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河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯
系別： 機械工程系
專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班級： 機092
姓名： 范艷東
學號： 2009307201
外文出處 Ocean Engineering
附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。
指導教師評語：
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設計參數(shù)分析
A.布里托-梅洛，L.M.C.加托，A.J.N.A.薩爾門托
機械工程系，西班牙優(yōu)秀設計員，里斯本技術大學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空氣動力學設計對整個設備的影響，通過渦輪機最大效率和流率范圍對渦輪機能夠有效運轉有影響。渦輪機振蕩水柱（油水界面）的匹配問題是通過捕捉氣候波動和亞速爾群島電源轉換器的油水界面被闡明的。這項研究是通過采用一個基于線性水波理論和在波槽中的實驗模型的時域數(shù)學模型被執(zhí)行的。結果是由考慮到威爾斯渦輪機幾個空氣動力學設計的數(shù)值模擬提供的，這個渦輪機可以有或者無導流葉片，且使用旁通壓力安全閥。2002愛思唯爾科學有限責任公司版權所有。
關鍵詞：波能量；振蕩水柱；設備；威爾斯渦輪機。
1.介紹
在振蕩水柱（油水界面）波能量轉換中，威爾斯渦輪機已經是最常用來解決空氣-電能量轉換問題的辦法。這些本質上是由一個開放在底部的入射波前的捕捉氣室、渦輪機和發(fā)電機組成的。這個入射波移動激發(fā)在氣室中夾有水質量的內部自由表面振動，并且產生一種低壓往復流量驅動渦輪機。一些全面的渦輪機原型已經在歐洲國家建造和安裝在發(fā)電廠并且并網發(fā)電，例如安裝在亞速爾群島的500千瓦導流葉片威爾斯單翼機渦輪機（法爾考，2000年）和安裝在英格蘭的2×250千瓦雙翼飛機反轉渦輪機。
設計者的最大挑戰(zhàn)是設備波能量轉換器的振蕩性質和隨機分布的波能量資源。這些特性不存在或者幾乎沒有與其他資源技術的競爭?？諝鉁u輪機在油水界面轉換器中主要是與效率相關的受流條件（隨即往復流），比幾乎任何其他應用程序中的渦輪機要求更高。與傳統(tǒng)渦輪機相比，威爾斯渦輪機達到僅有的一個適度的最高效率，可以在不需要整流閥的往復流系統(tǒng)運行。渦輪機，一方面必須從空氣的流量中提取能量，在零和一個振蕩的最大值的每兩個方向，它反過來有極其大的變化。另一方面，轉速一定時，一般來說，威爾斯渦輪機特別的地方是它只在一個有限范圍的流動條件圍繞最高效率點，可以高效率的操作。威爾斯渦輪機的能量輸出在小流量（流量在一個波周期中兩次經過零）時被認為是低的（或消極的），在大流量時快速下降，由于氣動損失導致轉子葉片失速。因此，渦輪機在非常充滿活力的海洋國家或每當暴力波峰出現(xiàn)時將表現(xiàn)不佳。根據亞速爾群島的工廠，頂部安裝有旁路溢流閥的空氣室可能防止這個問題。閥門是以控制限制空氣室（根據渦輪機轉速）最大壓力和吸力來防止瞬時空氣流量通過渦輪超標值土面的空氣動力失速轉子在秋季葉片鎖所產生的功率輸出。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的電能有可能通過使用一個旁路釋放壓力閥來實現(xiàn)。此外，最近的研究（理論和模型測試）表明，威爾斯渦輪轉子葉片部分的特別設計可以明顯擴大流率的范圍，在這個范圍內與其他的渦輪葉片設計相比較，這種渦輪可以高校的運作并減少空氣動力損失。且在一個窄范圍的流量通過通過渦輪時可以給一個更高的峰值效率。這就提出了一個問題：針對總年度的生產電能和考慮采用水動力性能的油水界面設備它更適合空氣動力設計的渦輪，這樣的渦輪在高效運作時允許一個更大范圍的流率通過。給一個更高的效率值和降低流量范圍使渦輪更高效運作。此外，有趣的是這個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對整個設備的影響。因為渦輪可以有效運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為是渦輪機的現(xiàn)實特征。因為空氣室內才生的壓力變化是依賴于渦輪機特性，壓力安全閥會影響渦輪機運行，并且能量萃取的水動力過程也被修改了。在薩爾門托和布里托梅洛（1996年）的描述中，通過使用時域數(shù)學模型，流體力學的波能量可以轉化為氣動能源，而這種時域數(shù)學模型基于線性水波理論和在波槽中的實驗模型。根據結果推測，從空氣動力學試驗研究比例模型和實證近似電機損失（布里托梅洛等人，1996年）預測起飛設備功率，空氣動力能源轉換為電能是一個合適的計算模型。本文介紹了一些考慮威爾斯渦輪機空氣動力學設計，是否有導流葉片和使用壓力釋放閥時數(shù)值模擬的結果。渦輪機油水界面的匹配問題是通過捕捉氣候波動和亞速爾群島電源轉換器的油水界面被闡明的。
