潮汐能发电设计.doc

开题报告：1.选题的背景和意义1.1 选题的背景 目前陆地上资源日益枯竭，世界各国正逐渐将目光转向海洋。海洋资源开发必然成为本世纪最重要的经济活动。开发海洋能发电装置，可以增强我国在海上持续作业的能力，可以实现海上电力的自给自足。1.2 选题的意义发展像潮汐能这样的新能源，可以间接使大气中的CO2含量的增加速度减慢。潮汐是一种世界性的海平面周期性变化的现象，由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用，海平面每昼夜有两次涨落。潮汐作为一种自然现象，为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便，更值得指出的是，它还可以转变成电能，给人带来光明和动力。2.设计内容2.1 1kW 潮汐能发电装置总体设计 1kW 潮汐能发电装置总体方案可描述为漂浮式双转子水平轴可变桨式潮汐能发电水轮机。1kW 潮汐能发电装置总体方案，如图 2.1 所示。发电装置由“中”型漂浮式载体（1 个）、锚泊系统（1 套）、水平轴变桨式潮汐能发电水轮机（2 套）、提升锁紧装置（2 套）、电能变换等子系统组成，潮汐能发电水轮机发出的电力经海底电缆送上岸至直流母线并入独立电网。 漂浮载体锚泊于潮流水道中，离岸距离约 500m，载体纵向沿流向布置。两台水平轴潮汐能发电水轮机分别由两个呈流线型的塔架悬挂支撑于漂浮式载体上，塔架通过载体结构的两个细长矩形月池并由载体上甲板的提升锁紧装置固定。两套提升锁紧装置分别布置于载体月池中央，用于发电装置的吊装维护。载体设有控制舱，布置电能转换和发电控制柜。电站系统由载体、载体定位系统、电能变换、并网输电系统、电站控制与管理系统等 6 个子系统组成。 潮汐能发电水轮机及配套的控制设备安装于载体上，其它设备如电能综合控制装置、逆变器等设备安装在发电机组邻近海域的海岛上。潮汐能发电水轮机安装于漂浮式载体上，漂浮式载体上装有齿条提升锁紧装置，用于水平轴潮汐能发电水轮机的维护吊装。载体上还设有控制舱，用于电能转换和发电装置的控制。水平轴潮汐能发电水轮机通过塔架与载体相连接。当潮流的流速、流向改变时，水平轴潮汐能发电水轮机可自动调整叶片桨距角。电站安装时，先将整个水轮机组安装在漂浮式载体上，然后将载体用拖船拖至指定位置，载体再由首尾端共四根锚链呈放射状固定，机舱内设置必要的监测与保护设备。潮汐能发电水轮机表面进行防海水腐蚀和防海生物技术处理，保证机组长寿命高效率运行。1-“中”字型漂浮式载体；2-水平轴潮流能发电水轮机；3-提升锁紧装置；4-锚泊系统； 图 2.1 1kW 潮汐能发电装置总体方案 整个水轮机组安装在漂浮式载体上，然后将载体用拖船拖至指定位置，载体再由首尾端共四根锚链呈放射状固定，机舱内设置必要的监测与保护设备。潮汐能发电水轮机表面进行防海水腐蚀和防海生物技术处理，保证机组长寿命高效率运行。潮汐能发电水轮机是整个1kW 漂浮式潮汐能发电装置的关键子系统，潮汐能发电水轮机结构设计的好坏决定着整个项目的成败。2.2 潮汐能发电水轮机结构设计随着水平轴潮汐能发电水轮机单机组功率的不断增大，机组的主轴传动系统布局已成为水平轴潮汐能发电水轮机设计的核心内容。主轴传动系统布局是指海水在一定流速条件下，机组的零部件、子系统、结构承力件、动力传输设备和辅助设备在机舱内的布置情况。