基于有限元分析的微型管道水輪機(jī)的設(shè)計

段巍釗,陳 燕,孫海濤,竇銀科

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

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基于有限元分析的微型管道水輪機(jī)的設(shè)計

段巍釗,陳 燕,孫海濤,竇銀科

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

自來水管道中存在大量傳感器需要對其供電，而其本身的電池存在電量不足的問題，對此設(shè)計出一種微型管道流體發(fā)電機(jī)，利用管道自身的流體流動產(chǎn)生的勢能帶動渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。通過ANSYS軟件中的流體機(jī)械及流體計算模塊CFX設(shè)計出渦輪機(jī)模型，并計算得出輸出功率約為100 W；同時利用電磁設(shè)計軟件Maxwell設(shè)計出與渦輪機(jī)匹配的永磁同步發(fā)電機(jī)，得到三相交流電，從而解決了管道傳感器的供電問題。

供電;ANSYS;CFX;Maxwell;水流發(fā)電機(jī)

0 引 言

流量監(jiān)測設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、化工、供水等的管道系統(tǒng)中，通過對其流量、流速等的監(jiān)測來達(dá)到對輸送介質(zhì)的控制。而這些傳感器絕大部分是需要電池對其進(jìn)行供電。然而，傳統(tǒng)電池的供電性能有限，需要頻繁地進(jìn)行更換，且電池的制造和處理又會產(chǎn)生大量的環(huán)境問題。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，電池的更換成本更高，且無法通過附近的輸電線路對其供電，這都對傳感器的供電問題提出挑戰(zhàn)[1]。

為此設(shè)計一種利用管道內(nèi)流體動能進(jìn)行發(fā)電的微型水輪機(jī)。使管道內(nèi)部的傳感器可以通過自供電的方式滿足自身的電力需求。本文通過ANSYS軟件設(shè)計出一個渦輪機(jī)模型通過對其有限元網(wǎng)格劃分并設(shè)置邊界條件，最后計算出渦輪的輸出功率。再通過Maxwell設(shè)計出與渦輪機(jī)相匹配的永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電從而對傳感器進(jìn)行供電。

1 工作原理

管道水流發(fā)電系統(tǒng)的基本思路是:利用流體流動過程中產(chǎn)生的水流動能來驅(qū)動渦輪,渦輪轉(zhuǎn)動并通過連接軸帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電能后對傳感器的電池進(jìn)行充電，從而為自來水管道的檢測設(shè)備提供電力,最終實(shí)現(xiàn)流體動能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)化[2]。渦輪原動機(jī)的實(shí)體示意圖如圖1所示。

圖1 渦輪原動機(jī)實(shí)體示意圖

本文之所以選擇在管道的轉(zhuǎn)角處安裝渦輪機(jī)是因?yàn)樵诖颂幇惭b便于發(fā)電機(jī)的軸與渦輪機(jī)相連，使發(fā)電機(jī)可以安裝在管道的外側(cè)，從而可以節(jié)省空間，同時也避免了發(fā)電機(jī)裝在管道內(nèi)部對管道流體的污染。

初步設(shè)定渦輪機(jī)的輸出功率為100 W左右，而安裝在管道的檢測設(shè)備所用的傳感器的供電電壓等級通常為5 V,12 V不等。鑒于管道的可利用空間較小；且在定功率的情況下，如果電壓選取過小，會導(dǎo)致電流過大使得發(fā)電機(jī)的線圈線徑會很大，這都不利于發(fā)電機(jī)的安裝和設(shè)計，所以本文初步選擇發(fā)電機(jī)的電壓等級為18 V。對其他不同電壓等級的傳感器可以進(jìn)行降壓、分壓供電。

此外，由于管道供水可能會由于意外事故或檢修導(dǎo)致管道無水或者流體速度不足，致使發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定供電，因此采用發(fā)電機(jī)對蓄電池充電的方法代替發(fā)電機(jī)直接對傳感器供電。此設(shè)定解決了發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定供電的問題。

2 渦輪機(jī)設(shè)計

本文的渦輪機(jī)設(shè)計采用ANSYS內(nèi)置的流體機(jī)械設(shè)計模塊BladeGen建立渦輪機(jī)模型(BladeGen集成了大量渦輪機(jī)實(shí)例，可以模擬設(shè)計各種葉片類機(jī)械，如徑向/軸向的渦輪機(jī)、風(fēng)扇等[3])并將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS內(nèi)集成的有限元網(wǎng)格劃分軟件Turbogrid進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分，最后通過流體計算軟件CFX對渦輪機(jī)的初始邊界條件進(jìn)行設(shè)定后，開始進(jìn)行分析計算[4]。本文在計算中采用 湍流模型，并設(shè)定初始邊界條件為流量入口和壓力出口邊界[5]，通過改變流體機(jī)械的自變量參數(shù)如葉片數(shù)、葉片安裝角，進(jìn)行了多次仿真實(shí)驗(yàn)，最終得到一種可以與渦輪機(jī)連接的發(fā)電機(jī)相匹配的最優(yōu)設(shè)計方案。

