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海流能发电机设计
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海流能发电机设计摘 要目前，国际性的能源危机和持续环境恶化使各国纷纷加大对可再生能源的开发力度。但随着人口增加等原因，可利用空余陆地面积急剧减少，人类已把目光转向海洋能源的开发利用。海洋能源是一种永不枯竭且无任何污染的“可再生性能源。它是以潮汐、波浪、海流、温度差、盐度差等形式表达的物理、化学能量，为人类提供了大量宝贵能源。其中潮汐能、波浪能、温差能和盐差能的开发成本较高、发电效率相对低、规模开发利用难度大。海流能是指海水流动的动能，其变化具有规律性，可预测性等特点。其成因是由太阳、地球及月亮相对位置及地球自转而引起的海水表层水平移动。我们选择了开发成本相对较低，开发利用可行性较高的海流能做为研究对象，但海流能的利用在我国以及国际上都是一个崭新的课题。在我国边远海域与沿海地区有为数众多电网无法覆盖的岛屿、哨所及村镇，那里的用电和淡水供应一直是个难题。如能利用每天持续不断的海流能提供电能和制备淡水所需的能量，对于改善那里的生活条件不失为一种最现实的办法。海流能的利用要求整个发电装置浸泡在海水中，海流能发电机的工作环境决定了它所面临的难点，因此我们设想了一种新型的海流发电装置并制作了模型试图解决这些问题。关键词：海流能；海流模拟试验；海流能发电装置Abstract With the International energy crisis and the continued deterioration of the environment， Many countries increase the development of renewable energy todayHowever, with the population and other reasons，we can make use of the land area of sharp decline in spare People have eyes to development and utilization of ocean energyOcean energy is a kind of renewable energy which is inexhaustible and no pollutionIt is Physical and chemical energy expressed by Tides，waves，currents，temperature and salinity difference，and people Can obtain a lot of valuable energy from itTidal energy,wave energy,temperature energy and salinity energy can be bad to the development of high cost，relatively low efficiency of power generation，and the scale of the development and utilization of difficulty Currents can flow refers to the kinetic energy of waterIt is caused by the sail，the relative positions of Earth and the moon and the earths rotationWe have chosen current energy which is the relatively low development costs，development and utilization of the high feasibilityBut the exploit of Current energy is a new subject not only in China but also in the other countries There are many islands，post and villages in the remote sea areas and coastal areas， which are no powerAnd it is a problem about electricity and fresh water supplyIf we can make use of daily continuous Current energy,it will be the most realistic way to improve their living conditionsPower devices immersed in seawater when We make use of Current energy, and the working environment of current energy generator determines the difficulties it faces Therefore，we envisaged a new type of ocean current power generation devices and produced a model to deal with it Key words：Current energy；Current simulation test；Current generation devices 目录1. 绪论511 海流能研究的背景5121 能源和环境危机6122 海流能研究的目的和意义712 国内外海流能发电技术进展8121 传统海洋能利用技术8122 新型海流发电技术发展9123 垂直轴式海流能发电技术9124 水平轴式海流能发电技术1213 小结142. 海流能发电机的工作原理及基本结构1521 海流能发电机的基本功能构成1622 海流能发电机的工作原理172. 3 海流能发电机的基本结构18 231 叶轮18232 轮毂18233 主轴19234 齿轮箱19235 发电机20236 密封系统22237 对流装置20238 塔架203. 海流能发电机主要零件的设计计算2131 确定设计目标25 311 海流能发电机总体设计方案24312 海流能发电机零件设计方案2632 海流能发电机设计中的相关理论及概念27 321 海流能发电机流体力学设计理论基础27322 叶片设计中的基本概念3033海流能发电机叶轮系统设计计算31 331 叶轮的总体设计31332 叶片的设计计算34 333 轮毂的选择3634 海流能发电机增速器的设计计算37 341 传动方案的确定37342 增速器基本设计要求及设计步骤38343 传动原理图39344 低速齿轮传动设计39345 高速齿轮传动设计4335 塔架的设计4736 密封系统的设计4837 制动系统的设计4838 主梁载荷计算及强度校核48 381 流体动力载荷49382 重力载荷49 383 惯性力载荷49 384 主梁强度校核51总结53致谢54参考文献551. 绪论11 海流能研究的背景111 能源和环境危机能源是人类赖以生存的基本要素，是国民经济发展的主要物资基础，纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替，毫无疑问，能源的开发利用极大地推动了世界经济和人类社会的发展。化石燃料是人类最早利用的能源之一，从18世纪的英国产业革命开始，化石资源一最先是煤炭，然后是石油、天然气，就进入了人类社会生活的各个方面，并有力地推动着社会生产力的向前发展；其代价是消耗了地球上大量的自然资源，尤其是能源资源。近年来，世界经济一体化进程推动了一些发展中国家也开始步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。传统化石能源的过度消耗，给生态环境带来很大的压力。煤炭消费造成的煤烟型大气污染、机动车排放的尾气污染，都直接导致了温室效应的产生，严重威胁着人类赖以生存的自然环境。1996年联合国环境署报告指出：“从现在到2020年，全球能源消耗将比现在增长50-100，由此造成温室效应的气体排放将会增加4590，从而带来灾难性的后果”。我国是最大的发展中国家，国民经济的快速腾飞使中国成为目前世界上第二位能源生产国和消费国。进入21世纪以来，石油、煤炭价格的不断攀升，也使我国面临很大的国内经济压力和外部环境压力。虽然我国能源资源总量较丰富，以2006年为例，我国煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13，列世界第三位，但由于我国人口众多，人均资源拥有量在世界上仍处于较低的水平。