影响潮汐能发电水轮机主轴传动系统布局的主要因素是发电机的安装方式，其原因在于：（1） 主轴传动系统的主要功能是把水轮机的机械能转化为电能，它的稳定性影响着水轮机的总体性能和供电质量； （2） 发电机的安装方式直接影响到水轮机的主轴系统传动、轴承承载等其它功能单元的结构和安装，很大程度上影响着水轮机的总体布局。 在潮汐能发电水轮机总体设计中，根据机组设计需要，选择合理的主轴传动系统。传统的水平轴潮汐能发电水轮机主轴传动系统主要由叶轮、变桨机构、机械动密封、主轴、增速齿轮箱、刹车装置、发电机等零部件组成。图 2.2 为水轮机传动系统结构。主轴是连接叶轮和增速齿轮箱的关键部件，它的前端连接着叶轮的轮毂，后端与增速齿轮箱的输入端固定连接，主轴的前轴承位置应尽量靠近轮毂的法兰盘，减小由叶轮重量引起的重力力矩。主轴的受力形式主要有潮流的轴向推力、径向力、弯矩、转矩和剪切力，水轮机每经历一次潮流的涨潮和落潮，主轴都将经历一次动态载荷循环，在主轴上会产生多种应力，而且主轴与零件接触的表面要求加工质量较高。因此主轴是一个承受载荷较大的零件，要求其具有优质的机械性能。此种潮汐能发电水轮机的主轴传动系统有以下特点：（1）主轴的前端支点为刚性支撑，后端支点为弹性支撑，潮流冲击在叶片上突变负载被这种结构所吸收；（2）便于设计水轮机中的发电机系统，较易控制潮汐能发电水轮机的总体成本；（3）叶轮有较宽的变速范围，可以把发电机的转速控制在 30%范围内；（4）容易实现机组零部件的标准化，降低机组的设计难度；（5）目前的水轮机主要部件尚无关键的技术障碍，一些零部件可借用风力发电机的技术，但是这种布局涉及到多个零部件，所以其发生故障率较高。 1-叶轮； 2-机械动密封；3-主轴；4-塔架；5-增速齿轮箱；6-刹车装置；7-发电机 图 2.2 水轮机传动系统 图 2.3 是一种直驱式水平轴潮汐能发电水轮机的设计方案，其主轴传动系统主要由叶轮、变桨机构、机械动密封、主轴、刹车装置、发电机等部件组成。其技术特征是主轴前端与叶轮中的轮毂刚性连接，另一端连接发电机组的转子。发电机作为此种设计方案的关键部件，要求其在较低的转速条件下工作。当海水流动，冲击水轮机的叶轮，叶轮转动直接带动发电机在较低转速下发电。水平轴直驱式潮汐能发电水轮机主轴传动系统有以下特点：（1）主轴传动链结构简单，降低潮汐能发电水轮机的故障率，机组的整体尺寸也大大缩小；（2）叶轮的变速范围较大，提高机组对潮汐能的利用率；（3）通常情况下，水平轴直驱式潮汐能发电水轮机所用的发电机是永磁发电机，这种发电机的体积和重量较大，增加了制造和运输上的难度；（4）永磁发电机的零部件尚未形成标准部件，制造成本较高，适用低转速下工作。 图 2.3 直驱式水轮机传动系统 通过对比图 2.2 和图 2.3 的两种主轴传动系统方案可以得出，图 2.3 比图 2.2 少一个增速齿轮箱，而且整体尺寸也减小了很多。在对风力发电机组的调研中，了解到风力发电机组主要故障出现在增速齿轮箱的零部件上。导致增速齿轮箱失去工作能力的主要原因是齿轮的磨损和点蚀、轴承失效、主轴断裂以及齿轮箱内部润滑油的油温过高等。而整台机组的噪声来自于增速齿轮箱，还需要对增速齿轮箱进行定期维护。 考虑到水平轴直驱式潮汐能发电水轮机主轴传动系统在结构上免去增速齿轮箱这一传统部件，降低了整台机组的噪声、提高机组寿命、缩小了机组体积、降低了水轮机的运行维护成本。机组能在较低的流速下工作，提高了机组的工作效率，同时发电机箱体直接和海水接触，增大了发动机散热量等多种优点。本次主轴传动系统的设计方案选用直驱式水轮机传动系统。