基于有限元分析的微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)設計.pdf

1、城市自來水管道絕大部分位于地表以下，為了更好地對自來水的輸送進行管理，自來水公司在管道沿線布設了大量的傳感器。傳統(tǒng)的傳感器供電方法通常采用蓄電池供電，但是傳統(tǒng)蓄電池的供電容量有限，需要頻繁地對其進行更換，同時蓄電池的制造和處理又會產(chǎn)生大量的環(huán)境問題，對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染；更加嚴重的是很多輸水管道鋪設在無人區(qū)或人力難以到達的地方，蓄電池的更換成本將會更高，并且無法通過附近的輸電線路對其供電。同時某些自來水管網(wǎng)將會通過一些環(huán)境惡劣地區(qū)，傳統(tǒng)電

2、池并不能耐受此類惡劣條件。
　　本文設計了一種微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，其目的是實現(xiàn)對自來水管網(wǎng)中的傳感器進行供電。主要以有限元分析軟件ANSYS為設計與分析的工具，設計了用于管道的微型水輪機結(jié)構，并對不同結(jié)構水輪機經(jīng)進行了水力計算和對比分析，從而確定一個最優(yōu)結(jié)構，并對水輪機同軸相連的發(fā)電機進行了設計。結(jié)果表明，在不影響自來水正常傳輸?shù)那闆r下，通過利用自來水管道內(nèi)流體動能進行發(fā)電的形式，可以滿足沿線傳感器的供電需要。
　　管道水

3、流發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構包括水輪機原動機、發(fā)電機、整流電路三大部分。本文針對管道內(nèi)安裝環(huán)境的特點，選定水平軸渦輪機、永磁同步發(fā)電機以及電容濾波的三相橋式不可控整流電路作為本文的研究對象，通過水輪機帶動與其同軸相連的發(fā)電機發(fā)電，并通過與發(fā)電機連接的整流電路將發(fā)電機所發(fā)交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能供用電設備使用。
　　本文以計算流體力學 CFD為理論基礎，通過使用有限元分析軟件ANSYS中的流體分析模塊 CFX對水輪機原動機渦輪部分進行了建模及

4、性能分析。其中使用CFX-BladeGen建立渦輪機葉輪模型，然后通過渦輪葉柵通道網(wǎng)格劃分模塊 CFX-TurboGrid對葉輪模型進行有限元的網(wǎng)格劃分，并將所生成的網(wǎng)格文件導入 ANSYS中的流體機械分析模塊 CFX-Pre中，CFX-Pre對葉輪加載邊界條件并對其進行模擬仿真。最終，通過三部分仿真的串聯(lián)整合，得到符合發(fā)電機要求的水輪機原動機模型。
　　針對管道內(nèi)有限空間及電能需求的特點，提出使用永磁同步發(fā)電機作為本文所使用的發(fā)

5、電機模型。根據(jù)永磁同步發(fā)電機的基本理論、工作原理，并結(jié)合有限元電磁分析軟件ANSYS/Maxwell，對永磁電機結(jié)構以及參數(shù)進行了選擇及計算，然后將所得結(jié)果導入RMxprt軟件中進行快速的電機分析優(yōu)化計算。
　　最后通過Maxwell2D對發(fā)電機進行二維有限元模擬仿真與性能分析，結(jié)果顯示所設計的永磁同步發(fā)電機可以成功輸出波動較小的三相交流電；將電機與整流電路相連構成發(fā)電機——負載系統(tǒng)，其中整流電路類型選擇電容濾波的三相橋式不可控整