同时，已探明的石油、天然气资源储量相对不足，人均拥有量仅为世界平均水平的115左右，2003进口石油9100万吨，进口依存度已达36，预测2020年将达60-70。图1.1为我国人均能源资源与世界平均水平比较图，所以我国当前的能源开发利用方式急需转变。为了应对资源短缺，预防全球环境的持续恶化，同时构建一个稳定的可持续发展的未来社会，各国已经掀起开发利用绿色可再生能源的热潮，开发利用新兴的可再生绿色能源已成为紧迫的课题。尤其自20世纪70年代西方发生石油危机以来，世界上掀起了一股寻求替代能源、开发利用可再生能源的热潮。特别是1992年联合国世界图1.1为我国人均能源资源与世界平均水平比较环境与发展大会以后，为了保护日益恶化的人类生存环境，走可持续发展的道路，调整能源结构，大力开发可再生能源已成为世界各国的共识，并形成国际大气候。2005年全球在新的可再生能源产能方面的投资为380亿美元，高于2004年的300亿美元，主要投资于太阳能光伏发电和风力发电，其中风力发电37、太阳能光伏26%,、太阳能热水器11、小型水力发电11、生物质发电和供暖7、地热发电及供暖7。同时，在继续发展海流能、太阳能等能源的基础，再次把注意力投入到广袤的海洋能，如波浪能、海流能、潮汐能、温差能和盐差能等。海洋占地球表面的71%,，作为资源的宝库，是地球上尚未充分开发利用的最大领域，同时又是一种有利于环保的清洁可再生能源。由于海洋处于十分重要的地位，因此各国都在加强发展海洋科学技术，这有利于正在开拓中的海洋可再生能源在不久的未来形成具备一定规模的海洋产业。英国贸工部(Department of Trade and Industry)在2003年seaflow系统运行成功后为英国水下涡轮公司(Marine Current Turbine)提供385万英镑供其开发兆瓦级双叶轮水平轴式海流能发电结构；随后英国政府公布一个5000万英镑的海洋能研究支撑计划，重点用于大规模海洋能电厂的基建工作；同时世界性的投资也在不断增加，美国、加拿大、意大利、挪威等国都已开始研究海洋能的开发利用。近年来，我国也加大了对可再生能源开发的支持力度，积极转变能源战略，在进行经费支持的同时，颁布了一系列的法律法规。2005年，中国政府制定了国家中长期科学和技术发展规划纲要，把能源技术放在优先发展位置，加快推进能源技术进步，努力为能源的可持续发展提供技术支撑；2006年1月1日中国开始实施可再生能源法，制定了可再生能源发电优先上网、全额收购、价格优惠及社会公摊的政策；同时建立了可再生能源发展专项资金，支持资源调查、技术研发、试点示范工程建设和农村可再生能源开发利用；并发布了可再生能源中长期发展规划，提出到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10，到2020年达到15的发展目标。一系列法律法规的颁布必将从促进我国可再生能源利用技术的发展，有利于我国社会、经济、环境的可持续发展。112课题研究的目的及意义地球存在着无限的可再生能源，太阳辐射到地球表面的能量被以生物能、热能等形式存在，并由其衍生出生物质能、海流能、海洋能等可再生能源。不过人类开发与利用地球可再生能源尚受到社会生产力，科学技术、地域分布及经济政治等多方面因素的影响与制约，所以目前开发利用的可再生能源仅占微乎其微的比例，继续发展的潜力巨大。以海流能和潮流能为例，据估计全球可供开发的能量达5001000TWh年。而具体针对我国，根据1 989年完成的中国沿海农村海洋能资源区划对中国沿岸130个水道统计，中国沿岸潮流能理论平均功率为1395x104 kW，还有很多强潮流水道因缺资料尚未包括在内，表1-1为中国沿岸潮流能资源区划。不仅如此，在中国的诸多水道中，很多水道能量密度高，流速大，具备很好的开发前景，特别是浙江的杭州湾口北部和舟山群岛海区的诸水道，最大潮流流速可达4ms，是我国潮流能资源最丰富的地方，其能量密度与欧洲潮流能能量密度最大的地区相当，例如杭州湾口北部为2899kWm2 ，舟山群岛海区的金塘水道为2593kWm2 ，龟山水道为2389kWm2 ，西候门水道为1908kWm2 ，渤海海峡北部的老铁山水道北侧为1741kWm2 ，福建三都澳三都角西北部为1511kWm2，台湾澎湖列岛渔翁岛西南侧为1369kWm2，都具备非常好的开发利用价值。潮流能资源大多集中分布在我国的东北及东南沿海地区，这恰恰可以弥补我国煤炭资源贮存在华北、西北地区，而沿海经济发达地区资源相当较少的缺点，同时开发可再生能源可以大大减少北煤南运、西气东输、西电东送等额外费用。所以，可再生能源的开发利用，对改善能源结构、节省经济发展成本等都具有重要经济意义，对解决能源供需矛盾、促进社会经济可持续发展具有非常大的现实意义。12 国内外海流能发电技术进展1 .2. 1传统的海洋能利用技术对于海水动能的利用，最早可以追溯到中世纪(公元1 2001 500)，当时农民们已经学会筑坝引水，并在海边建磨坊以潮汐为动力柬磨麦子嗍，所以利用潮流的历史悠久。到了近现代，随着工业化经济的发展，人们开始利用潮汐能来发电。从1912年德国在布斯姆建成世界上第一座潮汐发电站，直到上个世纪中期，人类历史进入利用潮汐能发电的高峰期，期问涌现出一大批比较大的潮汐电站，诸如法国在19611967年建设的世界上最大的朗斯潮汐电站(240MW)、1984年加拿大的安娜溲利斯电站(20MW)及1980年中国建造的国内最大的江厦潮汐电站(总装机容量3200kW)都是该时期修建的典范。根据机组结构及原理的不同，潮汐能发电技术可以分为两种：一是利用潮汐的势能束发电，在海湾河口等有利地方，建筑大坝，形成水库，大量蓄积海水，并在坝中或坝旁建造水力发电厂房，利用海洋涨、落的潮位与水库水位形成落差进行发电，如图12所示，大坝式潮汐能发电技术比较成熟，按其运行方式及设备的不同，又可分为单库单向武电站、单库双向式电站，多库联程式电站三种类型二是利用潮汐的动能来发电，印利用潮汐所引起的海水流动所蕴含的动能来推动叶轮旋转，再通过增速系统带动发电机转动发电，采用这种技术是一种潮汐能开发利用的趋势 图12 潮汐发电原理图就目前的潮汐发电技术而言，采用大埂式的潮汐发电技术仍占据主流地位这主要是固为：一方面其发展历史比较长，开发技术比较成熟，另一方面也受到技术发展水平及社会条件的限制，人们都认为利用潮汐的动能比较田难，效率低但是，近年来随着人们对周边环境要求的不断提高，越来越多的人认为大坝式潮汐电站会破坏生态系统，如影响鱼类的生存、鸟类的栖息等，且大坝中淤积的沉积物也会不断腐蚀河口，另外，这种大坝式的潮汐电站需要进行土方施工，建设周期长、投入成本大，所以在2004-2008年的世界近岸式可再生能源报告中，没有把这种筑坝式潮汐发电列为未来发展的关注对象。在经历了上世纪五、六十年代潮汐能开发的大发展以后，对海洋能的开发相对进入了一个比较缓慢的阶段，直到上世纪七、八十年代，随着全球石油危机的出现，研究者们又开始了新一轮次的海洋能开发热潮，而对海流能或潮流能的开发利用形式上，也有了新的发展，其中一个新的研究方向就是把对潮流或海流能的开发从传统的筑大坝封闭式发电方式转变到开放的非筑坝式的结构上来。122新型海流发电技术发展受潮涨潮落、风及海水密度、盐度的影响，浅海水域里存在着巨大的海水流动，其蕴藏的能量也是巨大的，科学家们开始将目光投向这个巨大的能源宝库。与些同时，随着海流能发电机技术的不断成熟，也受到水轮机发电技术的启发，一种新型的非筑坝式的海流发电机构应运而生，与传统潮汐能电站利用潮差的势能来发电所不同，这种新型的开式结构发电装置是利用海流或潮流所蕴含的动能来进行发电的。目前虽然国际上对这种新型海流能发电利用方式的研究起步较晚，但其发展速度非常快。根据叶轮轴线在水流中的空间布置，水下涡轮发电机组又可以分为垂直轴式发电装置和水平轴式发电装置两种。垂直轴式海流发电装置的叶轮轴线与水流方向是相互垂直的，如图13及图14所示；而水平轴式结构的透平叶轮轴线与水流方向是相平行的，但无论哪种结构形式，其工作原理都是相似的。下面就按照这两种分类方式，对它们的技术进展分别进行介绍及总结。1.2.3 垂直轴式海流能发电技术垂直轴式的海流能发电机组，也常被称为潮汐栅栏式结构(Tidal Fence)，它可以采用漂浮式结构也可以采用固定式结构。漂浮式的垂直轴发电机组由垂直轴涡轮及浮简装置组成，涡轮安装在浮筒的下端，浮筒内可以放置齿轮箱及发电机装置等(如图13及14，叶轮的转动通过转轴传递给浮筒内的齿轮箱及发电机。固定式垂直轴发电装置采用的是可以固定在海床上的沉箱结构，叶轮安装在沉箱内部，其余部分与漂浮式结构相似(如图15)，即通过转轴将叶轮的运动传递给上方机舱内的齿轮箱及发电机。当水流流速达到机组的启动流速时，叶轮在水流作用下开始旋转，再通过传动轴(或称转轴)将机械能传递给上方的齿轮箱，再带动发电机旋转发电。 