垂直轴潮流能水轮机转子结构设计【含CAD图纸、说明书】
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任 务 书设计(论文)题目:垂直轴潮流能水轮机转子结构设计 学生姓名: 学 号: 专 业: 所在学院: 指导教师: 职 称: 20xx年 2月 27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:垂直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2300KW垂直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。根据竖轴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,对垂直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、 垂直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。4主要参考文献: 1 马勇,张亮,马良,陈展. 竖轴水轮机式潮流能发电装置开发现状与发展趋势J. 科技导报. 2012(12)2 李志川,张学伟,张亮,刘文东. 固定偏角垂直轴潮流能水轮机叶片安装位置试验研究J. 可再生能源. 2012(04)3 朱成章. 中外非化石能源的统计分析J. 低碳世界. 2011(02)4 张亮,罗庆杰,韩荣贵. 垂直轴潮流能水轮机叶片偏角优化J. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)5 王树杰,李冬,赵龙武,鹿兰帅,王超. 柔性叶片水流发电模型实验研究J. 太阳能学报. 2010(03)6 吕新刚,乔方利,赵昌,夏长水. 海洋潮流能资源的数值估算以胶州湾口为例J. 太阳能学报. 2010(02)7 姜劲,张亮. 基于遗传算法的竖轴变攻角潮流能水轮机性能优化研究J. 哈尔滨工程大学学报. 2010(01)8 王树杰,李华军,李冬,鹿兰帅,单忠德,赵龙武. 潮流能柔性叶片水轮机水动力学特性分析J. 高技术通讯. 2009(11)9 李春祥,胡文悌,代泽兵,卞祥. 基于频域分析垂直轴风力发电机组旋转主轴的风致动力疲劳J. 振动与冲击. 2009(07)10 刘宏伟,李伟,林勇刚,马舜. 水平轴螺旋桨式海流能发电装置模型分析及试验研究J.11何祚庥. 实现可再生能源和化石能源的优势互补J.太原科技.2009(02)12 黄胜,张维新,李凤来. 蹼板式水流发电装置实验研究J. 哈尔滨工程大学学报. 2005(01)13 张亮,汪鲁兵,李凤来,张桂湘. 竖轴变攻角潮流发电水轮机性能预报流管模型研究J. 哈尔滨工程大学学报. 2004(03)14 邓隐北,熊雯. 海洋能的开发与利用J. 可再生能源. 2004(03)15 郑志南. 海洋潮流能的估算J. 海洋通报. 1987(04)太阳能学报. 2009(05)16 M. Kalantar,S.M. Mousavi G. Dynamic behavior of a stand-alone hybrid power generation system of wind turbine, microturbine, solar array and battery storageJ. Applied Energy . 2010 (10)17 W.M.J. Batten,A.S. Bahaj,A.F. Molland,J.R. Chaplin. Hydrodynamics of marine current turbinesJ. Renewable Energy . 2005 (2)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: 20xx 年 12 月23 日 压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要垂直轴水轮机是目前市面上广泛研究制造的一种海洋潮流能转换装置。本文主要是针对300KW的垂直潮流发电机进行机构设计与研究,对水轮机进行力学研究,验证垂直轴水轮机能够符合市场需求从而进行推广生产。本文主要从垂直轴水轮机的工作原理入手从而进行下一步的设计与零部件的选择。本文首先对市面上的垂直轴水轮机进行探究寻找出常见可行的水轮机结构并对结构进行特点分析,找到适合本设计的水轮机机构形式。文章主要从发电机、叶轮、增速器以及其他辅助设备着手进行分析,根据计算和查表选择出适合本设计的机构零件,通过CAD图的形式进行展现。本设计是基于理论分析研究与市场调研相结合,力争设计在验证垂直轴水轮机优势的同时发现其更加广阔的市场运用。 关键词:垂直轴水轮机;结构设计;前景展望AbstractVertical shaft turbine is made extensive research on market at present is a Marine tidal current energy conversion device. This article is mainly aimed at 300kw mechanism design and the research trend of vertical generator, the mechanics study on the turbine, validation of vertical shaft turbine can meet the market demand to promote production.The main idea of this article is for vertical shaft turbine is analyzed with mechanics for the working principle of various agencies to take the next step of structure design and the selection of components.This article first to explore the vertical shaft turbine on market to find out the common feasible turbine structure and the structure characteristics of the analysis, find suitable for the design of water turbine institutional formArticle mainly from the generators, impeller, speed-up machine and other auxiliary equipment to analyze, choose according to calculation and look-up table is suitable for the design of mechanism parts, through the CAD drawings in the form of show.This design is based on the research and market research, the combination of theoretical analysis to design in the validation of vertical shaft turbine advantage at the same time found that the more broad market application.Key words: vertical axis Tidal Current Turbine;The structure design;outlook目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1 课题研究的背景以及意义11.2 目前国内外的研究现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内的发展现状32 垂直轴潮流能水轮机总体布局设计52.1 垂直轴潮流能水轮机的工作原理52.2 垂直轴潮流能水轮机的典型形式63 垂直轴潮流能水轮机的结构设计与选择73.1 发电机的选择73.2 叶轮设计73.2.1 叶片参数计算73.2.2 传动转向装置的设计73.3 增速器设计9 3.3.1设计要求93.3.2增速器主要参数的计算103.4 辅助部件设计124 结 论14参考文献15致 谢16II1 绪 论1.1 课题研究的背景以及意义 自从人类进入了21世纪以来,能源消耗量越来越大,地球资源的有限性和人口的激增决定了我们要利用一切科学技术手段寻求新能源供应。