三组设计说明书

涡激振动发电装置设计者：韩孝彬崔加旺曹月健指导教师：金昌福涡激振动装置设计说明书2一.设计简介及设计的背景与意义设计简介：本装置是一种新型水流发电装置它借助于流体力学中的涡激振动现象，通过本装置收集传动机构将振动体往复运动转化为单向转动，带动发电机获取电能。涡激振动装置的发明背景与意义随着经济的蓬勃持续的高速发展，经济大国尤其是中国等金砖四国对于油气能源的需求量不断增加。虽然由于探测技术和开采技术的进步，发现了储量可观的可供开采的新油气资源，然而化石资源总量有限且日渐枯竭。我国近年来经济持续高速发展对能源提出了更高的需求，同时由于我国能源结构仍以煤炭作为主要的一次性能源，而成为最大的二氧化碳排放国。同时，我国也面临着日益艰巨的能源安全的挑战，作为贮藏量丰富的海洋能将是化石能源的替代者。鉴于如此，开发海洋中所蕴藏的丰富可再生能源对于解决未来能源安全问题和抑制全球气候变暖意义重大。相对于其它各种海洋能形式，潮流能作为一种相对容易开发的能源形式，近年来得到了较大的发展，主要利用能量转换装置把潮汐引起的海水往复运动产生的动能转化为装置运动部件的机械能，带动发电机发电。目前，潮流能发电形式主要是水轮机。考虑到我国的具体海洋环境，我国虽有长达5000多公里的海岸线及较丰富的潮流能储藏量。根据统计，我国沿海地区130个可利用水道中的潮流能蕴藏量约有13948.5MW，大部分分布在浙江省、福建省沿海，如舟山地区某些水道，潮流的流速可以达到3m/s以上。与世界上潮流能资源最好英国、挪威等国家相比，我国沿海的潮流总体流速偏小，水深较浅。尤其是在我国的北方沿海地区，有相当多潮流流速在1.0m/s左右的海域。由于潮流涡激振动装置设计说明书3能的能量密度与流速的立方成正比，因此在潮流流速较低的海域利用水轮机开发海流能，势必需要增大潮流能装置的尺度，对水深也提出了更高的要求，同时由于水轮机需要一定的起转流速，在流速较低时很难实现有效的能量转换。水轮机要在潮流流速在大于1.5m/s时才能有较好的效益。这样一方面造成许多潮流能资源的浪费，也阻碍了潮流能利用技术在更大范围内推广。因此开发一种能够适合低流速下潮流能有效转换的装置，对于我国尤其是北方潮流流速偏低海域的潮流能开发具有重要意义。基于涡激振动原理的潮流能转换装置是一种新型的开发潮流能方式，在较低的流速情况下，可以将流体的动能高效地转化成潮流能转换装置的动能，继而转化成电能。出于以上考虑，有必要对利用涡激振动原理的潮流能转换装置进行研究。数十年来，学者和工程师们一直认为涡激振动是一种有害现象，当流体流过结构物在其后形成流场的涡泄频率与结构物的固有频率相近时引起共振，当振幅大到一定程度时则会引起结构物的损坏，因此对涡激振动研究的重点和目的在于如何减小涡激振动对于海洋立管、桥梁等结构物的负面影响，避免由此引起的疲劳破坏。然而，研究发现，在流速不高的情况下，可以产生很大的振幅，流体的动能大部分被振动体吸收，形成稳定的周期性振荡运动。M.M.Bernitsas教授将这一现象应用到潮流能转换装置中。通过有意识地引起和增强涡激振动，使潮流的动能转换为振动体振动的动能，从而实现潮流能的高效转换。美国密歇根大学最先提出了一种VortexInducedVibrationsAquaticCleanEnergy(VIVACE)装置。它是一种基于涡激振动原理的潮流能转换装置，能将潮流水平流动的动能转化为其运动部件的横向振动，然后通过机械传动带动发电机发电。根据实验结果，该装置甚至可以在低于1m/s的涡激振动装置设计说明书4流速下发出电能，这意味着在全世界大多数有潮流的水道中都可以工作。这种装置如能得到广泛应用，将大大扩展可利用的潮流能资源范围，缓解能源紧缺问题。涡激振动原理的获能装置亦可以优化我国能源结构、促进清洁能源开发、应对气候变化、发展低碳经济等具有战略意义。二．设计原理及基本参数2.1设计原理在均匀来流中，任何非流线型的物体浸没其中，会在物体的背流面形成交替泄放的漩涡，由于漩涡的泄放在物体表面产生不均匀的压强，进而物体受到流向和横向的脉动压力。此时如果物体的移动自由度大于零，则会在脉动压力的作用下诱发物体的周期性振荡。与此同时，物体的振荡运动又会改变边界剪切层分离点的位置，泄放的漩涡发生改变。漩涡作用在物体表面的压强产生变化，改变物体的振荡运动，将物体和流体间的相互耦合作用称为涡激振动。粘性流体遇到圆柱体时，阻滞效应导致流体与固体的边界层压力增大，沿着圆柱体迎流面向背面不断扩展。当流体惯性力占主导时(即雷诺数值较大时)，边界层会在截面径向位置最大处脱离圆柱体表面，此时在圆柱体表面分离点的剪切层速度为零，此后剪切层中靠近圆柱体的内层速度变的与来流方向相反。