图1. 3加拿大Davis垂直轴涡轮机 图1. 4意大利ENERMAR装置目前对于垂直轴海流能发电装置的研究，基本上都还处于模型样机试验阶段，并未形成产业化应用，而且就当前所有的试验样机功率等级来看，都属于中小型机组，所以研究道路还比较漫长。对垂直轴式海流能发电装置的研制，早在上世纪80年代加拿大的BlueEnergy公司就提出一种Davis叶片垂直轴涡轮机，但进展缓慢，直到2006年9月才在英国的哥伦比亚大学试验水槽安装一台该型样机，且功率不详，图1.3为其原理。图1.4是意大利Naples大学航空工程系PontediArchimedeInternational S.p.A公司资助于20似年在Messina海峡安装的130kw竖轴水轮机模型，它采用的是KOBOLD涡轮结构及传动比为160的齿轮箱增速装置，并可以利用离心力进行叶片的节距调节，装置被命名为ENERMAR，据称它在2米/秒(4节)的水流流速下最大功率为25kw，效率较低，不到20%。另外日本Nihon大学在1996年也对直叶片Darrieus型垂直轴水下涡轮机进行了理论及试验研究。我国的哈尔滨工程大学也于上个世纪80年代开始研究直叶片 垂直轴式的潮流能发电装置，1984年在实验室进行了60W模型样机试验;接着1989年在河流中进行了千瓦级的样机试验.并于2002年设计了70kW双转子漂浮式潮流能试验电站，在浙江舟山市的官山水道进行第一次海试;2005年，在第一次海上试验经验的基础上，在浙江省舟山市岱山县进行了40kW样机的海试试验，如图1. 5所示为其装配现场。 图1. 5哈尔滨40kw垂直轴潮流能发电装置 垂直轴海流能发电装置的优点在于:在双向的潮流环境中，它不需要对水装置即可实现正常工作，即无论水流从任何方向而来，只要达到一定的流速，它都可以正常工作;其次，机组的悬置结构使得电气部分可以置于海面以上，这样可以给维修及安装、调试带来比较大的便利性。但是至今世界范围内研究的垂直轴式海流能发电装置单机功率仍然比较小，试验样机都没有超过100千瓦这个数量级，这与它自身存在的缺点也有很大的关系。首先，从垂直轴海流能发电装置的安装方式上看，它只能采用浮筒式或沉桩式的安装结构方式，对于浮筒式安装来讲，它会很容易风浪影响，我国哈尔滨工程大学的第一台70kW样机就受风浪影响出现损坏现象，所以在后续研制的40kw级“万向II”垂直轴潮流能发电装置时，采用了沉桩式安装结构，依靠机组的自重与海床的摩擦力来固定，但是采用沉桩式结构的机组，由于机组自身重量大，所以给安装运输带来比较大的困难;其次，从垂直轴海流能发电装置的工作原理来看，叶轮在旋转一周的过程中，叶片在第二象限的范围内只产生阻力矩而不产生使叶轮旋转的驱动力矩，如图所示，所以叶轮的自启动特性差，而且整体效率会比较低;第三，由于叶片在旋转一周内，翼形攻角不断地发生变化，使得叶片根本无法一直工作在最佳的翼形攻角处，所以叶轮能够工作的最佳尖速比范围比较小，捕能效率低;第四，叶片位置的周期性变化使得转轴受力也周期性变化，使机组振动较大，转轴及轴承工作条件恶劣。在垂直轴发电技术的国际合作方面，中国和意大利早在1998年就在浙江省舟山地区开展了潮流能资源联合调查1251。2002年双方又开展了透平以及平台的水动力学研究，并谋求在中国的舟山群岛研建百千瓦级的潮流能电站。2006年n月，由世界工业发展组织牵头，意大利与中国在罗马签订了开发海洋流发电项目的合作协议，拟投资400多万采用Archimede公司的kobol涡轮发电技术开发130 kW的潮流能电站，该项目得到国家“863计划的支持，目前已启动样机的试制工作。1.2.4 水平轴式海流能发电技术 水平轴式海流能发电装置(Marine current turbine)，由于与当前主流的海流能发电机发电技术有非常大的相似性，所以也常被称为“ 水下风车 ”(underwater windmill)。其原理是水平布置的叶轮机构在水流的作用下开始旋转，然后通过轮毅、主轴、传动系统将能量传递给发电机，并带动发电机旋转发电，其后续电气系统基本与海流能发电机相似，所以有比较好的研究基础。与垂直轴透平结构相比，水平轴海流能发电装置有具有效率高、自启动性能好的特点，通过变桨距控制机构既可以使机组适应双向的潮流环境，又可以实现机组功率的稳定输出。 在世界范围内，对水平轴式海/潮流能发电技术研究最早的可以认为是上世纪70年代浙江省舟山市沥港大队何世钧工程师，它比英国水下涡轮公司(MCT)的首台试验样机(1994年)早了近20年，虽然是探索性的尝试试验，但它开创了水平轴式海流能发电装置研究的先河，它具备了高度的前瞻性及创造性。当时的试验是在舟山群岛的金塘岛和册子岛之间的峡门一西候门进行的，机组叶轮采用船用螺旋桨式结构，发电机采用8千瓦三相交流三次谐波自激励硅整流发电机，在水流作用下螺旋桨开始转动，通过液力传动把能量传递给船上的液压马达，再由液压马达带动发电机发电。试验共进行21次，最大输出功率5.7千瓦。虽然机组试验取得了原理上的成功，但由于当时的设计技术条件、工艺水平、材料技术及电力电子控制技术的发展水平相对落后，所以在机组的叶片设计、电气控制等方面受到很大的约束，比如叶轮结构直接采用了船用螺旋桨结构，缺乏对叶轮的最大能量捕获及功率稳定控制等方面的研究，甚至在叶片材料的选择方面(比如要求惯量小、抗腐蚀等)也没有深入考虑，几乎在同一时期开展这方面研究的，还有美国的“科里奥利斯”海流能发电装置，但受当时技术条件可行性及经济性等原因的影响随后都相继停止了研究。 随着二十一世纪的来临，全球范围内对水平轴式海流能发电装置的研究又逐渐兴起，同时也受到水平轴式风力发电技术不断成熟的刺激，水平轴式海流能发电技术公司雨后春笋般地发展起来，研究规模越来越大，单机的功率等级已经从千瓦级快速发展到十千瓦级乃至百千瓦级、兆瓦级;研究水平也越来越高，从最初的原理性试验、实验室试验发展到海上现场试验，并取得了非常大的进展。 目前，英国在海流能发电技术方面处于世界领先水平。2003年英国水下涡轮公司(Marine Current Turbine)在Devon郡北部建成300kW水下海流能发电装置 seaflow发电系统，见图1. 6，其叶轮采用双叶片结构、安装方式采用桩结构，叶轮直径为11米，转速为27转/分，据称目前运行仍然良好.其第二阶段样机Sea Cen系统也于2008年3月底实现了顺利安装，其特点是采用了双叶轮结构，单台机组的功率等级达到了1. 2MW，见图1. 7。 2003年挪威在Hamerfest也建成300kw的海流能发电装置样机，图1. 8为其现场安装图，并首次实现了并网运行。以上三台机组突出的特点有以下几个:（1）在目前试验的所有样机中，它们的功率等级是最高的，(2）它采用了电动变桨距机构来适应潮流的双向特性;但是另一方面由于叶轮转速较低，它们都采用了机械式齿轮箱传动方案，所以系统的结构冲击及机械振动明显，同时研究人员也未对系统的变速运行控制进行研究，即在叶轮的最大能量捕获方面比较欠缺。 图1. 6水平轴式发电装置Seafl ou 图1. 7 双叶轮1. 2MW Seagen系统 此外，美国Verdant Power公司2002年12月到2003年1月，在佛罗里达海流进行了35kW海流能发电样机的演示试验，如图1. 13所示。在2006年启动的纽约东河Roosevelt岛潮汐能开发第二阶段的项目中，公司成功完成全尺寸样机试验，于2007安装了六台试验机组，被命名为Free Flow Turbine，并计划未来将单机规模提升至MW级。从图1. 9可以看到，其叶片结构采用了无叶根式的结构，即叶片与轮毅做成一体，这是它最大的特点，而且叶片是经过专门设计的，所以与英国及挪威的机组相比，叶片进行了比较大的改进。 图1. 8 挪威300kw潮流能电站安装 图1. 9 水平轴海流能发电装置近年来，受国家能源战略转变及国内外相关技术不断发展的影响，国内对水平轴式海流能发电装置的研究也逐渐开展起来。2 005年，浙江大学在国家自然科学基金资助下率先进行了SkW级“水下风车”的原理性样机研制，并于2006年4月26日在浙江省舟山市岱山县进行了海上现场试验。同年，东北师范大学在“863”计划海洋监测技术主题的支持下，针对用于海洋探测仪器的低流速海流发电装置进行了研究，发电功率不到2千瓦。2007年浙江大学流体传动及控制国家重点实验室海洋能利用课题组又受国家“863”计划支持开始对水平轴式海流能发电装置的关键技术进行研究，课题组同步开展了20kW级液压式能量传动方案机组与25kW级半直驱式能量传动方案机组的试制，对海流能发电装置涉及的叶片设计方法、传动系统设计、功率稳定性及能量最大捕获理论等进行研究，并为后续的基础性研究奠定了基础。13 小结随着能源危机程度的加深，世界各国都在加大海流能等新能源的利用和开发，尤其是我国能源耗费相对较大，更要积极开发绿色环保能源。