我国人口众多,资源虽然丰富但是人均资源占有率却偏低,这个基本国情决定了我国要想发展就必须要摒弃不可持续发展之路,积极投身于新能源的研究之中。 化石燃料的日益枯竭让人们意识到必须要找到新的能源供给。这时占地球总面积71%的海洋成为了各国开发研究的重点,海洋的水资源取之不尽用之不竭,其中最具有代表性的就是潮汐能,潮流能,波浪能。潮汐能源一方面是一种可循环资源符合现代可持续发展的要求,另外一方面潮汐能源污染少利用率高是人类以后可研究开发利用的重要领域。 由于潮流能与潮汐能产生机理类似,所以本文着重研究了潮流能。因为其能自身的条件限制,所以现在的潮流能发电站都分布在海区、海口。最早的潮流能研究可以追溯到上世纪70年代,随着科学技术的不断发展,人们对潮流能发电技术也日趋成熟,各方面的发电设备也是比比皆是,科学技术的发展使得潮流能发电运用步入了一个新的台阶。 传统的水利发电主要是利用水流的压力差来驱动发电机的叶轮转动从而达到发电的效果,这样的发电方式一方面使得发电的成本增加另外一方面由于大坝的蓄水也会使得生态环境遭到破坏,显然这种方式并不完全符合我们的可持续发展的战略部署,而潮流发电针对这两项缺陷进行了调整,目前的潮流能水轮机大多是无压降低头水轮机,这样的水轮机无需建设栏河大坝,相较于传统的发电方式在发电生产成本上有了一个质的提高,在提高发电效率的同时减少了成本,控制了对生态环境的污染。 潮流能水轮发电机作为潮流能发电的主要能量转换装置,它的工作性能直接影响到整个发电效率,因此,有人也说潮流能水轮机是潮流发电的生命和动力之源。潮流能水轮机主要由发电机,叶轮,增速器和其他辅助设备组成。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。 中国是一个人口大国,资源小国,资源分配不平衡是制约我们经济发展的重要问题,在东部地区会出现电力紧张而在西部边远地区甚至会出现电力不能完全供应的情况,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 目前国内外的研究现状 潮流能水轮发电机的设计直接影响到了整个发电机组的工作效率,因此,各国也在这方面做出了艰苦卓绝的研究,下文将从国内外发展现状进行介绍。1.2.1 国外发展现状 在1983年,法国的Blue Energy公司设计出了一款20KW垂直轴水轮发电机设备他们将其命名为Davis,(如图1.1所示),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。 1998年英国的salter教授设计出了一种无主轴的垂直轴水轮机the polo(如图1.2所示)。 2010年美国的Gorlov教授凭借自己所设计的GHT水轮机(如图1.3所示)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。 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1.4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。 图1.1 法国Blue Energy公司Davis 图1.2 英国 the Polo 图1.3 美国GHT水轮机 图1.4英国Neptune Proteus1.2.2 国内的发展现状 我国在潮流能水轮机方面的研究一直不落后于欧美国家,经过我国科研人员多次的试验与研究,我国在潮流能发电领域已经取得了相当大的进步。 早在1958年,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,但是由于早期设备以及技术的相对落后,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70kw(如图1.5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。 2011年,哈尔滨工程大学再次自主设计研究出了潮流能水轮机“海明 I”并点亮了“海上升明月”灯塔(如图1.6所示),此电站选用了原动机水平轴叶轮,发电机则是选择了永磁式直驱发电机,发电容量可以达到10KW1,为了能在涨潮和退潮时都能汲取到能量,科研人员为水轮机设计了转向装置,大大的提高了潮流能利用率。 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 图1.5 万向 I 图1.6 海明 I号6 第2章 垂直轴潮流发电水轮机总体布局设计2 垂直轴潮流能水轮机总体布局设计 目前市场上采用的潮流能水轮机主要分为两类:一类是垂直轴潮流能水轮机,另一类则是水平轴潮流能水轮机,通过对比发现,垂直轴潮流发电水轮机不受俩来流方向的限制,因此,本文主要探索了垂直轴潮流能水轮机。 2.1 垂直轴潮流能水轮机的工作原理 由经典流体力学知识可知,液体流动的动能可表示为2: (2-1) 其中,代表分析流体质量,v代表流体流速。 若流管的横截面积为,每秒通过流管的流体体积为,则流体体积为: (2-2) 该体积流体的质量为: (2-3) 其中,代表分析流体的的密度()。 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。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,其中的机械能在通过内部的传动装置转化为电能达到水利发电的效果。,因此,能利用率系数,将起到非常关键的作用。 利用贝茨理论简单的推导可以得出结论3: 2.2 垂直轴潮流能水轮机的典型形式 目前市场上的垂直轴潮流水轮发电机主要有两种类型:一种是升力型另一种则是阻力型。前者利用潮流对叶片的升力作用摄取能量,后者顾名思义则是利用潮流对叶片的阻力来摄取能量。考虑到升力型水轮机能提供较高的能量利用率和适用范围广的特点,因此,市面上大多采用升力型水轮机。根据叶片的安装方式来看,垂直轴潮流发电水轮机也可分为固定桨距式和变桨距式,固定桨距式的叶片只会围绕主轴公转,叶片相对于安装轴的位置不变;变桨距式则不仅可以围绕主轴公转而且还能围绕自身的安装轴自转,很明显后者的能量利用率更高,但考虑到实际运用层面,变桨距式目前仍处于试验研究阶段且只能用于低容量的水轮机设计之中,因此,本文优先选用固定桨距式水轮机。 垂直轴潮流能水轮机按结构形式也可分为两类:一类是通过锥齿轮传动将叶轮的运动传动给增速器,如图2.1所示,另一种则是通过主轴直接传递给增速器,如图2.2所示,本文优先选用了锥齿轮传动方式。 图2.1 锥齿轮传动 图2.2 主轴传动 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4;潮流最大流速;设计流速。 第3章 垂直轴潮流发电水轮机的结构设计与选择3 垂直轴潮流能水轮机的结构设计与选择3.1 发电机的选择 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,因此,这款发电机需要订做。 3.2 叶轮设计3.2.1 叶片参数计算 目前水轮机叶片的数目暂时还没有明确的规定,但是由种种规律研究显示在低速工作条件下,潮流发电水轮机的能量利用率系数会随着叶片的增加而有较大幅度的提高,但是叶片的数量也不是越多越好,随着流速的增加,多叶片水轮机的叶片之间会形成相互干扰,因此,本文选用了三叶片模式,叶片的类型为NACA 0018,叶片相对厚度为。 