3.潮汐能开发利用的可行性研究 (1) 潮汐能开发利用的技术可行性 法国的朗斯潮汐电站是世界上第一座大型潮汐电站。它的建立证明了潮汐发电的可行性。但当时该电站造价很高，令许多国家望而却步，阻碍了潮汐电站的大规模发展。随着各国对潮汐电站建设的研究，许多国家采取一定的措施减少成本支出，例如俄罗斯基斯洛湾电站采用浮运沉箱法建造筑坝，减少了土建工程的成本支出。同时，潮汐发电技术也在不断发展之中，潮汐发电技术的创新和机组制造工艺的改进都大大提高了发电效率，例如瑞典研制成功的新型全贯式型机组，它具有能量指标高、水利性能好、结构紧凑、运行稳定等一系列优点，从而降低潮汐发电的千瓦成本。加拿大在安纳波利斯建成座单机容量为万的潮汐中间试验电站就采用了该种机组，该电站运营中取得了良好效益；我国江夏潮汐电站号机组采用多种新型材料和工艺，大大提高发电效率，同时减少维修、养护成本。这些成功案例都已经说明潮汐发电的技术可行性已经解决，目前的问题在于今后如何进一步提高。 (2) 潮汐能开发利用的经济可行性 市场经济体制下，经济利益决定了市场的发展，潮汐发电的成功与否也取决于是否具有经济效益。，在朗斯电站建成周年庆典时，官方认为朗斯潮汐电站是法国最低成本的发电方式之一，每千瓦时仅用分法郎，而热电为分法郎，核电分法郎，仅水电低于潮汐发电，为分法郎。但是，水电的建设常常需要淹没农田，而潮汐电站不会，甚至尚可促进围垦农田，如果将该项经济指标计入核算，水电是否低于潮汐发电则未可得知。4. 预期成果本毕业设计及论文预计在五月初全部完成，并在五月中旬进行答辩。在已有课程学习的基础上，需要投入足够的时间和精力，理论紧密联系实际，预期的设计成果如下：（1）整体结构的装配图一套。（2）各零件图一套。（3）设计论文。5.进度计划（1）2015年2月1日前，完成外文翻译。（2）2015年2月28日前，完成开题报告及文献综述。（3）2015年3月15日前，完成机架结构设计并进行载荷计算和强度校准。（4）2015年3月30日前，完成机架结构的整体效果图。（5）2015年4月30日前，完成机架结构装配图和零件图。 （6）2015年5月15日前，进行毕业设计答辩。参考文献： 1石洪源.我国潮汐能开发利用前景展望J.海岸工程，2012(11). 2戴俊.浅析潮汐发电原理与潮汐发电站形式J.商业文化(下半月)，2011(07). 3.张丽珍海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景J湖北农业科学，2011，50（1）：1614.陈恩鉴.国外海洋能研究开发的现状及展望 J.新能源，1995，17（1）：16. 5.刘强.各国开发海洋能源发电现状 J.发电设备，2007（6）：11. 6王兵振,武贺,张巍. 水平轴潮汐能叶轮叶片数量分析研究J. 海洋技术学报. 2014(01)7魏东泽,吴国荣,郭欣,顾恩凯. 潮汐能开发技术研究进展J. 可再生能源. 2014(07)8赵帅帅,陈成军,洪军,董志强. 偏心叶片式潮汐能发电装置的设计及其仿真J. 科学技术与工程. 2014(08)9 李浩. 水平轴潮汐能发电装置桨叶设计的关键技术研究D. 太原科技大学 201410 朱永伟 水平轴潮汐能发电水轮机主轴结构分析D 哈尔滨工程大学 201311Patrick F. Cummins.The extractable power from a split tidal channel: An equivale