针对我国海流能发电面临的问题和挑战，产业初期特别需要加大对研发的投入，随着国家对海流能发电的重视，可再生能源法及实施办法出台，相信我国的海流能发电技术的发展将会快步前进。为了可持续发展，我国的海流能发电产业需要借鉴其他产业的经验教训，要重质量，讲效益，走集约发展路线，创造和谐发展蓝图。2. 海流能发电机的工作原理及基本结构21 海流能海流能发电机的功能单元的划分海流能发电机是一种复杂的机电一体化设备。从能量转换角度看，此类设备大致包括2-1所示的几个功能单元。其中，一次能源转换单元的主要功能是将海流能能转换为旋转机械能；机械能传递单元的主要作用是传动与制动；发电单元将旋转机械能转换为电能；控制与安全系统实现对海流能电机起、停机和发电等运行过程的控制，并保证海流能电机在任何状态下的安全性。控制与安全系统一次能源转换单元机械能传递发电单元图2-1 海流能发电系统的基本功能构成 （1）一次能源转换单元海流能是风力发电的一次能源，相应的能量转换单元是海流能发电机的核心部分，包括叶轮、功率控制（调速）等部件。叶轮是海流能发电机能量转换单元的关键部件，一般由良好的流体动力外形的叶片、轮毂和相应的功率控制机构组成。一次能源转换单元的主要功能是将海流能转换为旋转机械能（转矩），再通过叶轮轴驱动与之连接的机械能传递单元和发电单元。（2）机械能传递单元 机械能传递单元也可简称为海流能发电机的传动链，连接海流能发电机的一次能源转换单元与发电单元，使之组成发电系统。该单元一般包括与叶轮轮毂相连接的主轴、传动和制动机构等。一般海流能发电机的叶轮设计转速较低，需要根据发电单元的要求，通过传动链按一定的速比传递叶轮产生的扭矩，使输入发电机的转速满足海流能发电机发电单元的需要。同时，机械能传递单元还要设置可靠的制动机构，以保证海流能发电机的安全运行。（3）发电单元发电单元一般由发电机和必要的电功率转换系统构成。海流能发电机可采用异步发电机或同步发电机，将叶轮产生的旋转机械能转换为电能。（4）控制与安全系统该系统主要功能可分为海流能发电机运行控制和状态监测两部分：海流能发电机需要自动控制，既能够在无人值守的条件下，保证海流能发电机正常和安全运行；同时又要保证海流能发电机在非正常情况发生时能可靠的停机，以预防或减轻损失。此外，海流能发电机还需要有上述功能部件或子系统的支撑结构，如机舱、密封等。22 海流能发电机的工作原理 在海流能发电机中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。海流能发电机的工作原理如图2-2所示。控制系统反馈系统主传动系统制动装置发电系统测风系统变桨距系统 海流 M1 1 M2 2 P3 变压器 转速测量 海流能发电机 调速 流速、流向 功率测量 图2-2 海流能发电机的工作原理1 能量流当海流以一定的速度经过海流能发电机时，在叶轮上产生的力矩驱动叶轮转动。将海流的动能变成叶轮旋转的动能，两者都属于机械能。叶轮的输出功率为 式中 P1叶轮的输出功率，单位为W； M1叶轮的输出转矩，单位为Nm； 1叶轮的角速度，单位为1/s.叶轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有 式中 P2主传动系统的输出功率，单位为W； M2主传动系统的输出转矩，单位为Nm； 2主传动系统的角速度，单位为1/s； 主传动系统的总效率。主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为 式中 P3发电系统的输出功率，单位是W； UN定子三相绕组上的线电压，单位是V； IN流过定子绕组线电流，单位是A； cos功率因数； 2发电系统的总效率。2 信息流信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急停机。流速、流向、海流能发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。对于变桨距流向，当流速大于额定流速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变叶轮叶片的桨距角，从而控制海流能发电机输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。对于变速型发电机机，当流速小于额定流速时，控制系统可以根据海流的大小发出改变发电机转速的指令，以便使海流能发电机最大限度的捕获海流能。当叶轮的轴向和流向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正叶轮轴的指向，使叶轮始终对准海流方向。当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。实际上，在海流能发电机中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。2.3 海流能发电机的基本结构海流能发电机的结构主要有叶轮系统，密封系统，增速系统，发电系统，支撑安装系统，对流系统等几部分组成，如图2-3所示，下面详细介绍海流能发电机各部分机构零件的功能。图2-3 海流能发电机的结构简图2.3.1 叶轮 叶轮是由叶片和连接叶片和发电机的轮毂组成。其功能是将海流能转换为机械能。叶片采用三片，叶片的材料选用玻璃钢，它是由环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。其强度高，重量轻，耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。轮毂是叶轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到海流能发电机驱动的对象。2.3.2 轮毂 海流能发电机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到海流能发电机驱动的对象(发电机)。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需要有足够的强度。有些海流能发电机采用桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。轮毂是用铸铁或者钢板焊接而成。铸钢在加工前要对其进行探伤，决不允许有夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊接必须经过超生波检查，并按桨叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交应变力引起的焊接缝疲劳。2.3.3 主轴主轴也称低速轴。大中型海流能发电机由于其叶片长、重量大，所以为了使桨叶的离心力与叶尖的线速度不至于太大，其转速一般小于50r/min，因此，主轴承受的扭矩较大。大中型海流能发电机组主轴材料可选用40Cr或其他高强度的合金钢，必须经过调质处理，保证钢材在强度、塑性、韧性3个方面都有较好的综合机械性能，在设计加工图时，必须注明这一技术要求。2.3.4 齿轮箱齿轮箱是海流能发电机组中关键零部件。齿轮箱由齿轮副、箱体和轴承、密封装置、润滑油净化和温控系统等组成，由于海流能发电机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现海流能发电机与发电机匹配，采用增速齿轮箱。在海流能发电机组中，对齿轮箱的要求非常严格，不仅体积小、重量轻、效率高，而且要承载能力大、起动力矩小、寿命长。齿轮箱分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。定轴线齿轮结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动具有传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价高。 2.3.5 发电机 发电机也是海流能发电机组中关键零部件，它的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。发电机可选用同步发电机，同步发电机是目前使用最多的一种发电机，同步发电机的定子与异步发电机的相同，由定子铁心和三相定子绕组组成；转子由转子铁心、转子绕组（即励磁绕组）、集电环和转子轴等组成，转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场。为了便于起动，磁极上还一般装有笼型起动绕组。同步发电机的工作原理：在海流能发电机的拖动下，转子（含磁极）以转速n旋转，旋转的磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为f1的三相对称的感应电动势和电流输出，从而将机械能转化为电能。