由于剪切层内层速度小于剪切层的外层，因此便会诱导产生漩涡并且在两侧交替泄放，泄放的漩涡过程如图：涡激振动装置设计说明书5具体的漩涡泄放机理如图2-2所示，边界层在分离点脱离物体面形成漩涡，继而向后伸展形成剪切层，剪切层间为尾流区，漩涡不断地在其中交替产生及泄放。在圆柱体的背流面泄放的漩涡会在背流面产生逆流，其速度假设为v，如图所示。这样在圆柱表面上下两侧产生速度差，由于流体速度与压强的关系，圆柱体表面产生不均匀的压强，进而产生压力差形成升力FL，若圆柱体是弹性支承的，那圆柱体便会在压力差的作用下运动。升力FL的数值和方向与漩涡泄放的进程息息相关：升力随着漩涡泄放的进行，数值不断减小；方向在漩涡不同侧的泄放时发生改变。由于漩涡的泄放在圆柱体的两侧交替进行，因而升力FL是周期性的脉动力。当水中振动系统的固有频涡激振动装置设计说明书6率在升力F频率附近时，流体与振动系统间的就可实现共振。与此同时，与圆柱体也会受到顺流向的拖曳力FD，其力的方向不会发生变化但大小随着漩涡泄放而周期性的变化。由此可知同为周期性升力FL周期是拖曳力FD周期的2倍或拖曳力FD的频率是升力FL频率的两倍，即圆柱体两侧泄放的一对漩涡构成升力FL的周期，而单侧泄放的漩涡构成拖曳力FL的周期。相对升力FL与拖曳力FL周期或是频率的确定关系，经过实验测量，两者的大小关系相差一个数量级。2.2基本构参数1.雷诺数在涡激振动的研究中，雷诺数Re一直是重要的研究重点，其数值的大小对于涡激振动的响应产生非常大的影响。近期的实验研究表明，在不同的雷诺数区间，涡激振动的响应强度不同，在某些较大的区间高雷诺数下，涡激振动的振幅远高于现有的实验数值。其数学表达式为：其中，U表示流体的流速，D表示圆柱体的直径，表示流体的运动涡激振动装置设计说明书7粘度，雷诺数的物理意义是流体惯性力与剪切力的比值，根据雷诺数的不同可以将圆柱体的尾流进行划分。2.斯特罗哈数对于圆柱体的绕流研究，斯特罗哈数St是联系流体的漩涡泄放频率、流速和圆柱体几何特征的媒介，它流体绕流产生尾流的不稳定性和边界层分离与圆柱体的尾流泄涡频率联系起来。其数学表达式为：式中，fs表示尾流漩涡的泄放频率，D表示圆柱体的直径，U表示流体的来流速度。斯特罗哈数St是一相对稳定的无量纲参数，具有明显的鲁棒性。3.振幅比振幅比A*是一个无量纲的参数，在利用涡激振动原理获取海洋能中的潮流能时，需要较大的振幅比数值。因此，利用涡激振动潮流能转换装置需要比较持续稳定的较大振幅比，这与之前海洋立管研究的方向正好相反。其数学表达式为：式中，A表示涡激振动响应的振幅，D表示圆柱体的直径。涡激振动装置设计说明书8三．涡激振动装置的设计Ⅰ.光轴滑块运动机构：a.光轴滑块机构结构图b.工作原理光轴滑块机构不仅可以大大减少摩擦力，使振子获得的能量更加充分的传递到发电机，而且限制了别的方向的自由度，是的振动只能横向进行，使得能量的转换更加方便。Ⅱ.弹性连接机构a.弹簧连接图涡激振动装置设计说明书9b.工作原理此为弹性连接，可以使得涡激振动进一步放大，增大振幅。III.燕尾槽机构a.燕尾槽结构图b.工作原理燕尾槽机构，可以使得装置面对不同的流速海水，方便的改动振子的长度，减小了工作量，节约了人力成本。IV.摇杆曲柄机构a.摇杆曲柄机构图涡激振动装置设计说明书10b.工作原理当达到最大振动时，由连杆组成的摇杆曲柄部分开始工作，将单一的往复直线运动转换成单向的转动带动发电机产生电能。四．涡激振动的优势1）成本低廉：装置主体结构为圆柱振动体，其加工成本相较水轮机叶片机构要低很多，在规模化布置时，只要解决了能量汇集问题，整体成本也可以得到很好控制。2）可规模化布置：当多个振动体并列或者串列安放时，通过合理控制无量纲间距可以使振动体之间的振动得到一定程度的加强。为规模化布置振动体提供可能。3）适应可变流向：现有常规水轮机往往只在面对某一方向来流时才能有效获取能量，而本装置对于不同方向来流都会产生同样的往复运动。对流向没有严格限制，这一特性对利用周期性往复流动的海洋潮流具有很高的实用价值。4）工作可靠安全：装置稳定的往复摆动工作，可避免水中杂物缠绕而导致装置停止工作的现象。低频摆动相对于高速旋转运动对于水中生物生存的影响要小得多。五．涡激振动的结构图及运动简图涡激振动装置设计说明书11整体三维结构图涡激振动装置设计说明书12整体的二维三视图装置运动简图涡激振动装置设计说明书135.1主要零件的三维及二维图形机架连接架涡激振动装置设计说明书14支架燕尾槽连接器涡激振动装置设计说明书15下侧板弹簧