通过查询机械手册可知,水轮机传动的综合效率为,则本文中垂直轴潮流水轮发电机的设计轴效率为: 则垂直轴水轮机叶轮直径D和叶片长度B均可求得 综合数据整合可得到水轮机的叶轮直径为,叶片长度。3.2.2 传动转向装置的设计 由于使用锥齿轮传动,发电机与叶轮不在一个旋转平面内,故需要加装一个传动装置把叶轮与发电机连接起来,本设计主要采用了锥齿轮传动方式。 锥齿轮的初定参数:传动比 ,工作使用寿命为10年,输入功率;输出转矩。材料可选择,精度等级为IT7级,使用油淬回火处理。 (1)转矩计算5 (2)根据查表可取载荷系数 (3)齿数的选取 根据标准齿数的选取范围在24-40之间,考虑到本设计所需要的锥齿轮,因此,齿数暂取40,因为,本文设定的传动比为1,所以,两齿轮的齿数均取40。 (4)许用接触应力 根据查表可得 则故 所以 故根据表格取标准模数 (5)主要参数的计算 (6)齿根弯曲疲劳强度校核 根据查表可得齿形系数 应力修正系数. 因为,所以齿根的弯曲强度校核合格6。 锥齿轮的相关参数如下表(3.1)所示表3.1锥齿轮参数一览表732403841280201.00.23.3 增速器设计3.3.1设计要求 增速器在水利发电和潮流能发电中起到了关键的作用,本文使用的是行星齿轮增速器,它具有体积小、质量轻等优点。针对本文所需的行星齿轮啮合设计参数有:中心轮齿数,内齿轮齿数,行星轮齿数;齿轮模数;输入轴直径,输出轴直径,行星齿轮直径,轴直径与安装齿处的直径一致。 本文根据设计需求选择了型行星齿轮增速器,增速器的基本参数如下:输入转速;发电机的转速;发电机的功率;增速比,其基本简图如图3.1所示。 图3.1 增速器设计简图 3.3.2增速器主要参数的计算 行星轮增速器的齿数配比公式 本文选择的名义传动比,行星齿轮数量非变位直齿轮传动,则本文所取的基本参数如下表(表3.2)所示。表3.2 行星齿轮传动配齿表29521335.86231561435.612940711825.55(1)齿数 为了减少机械冲击对机构的影响,本文选择的中心齿轮数尽量的多一些,中心齿轮数。根据表上表的传动配齿表可得中心轮齿数,行星轮个数。则内齿轮齿数为: 根据上表可选择内齿轮齿数取143,为了满足的条件限制,所以行星轮齿轮数取56。 (2)模数 齿轮传动作用的不同决定了模数标准选择的不同,为了防止发生断齿现象,故模数一般不小于,并优选第一序列8。 通过公式可计算出齿轮的模数,通过查询机械手册国标可得出模数取。 (3)齿宽 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,因此既要考虑布置方式又要保证校核要求。 (4) 齿轮啮合参数计算 由上述参数,中心距和为: 由于两齿轮副的中心距相等,因此,行星齿轮传动系统能够同时满足传动比和非变位同心的要求。 根据上述的计算结果,我们可以确定齿轮的模数,齿数,故行星齿轮基本参数如下表3.3所示9表3.3 行星齿轮基本参数一览表 (5) 齿轮强度校核 根据邻接条件验算准则10: 本式子中和代表齿顶圆直径和半径(mm),代表相邻行星轮间的中心距(mm)。 计算数据均满足要求,因此满足邻接条件。 由于上文已经进行同心条件检验且以满足,因此不在进行重复检验。 安装条件检验 行星齿轮的正确安装条件公式为 则代入数据 符合行星齿轮的安装规则。3.4 辅助部件设计 (1)轴的选取与校核轴的选取关于轴的计算方法有很多,比如按当量弯矩近似计算、安全系数进去校核以及扭转强度法。本文优先选用了扭转强度法。根据材料力学相关知识,可以得知轴的估算公式为 根据上文所得数据可得,,选择叶轮主轴作为研究对象,故取380mm.根据同样方法可以得出其他轴的直径。 介于键槽会对轴的直径有影响,一般单键槽轴段的直径要加大10%,双键槽轴段的直径应该加大15%11,通过圆整处理获得合理的轴径根据上述公式可以的出水轮机系统各部分的最小轴径并如下表所示。 表3.4 最小直径参数叶轮主轴直径锥齿轮输入轴直径锥齿轮输出轴直径增速器低速轴直径增速器高速轴直径行星轮轴直径数值380380380380250205 轴的校核 本文所选择的轴的材料为,本文根据需求仅对主轴进行强度校核。 主轴的扭转强度校核公式为: 符合强度设计要求。 (2)轴承选择与校核 轴承是机械设计中一个至关重要的零部件,本文选择的是轴段直径为400mm,轴承需要同时承受径向力与轴向力,根据这些条件本文选择了深沟球轴承。 轴承的主要校核是对其使用寿命的校核,因此校核公式为: 式中,为轴承温度系数;代表不同工况下的载荷系数;代表轴承工作时的当量载荷系数();代表基本额定载荷12,根据机械手册可知,代表轴承的寿命系数。 本文中轴承的当量载荷系数公式为 通过计算分析可得当量载荷系数,根据实际工作情况选择的相关系数知道轴承寿命。根据机械手册可以知道,对于某些全天工作的机械而言,例如船舶、通风机等使用场合预期使用寿命为,则,故本设计选择的轴承校核结果合格13。 (3)键的选取 键的作用是实现轴和轴上零件的轴向固定传递扭矩,通常根据安装段轴径尺寸来确定键的尺寸,本文所采用的是平键联接,主要失效形式是工作表面压溃,但是平键更少出现此状况,当单键达不到要求时可以使用双键,同时根据键连接方式的不同可以进行合理布置,强度校核中双键通常按1.5个键处理14。 (4)联轴器的选取 工作中由于制造、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这些情况的出现我们会是使用联轴器在缓解复杂工况下的载荷冲击减少对机器的磨损。在选择联轴器的时候要同时满足两个条件:联轴器的传递扭矩不大于联轴器的公称转矩且不大于联轴器校核许用转矩。 根据计算和实际调查研究选择相应的GY型凸缘联轴器15。13 第4章 结论4 结 论 本文是以300KW的垂直轴潮流能水轮机作为研究对象进行总体设计并运用机械设计的相关知识进行结构设计,垂直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算设计。垂直轴水轮机目前作为新能源在市场上仍然有广阔的空间,如果能够合理利用那么我们以后生活中将获得极大的便利,可以解决我国中西部能源不均的问题。14 参考文献参考文献1 座底式水平轴潮流能转换装置设计研究. 崔林. 哈尔滨工程大学硕士论文-20122 竖轴潮流发电水轮机动力学分析. 李熠 ,孔凡凯 . 哈尔滨工程大学3 风气机空气动力学M .吴双群 ,赵丹萍. 北京大学出版社-20114 竖直H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟博士学位论文. 孙科. 哈尔滨工程大学-20075 机械设计基础第三版. 陈立德. 高等教育出版社 6 蓄热式加热炉内热工特性分析和优化研究. 李鹏.东北大学硕士论文-20117 超载预裂加固之后力学性能研究. 崔志武. 河北工业大学硕士论文-20078 机械设计M. 杨恩霞. 哈尔滨工程大学出版社-2006 9 机械原理M. 郑文纬 ,吴克坚. 高等教育出版社-200710 材料力学M. 欧宝贵, 朱加铭. 哈尔滨工程大学出版社-200711 矿井提升机主轴系列产品的CAD/CAE研究. 张诗键-辽宁工业大学硕士论文12 王树杰,李华军,李冬,鹿兰帅,单忠德,赵龙武. 潮流能柔性叶片水轮机水动力学特 性分析J. 高技术通讯. 2009(11)13 刘宏伟,李伟,林勇刚,马舜. 水平轴螺旋桨式海流能发电装置模型分析及 试验研究J 14 W.M.J. Batten,A.S. Bahaj,A.F. Molland,J.R. Chaplin.Hydrodynamics of marine current turbinesJ. Renewable Energy .2005 (2)15 M. Kalantar,S.M. Mousavi G. Dynamic behavior of a stand-alone hybrid power.generation system of wind turbine, microturbine, solar array and battery storageJ. Applied Energy . 