由定子绕组中的三相对称电流产生的定子旋转磁场的转速与转子转速相同，即与转子磁场相对静止。因此，发电机的转速、频率和极对数之间有着严格不变的固定关系，即：f1=pn/60=pn1/602.3.6 密封系统为防止海水进入机舱,对内部发电机等电气元件造成损坏,整个机舱必须处于完全密封,其中主轴与箱壁间以及对水机构与塔架、机舱间的密封最为复杂,密封处存在旋转运动属于活动轴系密封.在设计中,船尾轴密封、机械密封、活动环密封等结构都是可采用方式,具体结构设计要根据海水压力、轴的转速以及密封造成的摩擦损失等因素进行综合考虑.此外由于海水沙土会对密封面造成磨损,需设计防沙外罩或在机舱内安置水泵产生高于密封面周围水压两倍的水柱冲洗密封接触面。2.3.7 对流装置自然界的洋流，不论是速度还是方向，都经常发生变化。对于水平轴海流能发电机，为了得到最高的海流能利用效率，应使叶轮的旋转面经常对准流向，为此，需要对流装置。一些典型的对流装置，使用尾舵控制对流的最简单的方法，小型海流能发电机多采用这种方式。在海流能发电机两侧装有控制方向的舵轮，多用于中型海流能发电机。2.3.8 塔架塔架的功能是支撑位于水中的海流能发电系统，塔架与基础相连接，承受海流能发电机运行引起的各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个海流能发电机组能稳定可靠地运行。塔架的刚度要适度，其自震频率要避开运行频率的整数倍。海流发电机组的安装方式如图7所示,主要可分为:重力式、打桩式、支架式和漂浮式4种:重力式利用混凝土或钢铁沉箱基础机构的重力使机组保持垂直,其结构简单、造价低、受海底地质成分影响不大,但需要海底地貌勘查,其尺寸和重量都比较大;打桩式一般采用钢管式,安装深度取决于机组型号和海底地质成分.打桩基础制造简单,但受海底地质条件和水深的约束较大,安装需专用设备;多桩式一般为三角桩,桩径较小,钢管桩通过灌浆或桩模与机组塔架连接;漂浮式浮体与水下风车机组连接,漂浮于水下,机组底部由锚泊装置固定.图2-3 海流发电机组的安装方式示意图3. 海流能发电机要零件的设计计算海流能发电机设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证海流能发电机设计质量的必备条件。3.1 海流能发电机总体设计方案海流能发电机是比较复杂的机电装备,且要求较好的性价比。总体设计是平衡这些关系的重要设计过程 ，在某种意义上来说，总体设计可以决定整个设计过程的成败 。由于海流能发电机由多个功能子系统组成 ，机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关 ，以针对叶轮部件的总体设计为例 ，就包括了叶片参数、气动性能、结构强度、制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。有鉴于低成本与高可靠性是现代海流能发电机发展的主要动力和研究热点 ，如何根据设计目标并结合工程经验，在这些复杂因素之间取得平衡关系，满足尽可能高的设备性价比要求，是海流能发电机总体设计的关键所在。以下简要介绍海流能发电机总体设计的主要任务与大致步骤:（1）海流能发电机总体设计方案1 ）总体气动布局方案设计随着海流能发电机单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为海流能发电机设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。2 ）海流能发电机总体参数设计海流能发电机流体动力设计前须首先确定总体参数，如叶轮运行参数、叶片参数、设计流速、尖速比、翼型分布及其流体动力性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。3 ）海流能发电机的总体结构布局设计此阶段是需要从海流能发电机的总体功能角度出发，分析各部件、子系统、附件和设备的布置形式与技术要求，开展对各部件和子系统的技术组成、原理分析、结构形式和功能参数选择等工作。同时需要对整机的结构承力构件布置、承载形式和传力路线进行分析，选择合理的设计分离面和接口形式，以便明确划分各部件设计界面，保证总体设计的质量。4）载荷分析与海流能发电机基本性能的预评估在设计初期，必须对载荷作预评估，以准确确定海流能发电机的结构设计依据。海流能发电机应能够承受正常运行中的任何载荷，同时也具备一定的承受极端载荷的能力。最重要的载荷产生于叶轮及其叶片，且叶轮上的任何载荷都会对其他子系统产生影响。该阶段要注意查阅并依据相关设计标准，结合具体的海流能发电机运行工况要求，对所有载荷都应予以仔细分析评估。5）各部件和子系统的设计方案根据整机总体结构方案，开展包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数及附件的选择等设计工作。设计有关部件的结构方案模型图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。6）配套附件选择和确定整机配套附件和备件等设备，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重的进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有的重大反复，导致设计的失误和延期。上述总体设计的各阶段属于静态设计，设计结果是：海流能发电机总体设计方案图、总体布置图和设计计算报告、海流能发电机性能分析与载荷初步分析报告、各部件和子系统的初步技术要求与设计示意图、系统原理图。（2）海流能发电机结构动力学分析在初步完成海流能发电机总体设计的基础上，需要进一步对海流能发电机动特性进行详细的分析。动特性分析属于海流能发电机结构动力学研究范畴，主要涉及动载荷分析、振动及结构动特性分析等方面的内容。1）动载荷问题作用于叶轮叶片上的周期性气动和机械载荷会引起叶片等构件的动态响应，而此响应反馈于外部气动负荷。因此，这实质上是一种流固耦合响应问题，对叶轮等零部件的疲劳会产生影响。同时，叶片等构件的动负载将合成为叶轮的动负载，也是海流能发电机振动的主要振源。2）振动海流能发电机的运行过程中，始终存在持续的周期性的振动，叶轮、发电机、传动系统及其支撑结构等零部件的设计都必须考虑振动问题。振动会引起结构的损伤或破坏，影响设备的可靠性和可用性。3）稳定性海流能发电机载荷存在复杂的耦合关系，可能会导致各种动力稳定性问题的产生。在海流能发电机发展史上，运行中叶轮与其他机体耦合的结构不稳定性问题造成了许多严重的后果。叶轮的动力不稳定性，包括变距/挥舞不稳定性（经典颤振）、变距/摆振不稳定性及挥舞/摆振不稳定性等。（3）海流能发电机的可靠性设计海流能发电机可靠性量化指标，通常以其可利用率来度量。此种量化指标属于广义可靠性范畴，因其同时包括了海流能发电机可靠性和可维修性等方面的内容。因此，可利用率实际上是一种反应海流能发电机固有可靠性和运行管理可靠性的综合度量指标。3.1.2 海流能发电机零件设计方案（1）海流能发电机部件结构方案设计根据确定的总体气动布局、总体技术参数、设计载荷以及海流能发电机的初步结构方案，开展子系统和部件具体结构的设计。这些子系统或主要的部件有：叶轮（包括详细的叶片结构、轮毂、变桨距机构等）、主传动链（包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动装置等）、发电机系统、机舱和主机架、偏航系统、塔架和基础等。（2）设计准则海流能发电机的零部件很多，相应的结构设计应根据具体的设计要求，参照合理的设计准则进行详细的设计与校核。其中，有些部件（或构件）应采用刚度设计、强度校核的准则；有些则应首先考虑强度要求，并进行必要的刚度分析。（3）零部件强度与刚度分析1）结构的极限强度设计极限强度设计的基本准则是在极端载荷作用下，保证构件的应力不超过材料许用应力，避免发生静载破坏。对于载荷的波动情况，一般需要通过增加许用安全系数加以解决。2）构件刚度分析构件刚度一般是指其抵抗变形的能力，包括在动载荷和静载荷作用的刚度。实际上，构件的刚度分析与强度设计有密切联系，应根据主要构件的具体工况条件和设计要求，考虑合理的刚度指标，并结合强度分析使设计达到优化。3）结构疲劳强度设计疲劳破坏是影响承受交变载荷构件的设计寿命的主要失效形式之一。有鉴于海流能发电机的循环和随机载荷作用条件，许多构件容易发生疲劳失效。因此，需要详细分析主要零部件在海流能发电机寿命期内的循环应力值和循环次数。4）零部件的工程详图设计根据海流能发电机总体与部件结构设计方案，可以开展海流能发电机的工程详图设计根据主要构件的具体工作。设计中需要解决设备总体和零部件的装配、加工等具体技术问题，提供详细的设计技术文件，形成设备制造工程的基础。