基于有限元分析的微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì).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(duì)自來水的輸送進(jìn)行管理，自來水公司在管道沿線布設(shè)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(duì)其進(jìn)行更換，同時(shí)蓄電池的制造和處理又會(huì)產(chǎn)生大量的環(huán)境問題，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染；更加嚴(yán)重的是很多輸水管道鋪設(shè)在無人區(qū)或人力難以到達(dá)的地方，蓄電池的更換成本將會(huì)更高，并且無法通過附近的輸電線路對(duì)其供電。同時(shí)某些自來水管網(wǎng)將會(huì)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(shè)計(jì)了一種微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，其目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)自來水管網(wǎng)中的傳感器進(jìn)行供電。主要以有限元分析軟件ANSYS為設(shè)計(jì)與分析的工具，設(shè)計(jì)了用于管道的微型水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)水輪機(jī)經(jīng)進(jìn)行了水力計(jì)算和對(duì)比分析，從而確定一個(gè)最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并對(duì)水輪機(jī)同軸相連的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(dòng)能進(jìn)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(gòu)包括水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流電路三大部分。本文針對(duì)管道內(nèi)安裝環(huán)境的特點(diǎn)，選定水平軸渦輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)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(duì)象，通過水輪機(jī)帶動(dòng)與其同軸相連的發(fā)電機(jī)發(fā)電，并通過與發(fā)電機(jī)連接的整流電路將發(fā)電機(jī)所發(fā)交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能供用電設(shè)備使用。
　　本文以計(jì)算流體力學(xué) CFD為理論基礎(chǔ)，通過使用有限元分析軟件ANSYS中的流體分析模塊 CFX對(duì)水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)渦輪部分進(jìn)行了建模及

4、性能分析。其中使用CFX-BladeGen建立渦輪機(jī)葉輪模型，然后通過渦輪葉柵通道網(wǎng)格劃分模塊 CFX-TurboGrid對(duì)葉輪模型進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分，并將所生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入 ANSYS中的流體機(jī)械分析模塊 CFX-Pre中，CFX-Pre對(duì)葉輪加載邊界條件并對(duì)其進(jìn)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(jī)要求的水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型。
　　針對(duì)管道內(nèi)有限空間及電能需求的特點(diǎn)，提出使用永磁同步發(fā)電機(jī)作為本文所使用的發(fā)

5、電機(jī)模型。根據(jù)永磁同步發(fā)電機(jī)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(duì)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)進(jìn)行了選擇及計(jì)算，然后將所得結(jié)果導(dǎo)入RMxprt軟件中進(jìn)行快速的電機(jī)分析優(yōu)化計(jì)算。
　　最后通過Maxwell2D對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行二維有限元模擬仿真與性能分析，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的永磁同步發(fā)電機(jī)可以成功輸出波動(dòng)較小的三相交流電；將電機(jī)與整流電路相連構(gòu)成發(fā)電機(jī)——負(fù)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