創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告書(shū)2份

1、校級(jí)：編號(hào)省級(jí)：編號(hào)級(jí):編號(hào)河海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告書(shū)項(xiàng) 目 名 稱(chēng) 船閘輸水廊道水頭利用研究 鄧星宇項(xiàng)目 夏晨宇 張 凱項(xiàng)目組成員 陶桂 蘭指導(dǎo)NJ2011133項(xiàng)目名稱(chēng)船閘輸水廊道水頭利用研究項(xiàng)目鄧星宇學(xué)院/專(zhuān)業(yè)/ 年級(jí)大禹院 港航 09 級(jí)郵 箱項(xiàng)目組成員夏晨宇、張凱指導(dǎo)陶桂蘭副教授所在學(xué)院港航院研 究經(jīng) 費(fèi)資助總額 10000 元研究期限開(kāi)始時(shí)間2012 年 1 月實(shí)際總額 10000 元完成時(shí)間2012 年 11 月結(jié)余0元計(jì)劃完成時(shí)間2013 年 1 月項(xiàng)目基本情況一、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容船舶過(guò)閘過(guò)程中，上游大量水體經(jīng)船閘輸水廊道直接排泄至下游。目前，

2、這部分水并沒(méi)有得到有效地利用，因此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)想利用船閘上下游水位差和輸水廊道的利灌泄水過(guò)程，在傳統(tǒng)船閘的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改造和優(yōu)化，從而增加其發(fā)電功能，以充發(fā)利用這部分水體中所蘊(yùn)藏的能量。具體地講，本項(xiàng)目選取具有一定代表性的宿遷某船閘資料為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾部分：基于現(xiàn)有的采用集中式輸水系統(tǒng)的船閘實(shí)例（宿遷某船閘），理論計(jì)算其正常運(yùn)行時(shí)所蘊(yùn)含的能量有多少。對(duì)于集中輸水系統(tǒng)，當(dāng)船閘正常運(yùn)行時(shí)，如何從一次灌泄水過(guò)程中提取能量。對(duì)于上述能量，在現(xiàn)有水輪機(jī)條件下，利用數(shù)值模擬，定量回答可有效提取的能量是多少。論證通航、發(fā)電船閘這一概念的可行性。二、完成過(guò)程本項(xiàng)目以具有一定代表性的宿遷某船

3、閘的基本資料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的一套集中輸水系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)短廊道中安裝水輪機(jī)。利用船閘正常運(yùn)行時(shí)的灌泄水過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)船閘的發(fā)電功能。選擇豎井貫流式水輪機(jī)，并通過(guò) CFD 軟件建立水輪機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)模型轉(zhuǎn)速、力矩、效率、出力，初步驗(yàn)證利用船閘集中輸水系統(tǒng)發(fā)電的可行性。具體完成過(guò)程如下：1.廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以宿遷某船閘為背景資料，設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的集中式輸水系統(tǒng)，短廊道布置形式如圖 1 所示。圖 1 輸水廊道平面布置圖（：mm）2. 繪制水力曲線通過(guò)理論計(jì)算繪制水頭與時(shí)間關(guān)系曲線和流量與時(shí)間關(guān)系曲線，分別如圖 2、圖 3 所示。3. 水輪機(jī)的布置與選型由于船閘最大水頭為 6m，流量最

4、大達(dá)到 55.71307 m3/s，故考慮選擇豎井貫流式水輪機(jī)。該裝置包括進(jìn)水流道、葉輪段、導(dǎo)葉段和出水流道，其中豎井就位于進(jìn)水流道。機(jī)組單線如圖 4 所示圖 4 機(jī)組單線設(shè)計(jì)4.計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分采用CFD FLUENT 前處理軟件Gambit，對(duì)豎井貫流式水輪機(jī)裝置進(jìn)行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分。計(jì)算區(qū)域選擇包括進(jìn)水流道、出水流道、轉(zhuǎn)輪段和導(dǎo)葉段四個(gè)部分。因本研究側(cè)重于短時(shí)間，低水頭，大流量下的水輪機(jī)效率和出力的表現(xiàn)，故對(duì)轉(zhuǎn)輪體的設(shè)計(jì)如圖5所示：圖5 轉(zhuǎn)輪體的設(shè)計(jì)5.轉(zhuǎn)輪改型方案轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)組能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何合理地匹配各幾何參數(shù)，在性能參數(shù)間尋求平衡，使轉(zhuǎn)輪既有較