2010 (10)15 致谢致 谢在为期半年多的毕业设计学习中,我在指导老师的帮助下取得很大的进步,姜劲老师对我悉心指导,遇到问题及时指正,在遇到困难时及时给予我们帮助,在这里我要真诚的对姜劲老师说一声谢谢。在本次毕业设计中不仅仅是姜劲老师,我还要感谢我的同学和朋友,大家能在一个毕业设计小组里面一起学习,一起奋斗本身就是一种缘分,在遇到不懂得问题时,我们一起讨论共同进步,就是有了这样一个良好的学习氛围才能够保证我能够顺利的完成本次毕业设计,因此在这里我还要一同感谢他们,这次毕业设计让我知道了很多,学习了很多,很多时候我们并不是一个人在战斗,当自己遇到问题的时候,团队的力量就显示了出来,大家一起学习,一起娱乐,一起成长。 16毕 业 设 计(论 文)外 文 参 考 资 料 及 译 文 译文题目:hydraulic-turbines and hydro-electric power 水轮机和水力发电学生姓名: 学 号: 专 业: 所在学院: 指导教师: 职 称: 20xx年 2月 27日hydraulic-turbines and hydro-electricThere has been practically no increase in the efficiency of hydraulic turbines since about 1925, when maximum efficiencies reached 93% or more. As far as maximum efficiency is concerned, the hydraulic turbine has about reached the practicable limit of development. Nevertheless, in recent years, there has been a rapid and marked increase in the physical size and horsepower capacity of individual units.In addition, there has been considerable research into the cause and prevention of cavitation, which allows the advantages of higher specific speeds to be obtained at higher heads than formerly were considered advisable. The net effect of this progress with larger units, higher specific speed, and simplification and improvements in design has been to retain for the hydraulic turbine the important place which it has long held at one of the most important prime movers. 1、types of hydraulic turbinesHydraulic turbines may be grouped in two general classes: the impulse type which utilizes the kinetic energy of a high-velocity jet which acts upon only a small part of the circumference at any instant, and the reaction type which develops power from the combined action of pressure and velocity of the water that completely fills the runner and water passages. The reaction group is divided into two general types: the Francis, sometimes called the reaction type, and the propeller type. The propeller class is also further subdivided into the fixed-blade propeller type, and the adjustable-blade type of which the Kaplan is representative.1.1 impulse wheelsWith the impulse wheel the potential energy of the water in the penstock is transformed into kinetic energy in a jet issuing from the orifice of a nozzle. This jet discharge freely into the atmosphere inside the wheel housing and strikes against the bowl-shaped buckets of the runner. At each revolution the bucket enters, passes through, and passes out of the jet, during which time it receives the full impact force of the jet. This produces a rapid hammer blow upon the bucket. At the same time the bucket is subjected to the centrifugal force tending to separate the bucket from its disk. On account of the stresses so produced and also the scouring effects of the water flowing over the working surface of the bowl, material of high quality of resistance against hydraulic wear and fatigue is required. Only for very low heads can cast iron be employed. Bronze and annealed cast steel are normally used.1.2 Francis runnersWith the Francis type the water enters from a casing or flume with a relatively low velocity, passes through guide vanes or gates located around the circumstance, and flows through the runner, from which it discharges into a draft tube sealed below the tail-water level. All the runner passages are completely filled with water, which acts upon the whole circumference of the runner. Only a portion of the power is derived from the dynamic action due to the velocity of the water, a