基于场调制电机的用于桨后能量回收利用的涡轮发电装置.docx

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基于场调制电机的用于桨后能量回收利用的涡轮发电装置

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【摘要】

提出一套用于桨后能量回收利用的船用涡轮发电装置，通过利用尾流能量带动螺旋桨工作，螺旋桨带动发电机工作产生电能回馈船体，进而实现船舶推进的节能增效。该装置主要包括涡轮叶片、永磁直驱发电机、储能变换器等。

【关键词】

场调制电机；螺旋桨；涡轮发电；节能增效；尾流能量

1、引言

随着社会经济发展与现代工业体系的进步，化石燃料等能源的消耗量飞速增长，其排放量也随之增长，且国际油价增长速度越来越快，燃油量占据船舶运输成本支出的重要比例，也受到了一定影响。如何做好船舶节能与能量回收工作，并有效控制成本支出，已经成为现阶段各个国家建设发展关注的焦点。本文提出一套用于桨后能量回收利用的船用涡轮发电装置得概念设计，可有效将船舶浆后尾流能量回收利用，以提高能源利用率，达到节能减排的目的。在设计航速下，舵球-涡轮装置回收能量进行发电的输出功率为1200kW，具有较大的经济效益；最后对某螺旋桨转速下自航的船艉流场进行研究发现：舵球-涡轮装置的安装使得船艉流场速度分布情况更复杂，缩小了轴向速度高速区面积，减小了横向速度矢量的大小，使得螺旋桨尾流中的一部分旋转能量被回收并被转化为舵球-涡轮装置的机械能，从而最终转化为电能；舵球-涡轮装置可对船体产生有利干扰，使船艉压力系数稍微增加，从而使船体压差阻力降低。

2、国内外研究现状和发展动态

国内外目前多以利用增加机构的方式来改变尾流导向，利用尾流本身来形成一股卷流来助推，从而起到循环利用能量，最常见的便是通过舵球和在桨叶部分的改装，通过这种方式在理论上可以实现提升3%-4%的效率，也有利用结构进行尾流导向，然后在螺旋桨后安装发电机，变频器等机械装置来进行尾流动能的回收利用，尾流的能量通过电机转化为电能，并通过变频器使交流电的频率统一,使得螺旋桨尾流中的一部分旋转能量被回收并被转化为舵球-涡轮装置的机械能。国内外多是采用CFD软件和面元法计算来进行，同时在仿真软件中进行能量回收效率的预测。并且初步在理论上证明了舵球-涡轮装置的节能效果会大于单独舵球或者涡轮。

3、研究内容

3.1、场调制电机的研制

根据尾流能量大小及涡轮叶片的旋转速度，合理选择永磁直驱发电机类型，并对其进行电磁特性分析和结构优化设计。通过查阅资料得知，与机械式增速齿轮箱为中间环节的高速发电系统相比，传统直驱发电机以其效率高、动态响应快、维护费用低等优点，近年来得到快速发展。但根据流体力学分析，浆后尾流能量发电时电机工作在较低转速，因此传统直驱发电机存在体积大、功率密度低、造价高、运输和安装困难等问题。根据电机工作时低转速大转矩的特点，结合对水下尾流能力流体力学分析，计划采用一种外定子内转子的永磁场调制电机。目前已完成对场调制电机模型的搭建与运行。

根据仿真结果可发现，加额定负载后电机转矩维持在一个较高标准，且稳定，因此可印证场调制电机的理论可行性。

图1电机模型

3.2、螺旋桨的设计

通过对桨后尾流流体动力学分析，设计能够实现尾流能量高效回收利用的舵球和涡轮叶片装置。

螺旋桨旋转推动流体向后运动使其产生推力，同时也使流体旋转造成能量损失，研究者给出了各种各样的措施对这部分能量进行回收。桨后能量回收舵球-涡轮装置由涡轮叶片、舵球、传动轴、发电机和变频器组成。舵球头部为半椭球型，尾部与舵光顺连接在一起，涡轮叶片安装在舵球上。螺旋桨旋转尾流作用在涡轮叶片上推动其旋转，并带动舵球头部一起旋转，从而驱动发电机发电，实现对螺旋桨尾流旋转能量的回收，为船舶操作提供用电。桨后能量回收舵球-涡轮装置具有普通舵球的优点，可以填补桨毂后方低压区、减少桨毂后方乱流引起的能量损失，此外，涡轮直径比螺旋桨直径小，对船艉设计产生的影响小，而且由于其位于螺旋桨尾流中，避免了螺旋桨梢涡对涡轮叶片的冲击。

在ansys的fluent模块中，由于具体情况的不同，设置了三种模型进行分区域计算

多重参考系模型（MovingReferenceFrame模型）

MRF模型是一种定常计算模型，适用于网格区域边界上各点的相对运动基本相同的问题。大多数时均流动都可以用MRF模型来进行计算，特别是运动网格区域与静止网格区域间的相互作用比较微弱时。MRF模型还可以为滑动网格模型计算提供初始流场，即可以先用MRF模型粗略算出初始流场，再用滑动网格模型完成整个计算。建议不要在Realizablek-ε模型中使用MRF模型。

混合面模型(MixingPlaneModel)

混合面模型是介于MRF模型与滑动网格之间的一种求解一个或多个区域有相对运动的模型。它适用于邻近区域在交界面上的流动接近均匀的情况。在混合面模型中，