3.2 海流能发电机设计中的相关理论及概念叶片是风车结构中最重要的，也是受力最复杂的部件。风车运行在随时变化的自然环境中，受力情况复杂，风车叶片的设计是风车设计的。叶片是风车吸收海流能的部件，业是主要的受力部件。设计优良的叶片能够很好的控制载荷，同时最大幅度的提高风车的效率。因此，对风车叶片的设计显得尤为重要。3.2.1 海流能发电机气动设计理论基础由于水平轴式海流发电装置的叶片与风力发电机的桨叶相似，因此可以把该理论用于水平轴海流发电装置设计中。下面将贝茨(Betz)理论做详细的描述，并作为本设计叶片流体动力性的设计理论。世界上第一个关于海流能发电机叶轮叶片接受海流能的完整的理论是1919年由A贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立，是假定叶轮是“理想”的，全部接受海流能(没有轮毅)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的)，这时的叶轮称“理想叶轮”。分析一个放置在移动的空气中的“理想叶轮”叶片上所受到的力及移动空气对叶轮叶片所做的功。设叶轮前方的流速为v1,v是实际通过叶轮的流速。v2是叶片扫掠后的流速，通过叶轮叶片前流速面积s1,叶片扫掠面的流速面积s及扫掠后流速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能。在海流能发电机的设计中做相应的转化。如图3-1所示。 v1-叶片前的流速； v-海流经过叶片时的速度； v2-海流经过叶片后的速度； S1-叶片前的流速的面积； S-海流经过叶片时的面积； S2-海流经过叶片后的面积，于是海流作用在叶片上的力由欧拉定理求得：F=sv(v2-v1) 图3-1 贝茨理论计算简图式中 -海流当时的密度。叶轮所接受的功率为 N=Fv=sv2(v2-v1) 经过叶轮叶片的海流的动能转化 T=sv() 式中sv-空气质量。 N=T v=因此，海流作用在叶轮叶片上的力F和叶轮输出的功率N分别为 F=s（ N=s（v1+v2）流速v1是给定的，N的大小取决于v2，N是v2的函数，对N微分求最大值，得 =s（令其等于0，求解方程，得 v2=v1求Nmax得 Nmax=s=令=0.593为CP，称作贝茨功率系数，有 Nmax=而正是流速为v1海流能T，故 Nmax=CpT Cp=0.593说明海流吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Nmax为风吹过叶片扫掠面积s的海流能的59.3%。贝茨理论说明，理想的海流能对叶轮叶片做功的最高效率是59.3%。 通常海流能发电机叶轮叶片接受海流能的效率达不到59.3%，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25-0.45。贝茨海流能理论是海流能发电机设计的最基本理论。到目前为止还没有发现有突破贝茨海流能效率的海流能发电机。贝茨理论是假想建立在“理想叶轮”的情况下得到的。贝茨理论没有给定理想叶轮叶片的形状、翼型、迎角、叶片扭曲等直接影响叶轮接受海流能的各种条件，因此，在设计海流能发电机时、要注意考虑叶片接受海流能的各种要素.3.2.2叶片设计中的基本概念 贝茨理论提供了流体力学的的基本理论，没有提供海流能发电机叶片的几何形状，因为贝茨理论假定的是理想叶轮。叶轮叶片的几何形状不同则其空气动力特性也不同。在未讨论叶片的几何形状及其空气动力特性之前，先明确几个概念和术语。 (1) 叶尖速比。叶尖速比，简称尖速比，叶轮叶片尖端的线速度与流速v之比，用入来表示 = 式中：V叶片尖端线速度，m/s； v流速，m/s； n叶轮转速，r/min； R叶轮转动半径，m。低速叶轮，取小值；高速叶轮，取大值。表3-1给出了叶轮叶片数与尖速比入的匹配值。表3-1 海流能发电机叶片数与尖速比的匹配尖速比叶片数尖速比叶片数18244352612582433881512 (2) 翼的前缘。在图3-2中，翼的前头A为一圆头，称翼的前缘。 (3) 翼的后缘。翼的尾部B为尖型，即翼的尖尾称翼的后缘。 (4) 翼弦。翼的前缘A与后缘B的连线称翼的弦，AB的长是翼的弦长L，亦称翼弦 图3-2 翼的概念及翼的受力分析 (5) 翼的上表面。在图3-2中，翼弦上面的弧曲，即弧面称翼的上表面。 (6) 翼的下表面。翼弦下部的弧面，即弧面称翼的下表面。 (7) 翼的最大厚度h。翼的上表面与下表面相对应的最大距离称翼的最大厚度h。一般翼的最大厚度距前缘占弦长的20%35%，当厚度表达为弦长的函数称厚弦比或称相称相对厚度，通常为10%15% 。 (8) 翼展。叶片旋转直径，即叶轮转动直径称为翼展。 (9) 叶片安装角。叶轮旋转平面与翼弦所成的角称叶片安装角，在扭曲叶片中，沿翼展方向不同位置叶片的安装角各不相同，用来表示。 (10) 迎角。翼弦与相对流速所成的角称迎角，亦称攻角。 (11) 展弦比。翼展的平方与翼的面积之比，即叶轮直径的平方与叶片面积之比，称展弦比，用来表示 = 式中：平均弦长，m； 叶片面积，m2； R叶轮转动半径，m。(12) 失速。风吹在翼型上时使翼产生升力FL和阻力FD，升力与阻力之比称作翼型的升阻比，用来表示 式中：CL升力系数； CD阻力系数； FL升力，N或KN； FD阻力，N或KN。 升力随迎角的增加而增加，阻力FD随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一临界值acr时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时叶轮叶片突然丧失支承力，这种现象称为失速。表3-2是叶片剖而翼型与升阻比()的关系。在负迎角时，升力系数随负角的增加而减小，达到最小值CLmin；阻力系数随负角的减小而降低，对不同翼型叶片其都能对应一个最小值;而后随迎角的增大而增大。(13) 叶轮。叶轮就是叶片安装在轮毅上的总成。(14) 叶片。叶片是接受海流能的基本部件。叶片的翼型及扭曲、叶片的数量和尖速比都直接影响叶片接受海流能的效率。表3-2 叶片剖面翼型与升阻比的关系海流能发电机种类叶片剖面翼型尖速比（）升阻比（L/D）小型水下风车平板型曲板型风帆型 11020401025微、小型海流能发电机普通翼型风帆型扭曲型343457205010403080中、大型海流能发电机扭曲型51550100(15) 叶片旋转平面。叶片转动时所形成的圆面。(16) 叶轮直径。叶片转动扫掠面的直径，亦称叶片直径。3.3 海流能发电机叶轮系统的设计计算3.3.1叶轮的总体设计直接驱动海流能发电机组的叶轮用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。机组采用三叶片，上流向的布置形式，每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片采用NACA翼型叶片，叶片材料使用强化玻璃钢。叶轮直径为16m，扫风面积为285m2。叶片配备雷电保护系统。当遭遇雷击时，通过间隙放电器将叶片上的雷电经由塔架导入地下。每一个叶片上有一个变桨轴承，变桨轴承连接叶片和铸铁结构的轮毂。叶片桨距角可根据流速和功率输出情况自动调节。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。叶轮通过圆锥滚子轴承同空心轴连接，空心轴固定在机舱底座上。3.3.2叶片设计计算（1）叶轮扫掠面积S的确定海流能发电机的有效功率为NE=kCaCtSv3，故叶轮扫掠面积S为 S= 式中： K单位换算系数，由表取K=0.6127； Ca海水密度换算系数，取Ca=1.13； Ne海流能发电机有效功率，Ne=50KW； v设计流速，取V=10m/s； 海流能发电机全效率。海流能发电机的全效率一般取=25%-50%。低速海流能发电机取小值，1-3叶片高速海流能发电机取大值；选取，取=0.4由以上参数可得： S=285m2 表3-3 海流能发电机功率换算系数K海流能发电机功率单位叶轮叶片扫掠面积S 流速 v功率换算系数 K瓦特（W）平方英尺（f）英里/小时(mile/h)5.08瓦特（W）平方英尺（f）英尺/秒（ft/s）1.61瓦特（W）平方米（）米/秒（m/s）0.6127马力（ph）平方英尺（f）英里/小时(mile/h)6.81马力（ph）平方米（）米/秒（m/s）8.21（2）叶轮直径的确定求出叶片扫掠面积S之后，便可计算出叶轮直径d d=2 (m) 由式可得叶轮直径d=。（3）确定海流能发电机叶片数 海流能发电机的叶片数与海流能发电机的用途有关，与尖速比有一定的匹配，参考表3-2选取。由表3-2，取尖速比=5，则叶片数为3叶片。（4）确定单个叶片的面积Sy海流能发电机接受海流能的效率，与叶片翼型、尖速比等因素有关，同时还与密实比有关。所以密实比就是叶片本身的面积K与叶片扫掠面积S之比。