large part of the power being obtained from the difference in pressure acting on the front and back of the runner buckets. The draft tube allows maximum utilization of the available head, both because of the suction created below the runner by the vertical column of water and because the outlet of he draft tube is larger than the throat just below the runner, thus utilizing a part of the kinetic energy of the water leaving the runner blades.1.3 propeller runnersnherently suitable for low-head developments, the propeller-type unit has effected marked economics within the range of head to which it is adapted. The higher speed of this type of turbine results in a lower-cost generator and somewhat smaller powerhouse substructure and superstructure. Propeller-type runners for low heads and small outputs are sometimes constructed of cast iron. For heads above 20 ft, they are made of cast steel, a much more reliable material. Large-diameter propellers may have individual blades fastened to the hub.1.4 adjustable-blade runnersThe adjustable-blade propeller type is a development from the fixed-blade propeller wheel. One of the best-known units of this type is the Kaplan unit, in which the blades may be rotated to the most efficient angle by a hydraulic servomotor. A cam on the governor is used to cause the blade angle to change with the gate position so that high efficiency is always obtained at almost any percentage of full load.By reason of its high efficiency at all gate openings, the adjustable-blade propeller-type unit is particularly applicable to low-head developments where conditions are such that the units must be operated at varying load and varying head. Capital cost and maintenance for such units are necessarily higher than for fixed-blade propeller-type units operated at the point of maximum efficiency.2、 thermal and hydro-power As stated earlier, the turbine blades can be made to run by the energy of fuels or flowing water. When fuel is used to produce steam for running the steam turbine, then the power generated is known as thermal power. The fuel which is to be used for generating steam may either be an ordinary fuel such as coal, fuel oil, etc., or atomic fuel or nuclear fuel. Coal is simply burnt to produce steam from water and is the simplest and oldest type of fuel. Diesel oil, etc. may also be used as fuels for producing steam. Atomic fuels such as uranium or thorium may also be used to produce steam. When conventional type of fuels such s coal, oil, etc. (called fossils ) is used to produce steam for running the turbines, the power house is generally called an Ordinary thermal power station or Thermal power station. But when atomic fuel is used to produce steam, the power station, which is essentially a thermal power station, is called an atomic power station or nuclear power station. In an ordinary thermal power station, steam is produced in a water boiler, while in the atomic power station; the boiler is replaced y a nuclear reactor and steam generator for raising steam. The electric power generated in both these cases is known as thermal power and the scheme is called thermal power scheme.But, when the energy of the flowing water is used to run the turbines, then the electricity generated is called hydroelectric power. This scheme is known as hydro scheme, and the power house is known as hydel power station or hydroelectric power station. In a hydro scheme, a certain quantity of water at a certain potential