5、高的出力和效率，又有良好的空化性能。通過(guò)分析研究，并參考相近比轉(zhuǎn)速的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：圖6 轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)1）調(diào)整葉片型式。通過(guò)改變?nèi)~片進(jìn)水邊線形及葉片扭曲角度，分別做了3 種不同型式的轉(zhuǎn)輪葉片，如圖6（a） 所示。2） 選用不同的上冠線線形。本設(shè)計(jì)中研究了A，B，C 共3 種不同形式的上冠線， 如圖6（b） 所示。3） 左右轉(zhuǎn)輪葉片的不同位置，見(jiàn)圖6（c）。6.工作效率數(shù)值模擬用 Fluent 做數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表 1。水輪機(jī)工作效率數(shù)值模擬結(jié)果表 17.結(jié)論在傳統(tǒng)短廊道上增設(shè)水輪機(jī)并利用船閘正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電的這一過(guò)程中，水輪機(jī)發(fā)電的出力以及效率是基本滿(mǎn)足要求的，可以

6、保證自用電或者對(duì)外供電，水能利用率也不低。但是對(duì)于短時(shí)間發(fā)電，需要不斷啟動(dòng)，這一問(wèn)題的可行性仍舊需要進(jìn)一步研究。8.成果1）實(shí)用新型專(zhuān)利：一種可用于發(fā)電的船閘（專(zhuān)利號(hào)：ZL 201120212221.7)具有發(fā)電功能的旁側(cè)進(jìn)出水式分散輸系統(tǒng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01220514517.9)用于保護(hù)水工模型中小電機(jī)安置于水下的防水裝置（申請(qǐng)?zhí)枺?01220525705.1）2）發(fā)明專(zhuān)利：集通航、發(fā)電和泄洪為一體的船閘（申請(qǐng)?zhí)枺?01210021671.7）水m流量kg/s轉(zhuǎn)速rad/s力矩nm效率出力w2756.0620.94529.850390.74795411095.067173877.1620.94

7、819.113470.66442917152.23604963.6320.941087.86090.60241522779.80725具有發(fā)電功能的單水輪機(jī)式分散輸水系統(tǒng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01210389416.8）具有發(fā)電功能的雙水輪機(jī)式分散輸水系統(tǒng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01210389420.4）具有通航、發(fā)電和泄洪功能的多級(jí)船閘系統(tǒng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01210389401.1）一種具有通航、發(fā)電和泄洪功能的多線船閘（申請(qǐng)?zhí)枺?01210389356.X）用于保護(hù)水工模型中小電機(jī)安置于水下的防水裝置（申請(qǐng)?zhí)枺?01210389242.5）3）獲獎(jiǎng)：江蘇省第三屆水創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)三、創(chuàng)新點(diǎn)本設(shè)計(jì)選取了具有一定代

8、表性的宿遷某船閘為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從實(shí)際出發(fā)嘗試論證本設(shè)計(jì)的可能性，具體的講：以實(shí)際船閘背景為設(shè)計(jì)資料，理論計(jì)算其正常運(yùn)行時(shí)，即一次灌泄水過(guò)程中所蘊(yùn)含的能量。上述能量可能的提取方法，即改進(jìn)后的輸水廊道結(jié)構(gòu)和與之配合的一套閘閥門(mén)啟閉方案。在現(xiàn)有水輪機(jī)條件下，通過(guò)轉(zhuǎn)輪等初步地優(yōu)化設(shè)計(jì)，定量計(jì)算上述能量中可提取的能量有多少。定量論證了通航、發(fā)電邁進(jìn)重要一步。船閘具有一定的可行性，使得該項(xiàng)目由理論向現(xiàn)實(shí)四、收獲體會(huì)回顧這一年的創(chuàng)新訓(xùn)練過(guò)程，我們都學(xué)到了很多。首先是知識(shí)的學(xué)習(xí)。以前在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，總覺(jué)得這些知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，很抽象。自從參加了創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目之后，我們才知道知識(shí)是多么的重要，而且總覺(jué)得還有好多東西不懂，這督促著我們不停地學(xué)習(xí)，不停地去研究。就這樣，我們?cè)谧鲋袑W(xué)，學(xué)中做，隨著課程的深入，厚積薄發(fā)，一步一步實(shí)現(xiàn)了最終的。其次是科研實(shí)踐能力的培養(yǎng)。對(duì)我們而言，創(chuàng)新訓(xùn)練是一種檢驗(yàn)水平施展才華的機(jī)會(huì)。從立項(xiàng)開(kāi)始，從校級(jí)項(xiàng)目開(kāi)始，到最后申請(qǐng)到級(jí)項(xiàng)目，再到現(xiàn)在完成的過(guò)程，我們迎接了一個(gè)又一個(gè)的。在這過(guò)程中，我們積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，獲得了很多的收獲，不僅在實(shí)踐中能夠?qū)W到很多知識(shí)，而且還能夠獲得很大的成長(zhǎng)。在接近一年的時(shí)間里，我們深刻體會(huì)到了作為