密实比愈高的叶片，其尖速比愈低，叶轮转速也愈低，叶片也愈多。多叶片低转速叶轮启动性能好，适用于海流能发电机抽水、碾米、压缩空气;密实比愈低的叶片，其尖速比愈高，其叶轮转速愈高，叶片数愈少，适合于海流能发电机。 = (m2) 式中：k叶轮叶片数， -密实比。由以上参数可得单个叶片面积 =（5）叶片剖面翼型 翼型对海流能发电机叶片很重要，它直接接影响叶轮的启动及接受海流能的效率。叶片翼型基本_L可分为平板型、风帆型和扭曲型。低速海流能发电机往往采用翼型为平板型或风帆型，它的的迎角在整个叶片上是一样的，效率也不高，但结构简单，易于制造，成本低。现代海流能发电机的叶轮叶片翼型基本上都用扭曲型，扭曲叶片虽然制造困难，但能提高海流能利用率，使海流能发电机获得最佳的海流能功率。所谓扭曲叶片，就是沿叶片长度叶片翼型扭转一定角度，使得叶片翼型各处的安装角不一致，角度由叶根至叶尖逐渐减少，使叶片各处都处在最佳迎角状态，以获得最佳升力，从而提高叶片接受海流能的效率。一些微小型海流能发电机叶片有的是木制的，不易扭曲也可做成等安装角叶片，只是效率低一些。叶片设计选取NACA-4412翼型，在确定叶片剖面翼型的同时，必须注意到翼型的升阻比。从理论上说，升阻比L/D越大越好，但升阻比大到一定限度时叶轮叶片的效率并不一定高，可选取翼型的升阻比L/D=8（6）叶片具体尺寸的确定叶片翼型不同其所接受的海流能亦有差别，为厂表示不同形状的叶片其接受海流能的特征引入叶片形状参数，尖速比愈大，则叶片面积应愈小。叶片接受海流能的效率还与叶片翼型的相对迎流角有关，即与迎角有关，因相对迎流角=+。为使叶片各处接受海流动力一致，叶片各处的安装角就不同，亦即相对迎流角不同，这就是扭曲叶片。随着尖速比的增大叶片的相对迎流角愈小。=2是叶片尖端线速度与流速的比。叶片从转动中心至叶尖不同半径处的尖速比可由下式得： = 式（2-11）中：ri叶片从转动中心至叶尖的不同半径； R叶轮半径，R=8m； 尖速比，=5。现将叶轮分为10个剖面，后面8个剖面间隔0.1R。(a) 利用上式计算各剖面尖速比值；(b) 利用公式确定每个剖面的相对迎风角和安装角；图3-3 海流能发电机叶片设计图(c)根据公式N= 确定每个剖面的形状参数N；(d)由于选取的翼型为NACA-4412翼型，当L/D=100时，由图3-3可知迎角=80，此时升力系数CL=1.1；利用公式L=计算弦长L。 图3-3 NACA-4412翼型 叶轮叶片各参数确定之后，叶片几何形状就可确定，同时叶片实际安装角也可确定，叶片的实际工作位置就确定了。 定桨距叶片就是按计算所得到的实际叶片安装角将叶片固定到轮毅上，不能变动叶片安装角； 变桨距叶片就是叶片用可转动的轴安装在轮毅上，轮载上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，也即同步改变叶片的迎角以满足不同流速条件下(额定流速以上)海流能发电机得到额定功率。变桨距叶片亦称变桨距调速。叶尖失速控制叶片就是叶片大部分固定，仅叶尖部分叶片可以转动改变叶片安装角的叶片。用叶尖失速控制的叶片来调速的称作叶尖失速控制调速。变桨距控制的目的是：使叶片的功角在一定范围（0度-90度）变化，以便调节输出功率，避免了定桨距机组在确定功角后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。在低流速段，功率得到优化，能更好的将海流能转化电能。变桨机组的控制策略为：(a)额定流速以下通过控制发电机的转速使其跟踪流速，这样可以跟踪最优Cp；(b)额定流速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。（7）叶片结构设计海流能发电机的叶轮叶片是接受海流能的最主要部件，叶片的设计要求有高效的接受海流能的翼型，合理的安装角(或迎角)，科学的升阻比、尖速比和叶片扭曲。由于叶片直接迎风获得海流能，所以还要求叶片有合理的结构、先进的材料和科学的工艺以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要求叶片重量轻、结构强度高、疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低:另外，叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。海流能发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。结构上分三个部分。(1)根部:材料一般为金属结构;(2)外壳:一般为玻璃钢;(3)龙骨(加强筋或加强框):一般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。采用玻璃钢叶片，所谓玻璃钢就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，既可增加强度又使叶片表面光滑。本设计采用用玻璃钢抽压或挤压成从叶根至叶尖渐缩的纵梁，其余部分用泡沫塑料填充，蒙皮用23层玻璃纤维缠绕再涂环氧树脂的玻璃钢叶片。3.3.3 轮毂的设计轮毂用于连接海流能发电机的叶片，可以实现叶片桨距角控制，需要有足够的强度。在本设计中，轮毂采用圆柱形结构，该结构铸造性好，材料为QT400-18AL强度较高，可以满足设计要求。3.4 海流能发电机增速器的设计计算传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、 制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据海流能发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是：具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于海流能发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是海流能发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到海流能发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级圆柱齿轮的传动方式。3.4.1传动方案的确定海流能发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表3-7。表3-7 常用海流能发电机组增速箱的形式和应用传递形式传动简图推荐传动比 特点及应用两级圆柱齿轮传动展开式结构简单，但齿轮箱对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大刚度。高速级齿轮布置在原理转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形可部分抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均现象，用于载荷比较平缓场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿分流式结构复杂，但由于齿轮箱对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀，中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半，适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿同轴式减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用同轴分流式每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小50kw海流能发电机增速箱，通常采用展开式圆柱齿轮增速器。本文采用的是2级圆柱齿轮增速箱。3.4.2增速器基本设计要求及设计步骤增速器齿轮箱的主要设计要求如表3-8所示。表3-8 原始设计要求额定功率50kW增速比36输出转速1620r/min输入转速45r/min分度圆压力角20模数5-15增速器设计步骤：(1)根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为圆柱齿轮传动。 (2)确定齿轮传动的结构形式和选择传动方案。(3)根据选定的电机的输入速度和经过增速机构增速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。输入转度36rpm增速机构增速后的输出速度：1620rpm减速器的传动比 为45,对于两级卧式展开式圆柱齿轮减速器的，为了分配均匀取，计算得两级圆柱齿轮减速器高速级的传动比，低速级的传动比。