVARDHAN 对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体做了一系列实验,这些实验代表了当前圆柱体结构物涡激振动实验的最高水平。在经验模型方面, HARTLEN开创性地建立了弹性支撑柱体涡激振动的横流向振动响应以 及流体力的经验模 型尾流振子模型。随后,SKOP对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中。近年,又有学者对其进行了修正与改进。在国内,GUO、郭海燕等考虑了立管内流对立管涡激振动的影响,对尾流振子模型进行了改进。在数值模拟方面,按照不同的紊流模型,涡激振动的CFD模拟方法可以大体分为4类:离散涡(DVM)方法、RANS方法 、LES方法以及DNS方法【5】。查阅的主要文献：1黄维平;孙铭远;圆柱管束涡激振动实验分析研究A;第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集(上)C;2011年2王微微;考虑平面旋转和顺流向振动的海洋立管涡激振动数值模拟D;天津大学;2012年3张友林;海洋立管涡激振动抑制方法研究D;江苏科技大学;2011年4宋保维;丁文俊;毛昭勇.基于波浪能的海洋浮标发电系统.机械工程学报.2012.139-1435张文喜;叶家玮;摆式波浪能发电技术研究J;广东造船;2011年01月6邓跃. 低雷诺数下均匀流和振荡流共同作用的圆柱体受迫振动和涡激振动研究D. 中国海洋大学 2014 7王海青,郭海燕,刘晓春,张永波,孟凡顺. 海洋立管涡激振动抑振方法试验研究J. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2009(S1) 8唐国强. 立管涡激振动数值模拟方法及物理模型实验D. 大连理工大学 2011 9宋吉宁. 立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟D. 大连理工大学 2012 10崔洋洋. 串列布设立管干涉问题流固耦合研究D. 大连理工大学 2013 11任铁. 实尺度雷诺数复杂来流条件下的立管涡激振动试验研究D. 上海交通大学 2011 12吕东莉,陈次昌,张涛,石锋. 圆柱涡诱导振动响应频率计算方法J. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2010(04) 13王贵春. 水流作用下圆柱体的涡激振动分析J. 科学技术与工程. 2007(01) 14徐枫,欧进萍. 低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析J. 计算力学学报. 2009(05) 15Xiaodong Wu,Fei Ge,Youshi Hong. A review of recent studies on vortex-induced vibrations of long slender cylindersJ. Journal of Fluids and Structures . 2011 16Fang-fang XIE,Jian DENG,Yao ZHENG. Multi-mode of vortex-induced vibration of a flexible circular cylinderJ. Journal of Hydrodynamics, Ser.B . 2011 (4)17A. Farshidianfar,H. Zanganeh. A modified wake oscillator model for vortex-induced vibration of circular cylinders for a wide range of mass-damping ratioJ. Journal of Fluids and Structures . 2010 (3) 18F.J. Huera-Huarte,P.W. Bearman. Wake structures and vortex-induced vibrations of a long flexible cylinderPart 1: Dynamic responseJ. Journal of Fluids and Structures . 2009 (6) 三、研究内容1、学术构想与思路： 该设计旨在通过涡激振动将能量捕捉，并且利用该部分能量带动发电机转子转动，从而实现发电的目的。该设计的主要思路是将能量捕捉并转换为往复直线运动的动能形式。然后通过中间转换装置（机械传动装置）使往复运动转化为较为均匀的转动。最后通过传动轴的转动带动发电机发电。本次设计的主要任务就是对该装置的传动部分进行设计。2、主要研究内容及拟解决的关键问题： 设计的主要任务是对该涡激振动电能转换装置的传动部分进行设计，利用机械结构将往复的直线运动转换为均匀的单向转动，并且最大程度减少能量损失，提高转换效率。传动部分是该电能转换装置中一个十分重要的环节。如何实现将不规则的往复直线运动转换为规则的单向转动，是首先要解决的问题。传动装置要力求精简，最大程度的减少传动级数，以减少传动过程中的能量损失。如何解决传动过程中不必要的能量损失，也是一个需要解决的问题。最后一个关键问题是如何将之前往复运动转换的两个单向转动再次结合起来，是指共同驱动发电机发电。如何解决这三个问题是传动部分设计的重中之重。 涡激振动造成的浮子震动是垂直方向的往复直线运动，这样的往复运动是不规律的，无法直接驱动发电机转子转动。需要设计一个机构，使这种往复直线运动转换成单向的转动，并且将上升阶段和下降阶段都能利用起来。例如齿条和两个齿轮的啮合，四杆机构等。 发电装置为求发电效率的提高，要求尽可能的减少传动级数，将其控制在两到三级传动，并且使用摩擦系数小的传动机构。发电装置要求传动稳定，动作均匀，能够保持一定速率驱动发电机转子。因此在设计传动机构的时候也要考虑这方面的要求。 由于发电的要求，前一步由往复直线运动上升与下降分别驱动的两个单向转动需要再次合称为一个运动，以此连续驱动发电机转子转动。这一过程要保证两个分运动啮合过程中互不干涉，最终实现转向一致，转动连续，实现电能的连续转换。3、拟采取的研究方法、技术路线： 首先采用调查法，有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料，了解该项设计项目的研究基础。并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而整合现有的传动机构的形式，为自己的设计提供理论与现实依据。 其次采用构建模型的方法，对设计进行三维造型，模拟机构的运转，在运动仿真的过程中发现机构存在的问题，从而进行优化设计和进一步的改进。 当设计有了一定成果，要利用经验总结法，通过设计中的具体情况，进行归纳与分析，使之系统化、理论化，上升为经验，为后续的设计提供参考作用，避免同样的问题再次发生。成品试运行成品组装零件购买设计修改运动仿真传动方案设计运动参数确定国外研究现状国内研究现状背景及意义绪论成型组装结构设计研究现状提出课题 4、方案设计及其可行性分析： 初步方案拟采用齿轮齿条啮合传动，齿条往复运动驱动两个齿轮，利用超越连轴器或者单向轴承控制齿轮传动的单向转动。最后通过齿轮啮合将两个转动合成一个单向转动。 齿轮齿条传动的传递动力大，齿轮传动用来传递任意两轴间的齿轮和动力，齿轮齿条传动的寿命长，工作平稳，可靠性高，并且能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 上图中的双面齿条就是我们将要采用的类型，每一面齿条都与一个齿轮啮合，这样的啮合方式保证了运动的连贯性。并且这种齿条的加工工艺已经十分纯熟，这项技术也已经在现有机械上有了应用，经过了实际应用的考验。齿轮与双面齿条的啮合也是经过验证，是及为可靠的机械传动装置。 除此之外，齿轮与齿条的采购也十分的方便，市场上有各种规格的成品可以参考，对我们的设计最终目标做出成品而言，是一个极为有利的条件。因此，采用齿轮齿条传动是可行的。 单向轴承基本由筒式内径的外圈、带斜坡的内圈及分别承受弹簧力且始终与内外圈紧密接触的一组滚子组成。只要其中的一个滚道在其运动方向上的旋转对另一个产成了影响，这种排列就从本质上确保了超越速度的即刻性和保证了立即驱动能力。因此单向轴承可以十分可靠的完成齿轮单向转动的要求。四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标2月10日3月7日3月8日3月20日3月21日4月20日4月21日5月20日