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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯
系別： 機(jī)械工程系
專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)： 機(jī)092
姓名： 范艷東
學(xué)號(hào)： 2009307201
外文出處 Ocean Engineering
附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
簽字：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
海洋工程29（2002）1463－1477
通過油水界面性能數(shù)值模擬的威爾斯渦輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)分析
A.布里托-梅洛，L.M.C.加托，A.J.N.A.薩爾門托
機(jī)械工程系，西班牙優(yōu)秀設(shè)計(jì)員，里斯本技術(shù)大學(xué)av.
Rovisco Pais，1049-001里斯本，葡萄牙
2001年5月22日收到，于2001年8月30日接受
文摘
本文通過研究數(shù)值模擬威爾斯渦輪機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)對整個(gè)設(shè)備的影響，通過渦輪機(jī)最大效率和流率范圍對渦輪機(jī)能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)有影響。渦輪機(jī)振蕩水柱（油水界面）的匹配問題是通過捕捉氣候波動(dòng)和亞速爾群島電源轉(zhuǎn)換器的油水界面被闡明的。這項(xiàng)研究是通過采用一個(gè)基于線性水波理論和在波槽中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臅r(shí)域數(shù)學(xué)模型被執(zhí)行的。結(jié)果是由考慮到威爾斯渦輪機(jī)幾個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬提供的，這個(gè)渦輪機(jī)可以有或者無導(dǎo)流葉片，且使用旁通壓力安全閥。2002愛思唯爾科學(xué)有限責(zé)任公司版權(quán)所有。
關(guān)鍵詞：波能量；振蕩水柱；設(shè)備；威爾斯渦輪機(jī)。
1.介紹
在振蕩水柱（油水界面）波能量轉(zhuǎn)換中，威爾斯渦輪機(jī)已經(jīng)是最常用來解決空氣-電能量轉(zhuǎn)換問題的辦法。這些本質(zhì)上是由一個(gè)開放在底部的入射波前的捕捉氣室、渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的。這個(gè)入射波移動(dòng)激發(fā)在氣室中夾有水質(zhì)量的內(nèi)部自由表面振動(dòng)，并且產(chǎn)生一種低壓往復(fù)流量驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。一些全面的渦輪機(jī)原型已經(jīng)在歐洲國家建造和安裝在發(fā)電廠并且并網(wǎng)發(fā)電，例如安裝在亞速爾群島的500千瓦導(dǎo)流葉片威爾斯單翼機(jī)渦輪機(jī)（法爾考，2000年）和安裝在英格蘭的2×250千瓦雙翼飛機(jī)反轉(zhuǎn)渦輪機(jī)。
設(shè)計(jì)者的最大挑戰(zhàn)是設(shè)備波能量轉(zhuǎn)換器的振蕩性質(zhì)和隨機(jī)分布的波能量資源。這些特性不存在或者幾乎沒有與其他資源技術(shù)的競爭?？諝鉁u輪機(jī)在油水界面轉(zhuǎn)換器中主要是與效率相關(guān)的受流條件（隨即往復(fù)流），比幾乎任何其他應(yīng)用程序中的渦輪機(jī)要求更高。與傳統(tǒng)渦輪機(jī)相比，威爾斯渦輪機(jī)達(dá)到僅有的一個(gè)適度的最高效率，可以在不需要整流閥的往復(fù)流系統(tǒng)運(yùn)行。渦輪機(jī)，一方面必須從空氣的流量中提取能量，在零和一個(gè)振蕩的最大值的每兩個(gè)方向，它反過來有極其大的變化。另一方面，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，一般來說，威爾斯渦輪機(jī)特別的地方是它只在一個(gè)有限范圍的流動(dòng)條件圍繞最高效率點(diǎn)，可以高效率的操作。威爾斯渦輪機(jī)的能量輸出在小流量（流量在一個(gè)波周期中兩次經(jīng)過零）時(shí)被認(rèn)為是低的（或消極的），在大流量時(shí)快速下降，由于氣動(dòng)損失導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片失速。