head is essentially made to flow through the turbines. The head causing flow runs the turbine blades, and thus producing electricity from the generator coupled to turbine. In this chapter, we are concerned with hydel scheme only.3、 classification of hydel plants Hydro-plants may be classified on the basis of hydraulic characteristics as follow: run-off river plants .storage plants.pumped storage plants.tidal plants. they are described below.Run-off river plants.These plants are those which utilize the minimum flow in a river having no appreciable pondage on its upstream side. A weir or a barrage is sometimes constructed across a river simply to raise and maintain the water level at a pre-determined level within narrow limits of fluctuations, either solely for the power plants or for some other purpose where the power plant may be incidental. Such a scheme is essentially a low head scheme and may be suitable only on a perennial river having sufficient dry weather flow of such a magnitude as to make the development worthwhile.Run-off river plants generally have a very limited storage capacity, and can use water only when it comes. This small storage capacity is provided for meeting the hourly fluctuations of load. When the available discharge at site is more than the demand (during off-peak hours ) the excess water is temporarily stored in the pond on the upstream side of the barrage, which is then utilized during the peak hours.he various examples of run-off the river pant are: Ganguwal and Kolta power houses located on Nangal Hydel Channel, Mohammad Pur and Pathri power houses on Ganga Canal and Sarda power house on Sarda Canal.The various stations constructed on irrigation channels at the sites of falls, also fall under this category of plants.(2) Storage plantsA storage plant is essentially having an upstream storage reservoir of sufficient size so as to permit, sufficient carryover storage from the monsoon season to the dry summer season, and thus to develop a firm flow substantially more than minimum natural flow. In this scheme, a dam is constructed across the river and the power house may be located at the foot of the dam such as in Bhakra, Hirakud, Rihand projects etc. the power house may sometimes be located much away from the dam (on the downstream side). In such a case, the power house is located at the end of tunnels which carry water from the reservoir. The tunnels are connected to the power house machines by means of pressure pen-stocks which may either be underground (as in Mainthon and Koyna projects) or may be kept exposed (as in Kundah project).When the power house is located near the dam, as is generally done in the low head installations ; it is known as concentrated fall hydroelectric development. But when the water is carried to the power house at a considerable distance from the dam through a canal, tunnel, or pen-stock; it is known as a divided fall development.(3) Pumped storage plants.A pumped storage plant generates power during peak hours, but during the off-peak hours, water is pumped back from the tail water pool to the headwater pool for future use. The pumps are run by some secondary power from some other plant in the system. The plant is thus primarily meant for assisting an existing thermal plant or some other hydel plant.During peak hours, the water flows from the reservoir to the turbine and electricity is generated. During off-peak hours, the excess power is available from some other plant, and