2.線性模型
2.1工廠操作
這個波線模型考慮一個油水界面配備一個威爾斯渦輪機，一個無限容量的旁通閥和一個變速渦輪發(fā)電機在一組代表海況條件下的操作問題。
眾所周知，威爾斯渦輪機是展示渦輪壓力降和流量之間的一個近似線性關系。然后我們可以把渦輪機特性寫作為在這個式子中，和是壓力和流量（渦輪機轉子葉片開始停止之前）的最大值，這（對于一個給定的渦輪機）取決于渦輪機的旋轉速度。使用一個旁路壓力釋放閥可防止渦輪機轉子葉片失速的發(fā)生?？刂崎y門是為了確保,然后確保.多余的流量通過閥門進入大氣。
旋轉部門的慣性是假定足夠大了，以至于旋轉速度可能被認為是在模擬給定的海況條件下大約恒定的時間間隔（約15分鐘）。為了電氣能源生產最大化，這可以優(yōu)化為每一個記錄的典型海況。渦輪機轉速是允許不同的同步速度發(fā)電機和其價值的兩倍?？偨Y產品的實測表面，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。
2.2 水動力模型
水動力模型是薩爾門托和法爾考（1985年）在壓力模型的基礎之上提出的。根據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量平衡是
（1）
在式子中，是氣室內由自由表面移動的體積流率，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（即當閥門不工作時）,如果。根據線性水波理論，氣室內由自由表面移動的體積流率可以分解為,是衍射流量，由于入射波作用假設內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條件下，我們可能會應用卷積定理，以得到一個依據脈沖響應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）是空氣室內部壓力的時間導數(shù)，t表示滯后的時間，方程（2）中的積分上限表示本瞬間的滯后時間，因為這個過程是因果關系（康明斯，1962年）。脈沖影響函數(shù)hr（t）可以以下方式獲得，即計算數(shù)值模型油水界面的水動力系數(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，使用一個估計的脈沖響應函數(shù)獲得自由振蕩的瞬態(tài)實驗（見薩爾門托和布里托美羅，1996年）。
繞射流的時間序列，也成為被獲得的能量，優(yōu)化實驗的相似模型收到亞速爾群島電網站的一組44海況代表。在這些實驗中生產一個等價的空氣壓降模型渦輪設備。流量可以從函數(shù)的校準曲線上獲得。衍射流量時間序列通過求解方程對每個44海況進行估計（1）（）使用記錄的壓力從實驗中提取能量，并且預先獲得在瞬間實驗中進行試驗性的估計。
2.3動力輸出設備
動力輸出設備是基于從結果推斷小規(guī)模渦輪機測試（加托等人，1996年，韋伯斯特和加托，1999年a，b）和渦輪機以及發(fā)電機損失的經驗數(shù)據（布里托美羅等人，1996）。渦輪機軸段t的平均功率已經給出了t
（3）
其中L是空氣動力學產生的渦輪扭矩和Lm扭矩，這是由于機械損失（尤其是軸承損失）。對于失速自由條件下，L接近于一個二階多項式。為了提供必要的性能數(shù)據來研究動力輸出設備和氣動式的匹配，考慮到轉子穩(wěn)定性比率，利用一個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。當雷諾數(shù)增加時忽略停轉的推遲，應考慮修正轉矩曲線的渦輪機的規(guī)模效應。這樣做是為了倍增（分）正（負）值L通過f=0.8/0.706。（它糾正了無后掠NACA0015轉子葉片的扭矩曲線，導葉匹配的峰值效率為。假定初步設計的渦輪葉片速度的最大值為160ms1，平均輸出電能是由渦輪機軸上的平均功率減去發(fā)電機損失得到。這個模型的發(fā)電機損失包括焦耳的損失，鐵損失，通風損失和機械損失（布里托美羅等人，1996）。