3.4.3传动原理图图3-4 150kW海流能发电机组增速箱传动原理图考虑到150kW海流能发电机功率较大，结构紧凑、高可靠性等特点，本文采用的传动形式如图3-4增速器传动结构分为二级，增速器的输入端连接叶轮，输出端连接发电机，本增速器有以下两个优点(1)效率高，体积小，重量轻，结构简单，传递功率范围大(2)高速级为平行轴圆柱直齿轮传动，合理分配了传动比，实现了平稳输出，降低了振动。 3.4.4 低速齿轮传动设计1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按以上的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2）选用7级精度（GB 10095-88）。3) 材料选择。考虑到制造的方便及小齿轮容易磨损并兼顾到经济性，两级圆柱齿轮的大、小齿轮材料均用合金钢，热处理均为调质处理且大、小齿轮的齿面硬度分别为240HBS,280HBS，二者材料硬度差为40HBS。4）选小齿轮的齿数，大齿轮的齿数为，取。2 按齿面接触强度设计 由设计公式进行试算，即 确定公式内的各计算数值试选载荷系数由以上计算得小齿轮的转矩查表及其图选取齿宽系数，材料的弹性影响系数按齿面硬度的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数 5) 按接触疲劳寿命系数 6)计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1，安全系数S=1 由 得（2） 计算： 1) 带入中较小的值，求得小齿轮分度圆直径的最小值为2) 圆周速度： 3) 计算齿宽： 4) 计算齿宽与齿高比： 模数: 齿高: 5) 计算载荷系数： 查得 动载系数 对于直齿轮 查得使用系数 用插值法查得7级精度小齿轮非对称布置时， 由， 可查得 故载荷系数 6) 按实际载荷系数校正分度圆直径： 7） 计算模数： 3按齿根弯曲强度计算：弯曲强度设计公式为 确定公式内的各计算数值查图得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限;查图取弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力.取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得 计算载荷系数K. 查取齿形系数. 查表得 查取应力校正系数.查表得 计算大、小齿轮的并加以比较. 大齿轮的数值大.设计计算 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数的大小要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的成积)有关,可取弯曲强度算得的模数34. 几何尺寸计算（1） 分度圆直径： （2）中心距： （3）齿轮宽度： 取 , 3.4.5 高速齿轮传动设计1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按以上的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2）运输机为一般工作，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。3) 材料选择。考虑到制造的方便及小齿轮容易磨损并兼顾到经济性，两级圆柱齿轮的大、小齿轮材料均用合金钢，热处理均为调质处理且大、小齿轮的齿面硬度分别为240HBS,280HBS，二者材料硬度差为40HBS。4）选小齿轮的齿数，大齿轮的齿数为，取。2 按齿面接触强度设计 由设计公式进行试算，即 确定公式内的各计算数值试选载荷系数 2) 由以上计算得小齿轮的转矩 3) 查表及其图选取齿宽系数，材料的弹性影响系数，按齿面硬度的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。4)计算应力循环次数 5) 按接触疲劳寿命系数 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1，安全系数S=1 由 得（2） 计算： 1) 带入中较小的值，求得小齿轮分度圆直径的最小值为2) 圆周速度： 3) 计算齿宽： 4) 计算齿宽与齿高比： 模数: 齿高: 5) 计算载荷系数： 根据 ,7级精度，查得 动载系数 对于直齿轮 查得使用系数 用插值法查得7级精度小齿轮非对称布置时， 由， 可查得 故载荷系数 6) 按实际载荷系数校正分度圆直径： 7） 计算模数： 3按齿根弯曲强度计算：弯曲强度设计公式为 确定公式内的各计算数值查图得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限;查图取弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力.取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得 计算载荷系数K. 查取齿形系数. 查表得 查取应力校正系数.查表得 计算大、小齿轮的并加以比较. 大齿轮的数值大.设计计算 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数的大小要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的成积)有关,可取弯曲强度算得的模数2.2，并接近圆整为标准值,4. 几何尺寸计算（1） 分度圆直径： （2）中心距： （3）齿轮宽度： 取 3.5 塔架设计塔架是支撑高位布置海流能发电机的架子，它不仅要有一定的高度，使海流能发电机处在较为理想的位置上（即涡流影响较小的高度）运转；而且还应有足够的强度与刚度，在海流速度增大时，不会使整机倾倒。因此，塔架的设计是海流能发电机机械设计中极为重要的一环，应十分重视。由于剪切效应的影响，流速是随着高度的增加而增大。塔架越高，海流能发电机单位面积所捕捉的海流能越大，但造价，技术要求以及吊装的难度也随之增加。所以，海流能发电机的塔架并非越高越好，而要综合考虑技术与经济这两个因素。这样，塔架的高度实际上就被限制在一定的范围之内。塔架的最低高度为 Hmin=h+C+R 式中： h接近海流能发电机的障碍物高度；取h=2m C由障碍物最高点到叶轮扫掠面最低点的距离（常取C=1.52.0m）； R叶轮半径，R=8m由以上数据可得Hmin=1+2+8=11m， 取H=11m3.6 密封系统的设计密封的可靠性在海流能发电机的设计中至关重要。根据被密封的部件之间是否存在相对运动，将海流能发电机组上的密封分为静密封和动密封两种。对于静密封结构如电缆线的出头、液压管的接头等而言，密封技术相对简单而且成熟，所以不存大的问题;相对于静密封来说，叶轮主轴与机舱间的动密封技术难度比较大，这主要是由于一方面要保证密封的可靠性及长久性，另一方面又要使得密封件的摩擦损耗尽量小以保证机组较高的效率及好的启动特性。鉴于机械密封结构复杂、加工精度及工艺要求较高的缺点，在借鉴船用齿轮箱的密封技术成果的基础上，采用了两只U型密封圈背靠背布置、中间腔加注压力油的密封形式。3.7 制动系统的设计本设计采用三套独立的叶片变桨系统，也可在一套桨距系统出现故障不能顺桨的情况下实现独立刹车。机械刹车安装在发电机内，加压刹车，释压松闸，主要用于将机组保持在停机位置。具体运行过程为（a）当流速持续10分钟（可设置）超过3m/s，海流机将自动启动。（b）随着流速的增加，发电机的出力随之增加，当流速大于10m/s时，达到额定出力，超出额定流速机组进行恒功率控制。（c）当流速高于米/秒持续10分钟，将实现正常刹车（变桨系统控制叶片进行顺桨，转速低于切入转速时，海流能发电机组脱网）。（d）当流速高于28米/秒并持续10秒钟时，实现正常刹车。（e）当流速高于33米/秒并持续1秒钟时，实现正常刹车。（f）当遇到一般故障时，实现正常刹车。（g）当遇到特定故障时，实现紧急刹车。3.8 主梁载荷计算及强度校核在风车叶片设计过程中，需要对其各个工作部分进行校核，以验证是否满足工作要求。本文选择叶片的主梁进行强度校核。 主梁是叶片的承载机构，通常由单向增强纤维构成。其目的是让海流能发电机叶片在总体上和局部上具有足够的强度。作用在叶片上的力在叶片各截面处形成了挥舞弯矩和摆振弯矩，其中挥舞弯矩对主梁起主要作用，在挥舞弯矩的作用下，主梁应满足所需要的力学性能。首先要计算出叶片作用在主梁上的载荷
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