因此，渦輪機(jī)在非常充滿活力的海洋國家或每當(dāng)暴力波峰出現(xiàn)時(shí)將表現(xiàn)不佳。根據(jù)亞速爾群島的工廠，頂部安裝有旁路溢流閥的空氣室可能防止這個(gè)問題。閥門是以控制限制空氣室（根據(jù)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速）最大壓力和吸力來防止瞬時(shí)空氣流量通過渦輪超標(biāo)值土面的空氣動(dòng)力失速轉(zhuǎn)子在秋季葉片鎖所產(chǎn)生的功率輸出。數(shù)值模擬（布里托梅洛等人，1996年法爾考和胡思迪諾1999年）表明，減小渦輪尺寸和大幅度增加年度生產(chǎn)的電能有可能通過使用一個(gè)旁路釋放壓力閥來實(shí)現(xiàn)。此外，最近的研究（理論和模型測試）表明，威爾斯渦輪轉(zhuǎn)子葉片部分的特別設(shè)計(jì)可以明顯擴(kuò)大流率的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)與其他的渦輪葉片設(shè)計(jì)相比較，這種渦輪可以高校的運(yùn)作并減少空氣動(dòng)力損失。且在一個(gè)窄范圍的流量通過通過渦輪時(shí)可以給一個(gè)更高的峰值效率。這就提出了一個(gè)問題：針對總年度的生產(chǎn)電能和考慮采用水動(dòng)力性能的油水界面設(shè)備它更適合空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的渦輪，這樣的渦輪在高效運(yùn)作時(shí)允許一個(gè)更大范圍的流率通過。給一個(gè)更高的效率值和降低流量范圍使渦輪更高效運(yùn)作。此外，有趣的是這個(gè)問題可能在和大程度上依賴于壓力釋放閥。
現(xiàn)在工作的主要目的是探討威爾斯渦輪機(jī)對整個(gè)設(shè)備的影響。因?yàn)闇u輪可以有效運(yùn)行受渦輪的最高效率和流率范圍的影響使旁路溢流閥也被認(rèn)為是渦輪機(jī)的現(xiàn)實(shí)特征。因?yàn)榭諝馐覂?nèi)才生的壓力變化是依賴于渦輪機(jī)特性，壓力安全閥會(huì)影響渦輪機(jī)運(yùn)行，并且能量萃取的水動(dòng)力過程也被修改了。在薩爾門托和布里托梅洛（1996年）的描述中，通過使用時(shí)域數(shù)學(xué)模型，流體力學(xué)的波能量可以轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)能源，而這種時(shí)域數(shù)學(xué)模型基于線性水波理論和在波槽中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)結(jié)果推測，從空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究比例模型和實(shí)證近似電機(jī)損失（布里托梅洛等人，1996年）預(yù)測起飛設(shè)備功率，空氣動(dòng)力能源轉(zhuǎn)換為電能是一個(gè)合適的計(jì)算模型。本文介紹了一些考慮威爾斯渦輪機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，是否有導(dǎo)流葉片和使用壓力釋放閥時(shí)數(shù)值模擬的結(jié)果。渦輪機(jī)油水界面的匹配問題是通過捕捉氣候波動(dòng)和亞速爾群島電源轉(zhuǎn)換器的油水界面被闡明的。
2.線性模型
2.1工廠操作
這個(gè)波線模型考慮一個(gè)油水界面配備一個(gè)威爾斯渦輪機(jī)，一個(gè)無限容量的旁通閥和一個(gè)變速渦輪發(fā)電機(jī)在一組代表海況條件下的操作問題。
眾所周知，威爾斯渦輪機(jī)是展示渦輪壓力降和流量之間的一個(gè)近似線性關(guān)系。然后我們可以把渦輪機(jī)特性寫作為在這個(gè)式子中，和是壓力和流量（渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片開始停止之前）的最大值，這（對于一個(gè)給定的渦輪機(jī)）取決于渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。使用一個(gè)旁路壓力釋放閥可防止渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片失速的發(fā)生。控制閥門是為了確保,然后確保.多余的流量通過閥門進(jìn)入大氣。
旋轉(zhuǎn)部門的慣性是假定足夠大了，以至于旋轉(zhuǎn)速度可能被認(rèn)為是在模擬給定的海況條件下大約恒定的時(shí)間間隔（約15分鐘）。為了電氣能源生產(chǎn)最大化，這可以優(yōu)化為每一個(gè)記錄的典型海況。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速是允許不同的同步速度發(fā)電機(jī)和其價(jià)值的兩倍?？偨Y(jié)產(chǎn)品的實(shí)測表面，卡爾輸出功率與發(fā)電頻率為整體年均電能輸出提供了所有的記錄數(shù)據(jù)。
