）式中， ——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，； R ——葉輪半徑，m； ——葉輪前為受擾動(dòng)的水流速度，m/s；4.其他相關(guān)參數(shù)質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)參數(shù)也對(duì)于水平軸水輪發(fā)電裝置的可靠性有影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低裝置的總重量，并盡可能讓質(zhì)心分布均勻并向回轉(zhuǎn)中心靠近，以使得裝置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量穩(wěn)定的維持在合理范圍內(nèi)，避免因振動(dòng)引起的安全、效率問(wèn)題等。1.3水平軸水輪發(fā)電裝置總體布局1.3.1水平軸水輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)組成水平軸水輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)主要包括葉輪、主傳動(dòng)軸、增速機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖1.2所示。（1）葉輪結(jié)構(gòu)。葉輪機(jī)構(gòu)由葉片、變槳距結(jié)構(gòu)、輪轂組成。葉輪機(jī)構(gòu)是水輪發(fā)電裝置獲取能量的主要結(jié)構(gòu)，海水水流通過(guò)葉輪結(jié)構(gòu)，使葉輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，完成由水流動(dòng)能向葉輪選裝機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。（2）變槳距結(jié)構(gòu)。變槳距結(jié)構(gòu)由變槳軸承、變槳驅(qū)動(dòng)小齒輪、變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、編碼器等組成。是使葉片在不同的海水流速中通過(guò)改變槳距角來(lái)改變?nèi)~輪功率，進(jìn)而保證水輪發(fā)電裝置在不同流速及流向環(huán)境中穩(wěn)定輸出功率的裝置，相比于定槳距水輪發(fā)電裝置，變槳距潮流能水輪發(fā)電裝置對(duì)于潮流能流速的利用更有效、更充分，其單位發(fā)電量成本也更低。圖1.2水平軸水輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)組成（3）主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主傳動(dòng)系統(tǒng)由主軸、低速軸聯(lián)軸器、行星齒輪增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)以及制動(dòng)系統(tǒng)等組成，是將葉輪機(jī)構(gòu)傳遞的機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)并轉(zhuǎn)換為電能的結(jié)構(gòu)。（4）殼體支撐結(jié)構(gòu)。殼體支撐結(jié)構(gòu)是用來(lái)盛裝并支撐潮流能水輪發(fā)電裝置所有結(jié)構(gòu)的容器。水平軸水輪發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)組成雖然與風(fēng)力發(fā)電裝置類似，但考慮到工況條件的不同，置于水中工作的潮流能水輪發(fā)電裝置應(yīng)在滿足功能結(jié)構(gòu)的同時(shí)還應(yīng)有較好的密封和經(jīng)過(guò)安全校核的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，同時(shí)對(duì)振動(dòng)、腐蝕也應(yīng)有充分的考慮。本章主要從葉輪獲能原理角度和能量流傳遞角度對(duì)水輪發(fā)電裝置進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.3.2水平軸水輪發(fā)電裝置布局設(shè)計(jì)根據(jù)水平軸水輪發(fā)電裝置的工作環(huán)境，選擇的基本形式如表1.1所示表1.1增速型水平軸潮流能水輪發(fā)電裝置型式選擇序號(hào)基本型式型式選擇1葉片數(shù)量雙葉片水平軸潮流能水輪發(fā)電裝置2功率調(diào)節(jié)變槳距水平軸潮流能水輪發(fā)電裝置3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒速水平軸潮流能水輪發(fā)電裝置4傳動(dòng)結(jié)構(gòu)單發(fā)電機(jī)線性增速傳動(dòng)采用單發(fā)電機(jī)線性增速傳動(dòng)的布局方案，布局緊湊、協(xié)調(diào)，能保證結(jié)構(gòu)的可靠性并提供穩(wěn)定的額定功率輸出，同時(shí)各部件采用了對(duì)稱和均布的布局方式，使其質(zhì)心均為于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上，從而最大程度地減少了因偏心引起的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單發(fā)電機(jī)線性增速傳動(dòng)布局方案如圖1.3所示。圖1.3單發(fā)電機(jī)線性增速傳動(dòng)布局方案1.4水平軸水輪發(fā)電裝置總體方案100kW水平軸水輪發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)遵循由葉輪子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、發(fā)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到主傳動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)校核再到支撐子系統(tǒng)、漂浮結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)的總流程，完成漂浮式100kW水平軸水輪機(jī)的總體布局設(shè)計(jì)，如圖1.2為直驅(qū)傳動(dòng)方案圖，依據(jù)設(shè)計(jì)方案總結(jié)水平軸水輪發(fā)電裝置選型流程圖，如圖1.3所示。圖1.2水平軸水輪發(fā)電裝置單發(fā)電機(jī)線性增速傳動(dòng)方案所設(shè)計(jì)的100kW水平軸水輪發(fā)電裝置包含環(huán)境參數(shù)、機(jī)組參數(shù)、項(xiàng)目指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)如表1.2所示。圖1.3水平軸水輪發(fā)電裝置選型流程圖表1.2100kW水平軸水輪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)參數(shù)類別項(xiàng)目單位數(shù)值環(huán)境參數(shù)最大流速m/s1.70最大潮差m4.71平均潮差m1.79適應(yīng)潮差m3.50平均水深m37.00海水密度kg/m31025重力加速度m/s29.8機(jī)組參數(shù)葉片數(shù)量個(gè)2發(fā)電機(jī)功率kW100啟動(dòng)流速m/s0.6設(shè)計(jì)流速m/s1.7葉輪啟動(dòng)轉(zhuǎn)速rpm5.6葉輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（op）rpm14葉輪飛逸轉(zhuǎn)速rpm26項(xiàng)目指標(biāo)裝機(jī)容量kW100設(shè)計(jì)壽命年15機(jī)組效率—大于0.251.5小結(jié)本章對(duì)100kW水平軸水輪發(fā)電裝置的葉片獲能原理通過(guò)貝茨理論與渦流理論進(jìn)行分析并得到當(dāng)葉片尖速比時(shí)，水流沖擊葉片后形成的渦流對(duì)潮流能獲取系數(shù)影響最小，雖然仍只有一部分的潮流能被葉輪獲取轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，但轉(zhuǎn)換效率最大可達(dá)到0.593。在貝茨理論與渦流理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大潮流能獲能系數(shù)對(duì)100kW水平軸水輪發(fā)電裝置的相關(guān)參數(shù)及布局方案進(jìn)行初步確定，確定了包括額定功率100kW、設(shè)計(jì)流速1.7m/s、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速14rpm在內(nèi)的關(guān)鍵性能參數(shù)，對(duì)包括葉輪掃掠面積S、葉輪直徑D、葉片尖速比等待求的物理量及求解方法進(jìn)行推導(dǎo)。結(jié)合100kW水平軸水輪發(fā)電裝置實(shí)際工況，對(duì)裝置進(jìn)行了總體布局，確定了以單發(fā)電機(jī)直驅(qū)式機(jī)組傳動(dòng)的布局方案，明確了水平軸水輪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的三大模塊，分別為：1）包含葉片、輪轂、變槳機(jī)構(gòu)在內(nèi)的葉輪子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2）包括主軸