is utilized for pumping water from the tail pool to the head pool, this minor plant thus supplements the power of another major plant. In such a scheme, the same water is utilized again and again and no water is wasted.For heads varying between 15m to 90m, reservoir pump turbines have been devised, which can function both as a turbine as well as a pump. Such reversible turbines can work at relatively high efficiencies and can help in reducing the cost of such a plant. Similarly, the same electrical machine can be used both as a generator as well as a motor by reversing the poles. The provision of such a scheme helps considerably in improving the load factor of the power system.(4) Tidal plantsTidal plants for generation of electric power are the recent and modern advancements, and essentially work on the principle that there is a rise in seawater during high tide period and a fall during the low ebb period. The water rises and falls twice a day; each fall cycle occupying about 12 hours and 25 minutes. The advantage of this rise and fall of water is taken in a tidal plant. In other words, the tidal range, i.e. the difference between high and low tide levels is utilized to generate power. This is accomplished by constructing a basin separated from the ocean by a partition wall and installing turbines in opening through this wall.Water passes from the ocean to the basin during high tides, and thus running the turbines and generating electric power. During low tide,the water from the basin runs back to ocean, which can also be utilized to generate electric power, provided special turbines which can generate power for either direction of flow are installed. Such plants are useful at places where tidal range is high. Rance power station in France is an example of this type of power station. The tidal range at this place is of the order of 11 meters. This power house contains 9 units of 38,000 kW. Hydro-plants or hydroelectric schemes may be classified on the basis of operating head on turbines as follows: low head scheme (head60m). They are described below:(1) Low head scheme.A low head scheme is one which uses water head of less than 15 meters or so. A run off river plant is essentially a low head scheme, a weir or a barrage is constructed to raise the water level, and the power house is constructed either in continuation with the barrage or at some distance downstream of the barrage, where water is taken to the power house through an intake canal.(2) Medium head schemeA medium head scheme is one which used water head varying between 15 to 60 meters or so. This scheme is thus essentially a dam reservoir scheme, although the dam height is mediocre. This scheme is having features somewhere between low had scheme and high head scheme.(3) High head scheme.A high head scheme is one which uses water head of more than 60m or so. A dam of sufficient height is, therefore, required to be constructed, so as to store water on the upstream side and to utilize this water throughout the year. High head schemes up to heights of 1,800 meters have been developed. The common examples of such a scheme are: Bhakra dam in (Punjab), Rihand dam in (U.P.), and Hoover dam in (U.S.A), etc.The naturally available high falls can also be developed for generating electric power. The common examples of such power developments are: Jog Falls in India, and Niagara Falls in U.S.A.水轮机和水力发电从1925年开始,水轮机的最高效率达到93%或稍微高一点就没有再提高了。就最大效率而言,水轮机的对水能的利用率已经达到了实际发展的极限了。