2.2 水動(dòng)力模型
水動(dòng)力模型是薩爾門托和法爾考（1985年）在壓力模型的基礎(chǔ)之上提出的。根據(jù)油水界面性能的描述提出了2.1節(jié)，封閉氣室控制表面的質(zhì)量平衡是
（1）
在式子中，是氣室內(nèi)由自由表面移動(dòng)的體積流率，Vo表示安靜條件下空氣在氣室中的體積；Pa是大氣壓力，是比熱比。與2.1節(jié)中提到的一樣（即當(dāng)閥門不工作時(shí)）,如果。根據(jù)線性水波理論，氣室內(nèi)由自由表面移動(dòng)的體積流率可以分解為,是衍射流量，由于入射波作用假設(shè)內(nèi)部和外部在恒定大氣壓力下，是輻射流量，由于在平靜水面只有壓力震蕩P(t)。在線性波浪理論的假設(shè)條件下，我們可能會(huì)應(yīng)用卷積定理，以得到一個(gè)依據(jù)脈沖響應(yīng)的線性問題的解決方案（管道和哈維爾，1970），如下所示：
（2）
其中p（t）是空氣室內(nèi)部壓力的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，t表示滯后的時(shí)間，方程（2）中的積分上限表示本瞬間的滯后時(shí)間，因?yàn)檫@個(gè)過程是因果關(guān)系（康明斯，1962年）。脈沖影響函數(shù)hr（t）可以以下方式獲得，即計(jì)算數(shù)值模型油水界面的水動(dòng)力系數(shù)，如wamit（lee等人，1996年）或aquadyn（布里托美羅等人，1999年），或電坦克測試。在這里，我們通過亞述爾群島油水界面波電T1:35的規(guī)模測試，使用一個(gè)估計(jì)的脈沖響應(yīng)函數(shù)獲得自由振蕩的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)（見薩爾門托和布里托美羅，1996年）。
繞射流的時(shí)間序列，也成為被獲得的能量，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的相似模型收到亞速爾群島電網(wǎng)站的一組44海況代表。在這些實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)一個(gè)等價(jià)的空氣壓降模型渦輪設(shè)備。流量可以從函數(shù)的校準(zhǔn)曲線上獲得。衍射流量時(shí)間序列通過求解方程對每個(gè)44海況進(jìn)行估計(jì)（1）（）使用記錄的壓力從實(shí)驗(yàn)中提取能量，并且預(yù)先獲得在瞬間實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行試驗(yàn)性的估計(jì)。
2.3動(dòng)力輸出設(shè)備
動(dòng)力輸出設(shè)備是基于從結(jié)果推斷小規(guī)模渦輪機(jī)測試（加托等人，1996年，韋伯斯特和加托，1999年a，b）和渦輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)損失的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（布里托美羅等人，1996）。渦輪機(jī)軸段t的平均功率已經(jīng)給出了t
（3）
其中L是空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的渦輪扭矩和Lm扭矩，這是由于機(jī)械損失（尤其是軸承損失）。對于失速自由條件下，L接近于一個(gè)二階多項(xiàng)式。為了提供必要的性能數(shù)據(jù)來研究動(dòng)力輸出設(shè)備和氣動(dòng)式的匹配，考慮到轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性比率，利用一個(gè)簡單的線性渦輪流量分析方法修改小型渦輪測試的數(shù)據(jù)。當(dāng)雷諾數(shù)增加時(shí)忽略停轉(zhuǎn)的推遲，應(yīng)考慮修正轉(zhuǎn)矩曲線的渦輪機(jī)的規(guī)模效應(yīng)。這樣做是為了倍增（分）正（負(fù)）值L通過f=0.8/0.706。（它糾正了無后掠NACA0015轉(zhuǎn)子葉片的扭矩曲線，導(dǎo)葉匹配的峰值效率為。假定初步設(shè)計(jì)的渦輪葉片速度的最大值為160ms1，平均輸出電能是由渦輪機(jī)軸上的平均功率減去發(fā)電機(jī)損失得到。這個(gè)模型的發(fā)電機(jī)損失包括焦耳的損失，鐵損失，通風(fēng)損失和機(jī)械損失（布里托美羅等人，1996）。