然而,在最近几年里,水轮机的大小和单机容量却增长的很快。另外,人们还对引起空蚀的原因以及怎样预防空蚀做了很多的研究,这些研究使得我们能够在高于以前认为的合适水头下获得更高的比转速。更大的机组,更高的比转速,以及水轮机的设计上的简化和改进,这几个方面的进步使得水轮机一直以来在作为原动力之一拥有很重要的地位。1、水轮机的类型水轮机可以分为两大类:冲击式水轮机利用高速水流冲击水轮机的一小部分时产生的动能;反击式水轮机利用充满转轮和过水道的水流所拥有的水的压力和流速两者相结合来获得动力。反击式系列又分成两种通用的型式:弗朗西斯式(有时称作反击式)以及旋桨式。旋桨式又进一步再分为定轮叶式水轮机和以卡普兰式代表的转叶式水轮机。1.1冲击式水轮机在冲击式水轮机上,压力钢管中的水从喷嘴孔口中射出,这时水的的势能转换成动能。射流自由地射入水轮室内的空气中,撞击在转轮的碗状戽斗上。戽斗每旋转一周进入射流、经过并从射流转出一次。在这段时间内戽斗承受着射流的全部冲击力。这种冲击力产生一个高速锤击冲打在戽斗上。与此同时,戽斗受到离心力的作用而有脱离它的座盘的趋势,由此而产生的应力以及水流在戽斗的碗状工作面上的冲刷作用都很大,因而需要选用能抵御水力磨损和疲劳的高质量材料,一般都采用青铜和韧化铸钢,只有水头很低时才能用铸铁。1.2弗朗西斯式转轮就弗朗西斯式水轮机来说,来自蜗壳或水槽内的流速较低的水,通过位于转轮周围的导叶或一些闸门,然后流经转轮,并从转轮泄入安置在尾水位以下而不与大气相通的尾水管内。由于水充满所有的水道并作用在转轮的整个周围,因此,仅有一小部分动力来自水的流速所引起的动力作用,而大部分动力则都通过作用在转轮叶片前后工作面上的压力差取得。尾水管可以使能利用的水头得到充分的利用,这一方面是由于转轮下面垂直水柱所产生的吸出作用,另一方面是由于尾水管的出口面积大于紧接转轮下喉管的面积,从而使水流离开转轮叶片时的一部分动能得以利用。1.3旋桨式转轮旋桨式机组最适用于低水头电站,在它适用的水头范围内,已产生了显著的经济效果。这种水轮机的转速比较高,以致使发电机的价格较低,并使发电厂房的水下结构和水上结构的尺寸都比较小。低水头、小功率的旋桨式转轮,有时用铸铁来制造。水头高于20英寸时,都用一种更为可靠的材料铸钢来制造。大直径的螺旋桨可用单个叶片固定在轮毂上制成。1.4转叶式水轮机转叶旋桨式水轮机是从定轮叶旋桨式水轮机发展而成的。卡普兰式水轮机是这类水轮机中为人们最为熟悉的一种。它的叶片可由液压伺服器调整到效率最大的角度。利用伺服器上的凸轮能使叶片的角度随阀门的开启位置而变化,从而在所有各种满负载百分率情况下都能保持高效率。由于转叶旋桨式水轮机组在闸门各种开度情况下效率都高,因此,它特别适用于那些必须在变负载和变水头条件下运行的低水头电站上。当然,这种机组的投资费用和维护费用要高于只能在一个最大效率点上运行的定轮叶旋桨式水轮机组。2、火电和水电如上所述,涡轮机叶片是由燃料或流水的能量带动的。用燃料产生蒸汽驱动蒸汽涡轮机时,所产生的电称为火电。由于产生蒸汽的燃料是一般燃料如煤、燃料油等,或是原子能燃料即核燃料。直接燃烧煤产生水蒸气,煤是最简便、最古老的一种燃料。柴油等也可以作为产生蒸汽的燃料。原子燃料如铀、钍也可用于产生蒸汽。用传统燃料如煤、燃料油等(称为矿物燃料)产生蒸汽来带动水轮机时,这种发电厂一般称为普通火力发电厂或热电厂。但当原子燃料用于产生蒸汽时,这种发电厂(基本上属于火力发电厂)称为原子能发电厂或核电厂。一般火力发电厂是用锅炉产生蒸汽的,而原子能发电站是用核反应堆和蒸汽发生器代替锅炉产生蒸汽的。这两种情况产生的电能称为火电。该系统称为火力发电系统。然而,用流水的能量驱动水轮机时,所产生的电称为水电。这种系统称为水力发电系统,而发电厂称为水力发电厂或水电站。在水电系统中必须使具有一定势能和一定数量的水流流经水轮机。势能使水流动,驱动水轮机的叶片,这样与水轮机连接的发电机就发出电能。本章只涉及水力发电系统的内容。 3、水力发电站的种类 根据水力特性把水力发电站分为下列几种:径流式电站,蓄水式电站,抽水蓄能电站,潮汐电站。各类电站分述如下:(1)径流式电站这类电站是在河流上游无适宜的水库的情况下利用河流最小流量的电站。有时修建拦河堰坝,把水位提高并保持在预定的数值,只允许在很小的范围内变化。它可以单独为电站服务,或者主要为其他目标服务,兼顾电站。这种方案基本上是一种低水头方案,它仅适用于枯水季流量值得开发的常年性河流。径流式电站通常具有很小的蓄水库容,有径流时方能利用。这个很小的蓄水库容是为满足每小时负荷的变化而设立的。当河道的来水流量大于发电需要时(在非峰荷期间),多余的水量就暂时蓄存在拦河建筑物上游的小水库中,以供峰荷期间使用。径流式电站有诸多例子:楠加尔海德尔运河的冈古瓦尔和科拉水电站,恒河的默罕默德普尔和帕特里水电站以及萨尔达运河的萨尔达水电站。在灌溉渠道的跌水处修建的电站也属于径流式水电站。(2)蓄水式电站蓄水式电站基本都有一足够大的上游蓄水库,贮存季风季节到干旱夏季的径流量,从而提供一个比枯季最小流量大得多的稳定流量。在这种设计方案中,水坝拦河修筑,电站可以布置在脚下,如巴克拉、希陶库德,里亨得工程等。电站也可能位于大坝下游很远的地方。在这种情况下,电站位于水库输水隧道的末端。输水隧道借助于压力水管与电站的机械装置连接,压力水管可能在地下(如迈吞和高勒工程),也可能在地上(如孔达工程)。当电站位于大坝附近时,它一般采用低水头发电装置,这种电站称为集中落差式水力发电工程;但是当水流从大坝经过渠道、隧道或压力水管长距离输送到电站时,则称为分散落差式水力发电工程。(3)抽水蓄能电站抽水蓄能电站在峰荷期间发电,但在非峰荷期间,又把水从尾水池抽回到蓄水前池供以后使用。抽水机是由该系统其它电站的辅助电力驱动的。因而,这类抽水蓄能电站主要用于协调现有的火电站或别的水电站。在峰荷期间,水从水库流入水轮机而产生电能。在非峰荷期间,利用其他电站的剩余电能,从尾水池抽水到前池,因而这个较小的电站为另一个较大的电站补充电能。在这样的系统中,同样的水量被一次又一次的重复利用,而没有被浪费。为了利用在1590米之间变化的水头,已制造出一种可逆式的水泵水轮机,它既可以作为水轮机也可作为水泵。这种可逆式水轮机可高效率地运转,有助于减少这类电站的投资。同样,同一种电力设备既可做发电机,又可通过电极的互换而用作马达。这个系统中的设备非常有助于提高电力系统的负载系数。(4)潮汐电站用潮汐电站发电是近现代的成就。它是根据海水在高潮期上升、在落潮期下降的原理工作的。海水一日涨落两次。每次涨潮周期大约是12小时25分。潮汐电站就是利用水位涨落的效益,换言之,就是利用高低潮之间的水位差进行发电的。为此,要修建一个水池,用隔墙和大海隔开,关在隔墙的孔洞里安装水轮机,就可以发电。在高潮期间海水流入水池,驱动水轮机发电。在落潮期间,水又从水池流回海洋。只要安装一种在两个水流方向都能发电的特种水轮机组,就能利用流回海洋的水流进行发电。这类电站在潮差大的地方是很有用的。法国的朗斯电站就是这类电站的一个例子。那里的达到11米。该站拥有九台机组,装机容量为38000千瓦。根据水轮机的工作水头,可把水电站(或水电系统)分为下列几种:低水头系统(落差小于15米);中水头系统(落差变化在1560米);高水头系统(落差大于60米)。现分述如下:(1)低水头系统低水头系统使用的水头小于15米左右。径流式电站基本上属于低水头电站。在该系统中,修建拦河坝提高水位,电站或建在拦河坝的一端或建在坝的下游,离拦河坝有一定距离的地方,通过引水渠把水送往电站。(2)中水头系统中水头系统使用的水头变化在15米到60米左右。因此该系统基本上是一种大坝水库系统,尽管大坝的高度不很大。在低水头和高水头系统之间,该系统在某些地方是有其优点的。(3)高水头系统高水头系统使用的水头大于60米。为了在上游蓄水和全年都能用水,要求建造有足够高度的大坝。已经发展的高水头系统的坝高已达1800米,该系统常见的例子如印度旁遮普省的巴克拉大坝,印度北方邦的里亨得大坝,美国的胡佛大坝等。高度较大的天然落差也可用来发电。这类动力开发的一般例子如印度的乔喀瀑布和美国的尼拉瀑布。
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