本文中與渦輪機(jī)匹配的發(fā)電機(jī)的設(shè)計功率約為100 W左右，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。根據(jù):

式中：T為發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩；ω為發(fā)電機(jī)角速度；n為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

可得發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩約為1 N·m，需要根據(jù)此轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行渦輪機(jī)模型的設(shè)計。

本文所選取的管道模型直徑100 mm，根據(jù):

式中：d為管道直徑；v為管道內(nèi)流體的流速，此處選取為1.5 m/s[1]；Q為管道內(nèi)流體的單位流量。可得管道流量Q為12 L/s。即流量入口的邊界條件。而壓力出口的邊界條件選取1atm[6]。

2.1 渦輪葉片數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響

葉輪的幾何形狀大很大程度上會影響水輪機(jī)的過流能力，也會影響其效率和空蝕性能。因此，確定葉輪的參數(shù)具有重大意義。當(dāng)其他邊界條件參數(shù)相同，初步選定葉片安裝角為50°，對不同葉片數(shù)的葉輪模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得渦輪轉(zhuǎn)矩結(jié)果見表1所示。

表1 渦輪轉(zhuǎn)矩

由表1可見，隨著渦輪機(jī)葉片的增加，葉輪與流體的接觸面積增大從而使葉輪得到更大的推力，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨之增大，且基本呈線性變化，但還不滿足發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求，因此需要在葉片數(shù)目7、8片的前提下對葉片安裝角進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化。

2.2 葉片安裝角對轉(zhuǎn)矩的影響

當(dāng)葉片數(shù)目為7片時，葉片安裝角由46°～50°變化時葉輪的轉(zhuǎn)矩變化見表2。葉片數(shù)為8片時，葉片安裝角由40°～44°變化時，葉輪的轉(zhuǎn)矩變化見表3所示。

表2 7葉片渦輪轉(zhuǎn)矩

表3 8葉片渦輪轉(zhuǎn)矩

試驗(yàn)表明，當(dāng)葉片數(shù)為7，安裝角為46°；或葉片數(shù)為8，安裝角為41°時，葉輪的輸出轉(zhuǎn)矩滿足發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩1 N·m的需求。但葉片數(shù)目的增多將會增大實(shí)際模型的制造難度，且管道流道的空間過小易形成回流和二次流現(xiàn)象[7]。為此本文選取葉片數(shù)為7片的模型為永磁同步發(fā)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩。

3 永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計

3.1 發(fā)電機(jī)勵磁種類選擇

發(fā)電機(jī)磁場是由永久磁鐵或勵磁繞組通以直流電勵磁產(chǎn)生，所以發(fā)電機(jī)按勵磁方式可以分為永磁式和勵磁式兩種類型，電磁式發(fā)電機(jī)需要配備相應(yīng)的勵磁系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于小功率發(fā)電場合；且在管道附近并無可利用的勵磁電源。而永磁體對外做功不消耗自身的磁能，且體積小、重量輕、溫升低，因此在發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、航空航天、傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。

對于小型的發(fā)電設(shè)備，發(fā)電機(jī)通?？刹捎糜来攀街绷靼l(fā)電機(jī)或永磁交流發(fā)電機(jī)；而直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此本文選擇永磁交流同步發(fā)電機(jī)作為設(shè)計模型。

3.2 發(fā)電機(jī)的設(shè)計

按永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計要求：額定容量PN=90 W；電機(jī)相數(shù)m=3；額定電壓UN=18 V;額定轉(zhuǎn)速nN=1 000 r/min。電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及主要參數(shù)如表4所示。

表4 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

本文采用Ansoft Maxwell 中的RMxprt模塊設(shè)計永磁同步發(fā)電機(jī)，在RMxprt板塊中輸入電機(jī)的定轉(zhuǎn)子各種數(shù)據(jù)后，軟件會自動進(jìn)行分析求解并建立電機(jī)的2D模型；然后再利用RMxprt的接口將模型導(dǎo)入MAXWELL 2D模型，通過有限元分析求解后得到電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流、電壓如圖4、圖5所示。

圖2 發(fā)電機(jī)電流曲線

圖3 發(fā)電機(jī)電壓曲線

由圖3可以看出,電壓波形并非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，通過對電壓波形進(jìn)行FFT分析，電壓FFT分析如圖4所示。其諧波含量如表5所示。由圖可知電壓波形內(nèi)主要含有5次諧波，這可以通過選用串聯(lián)6%的電抗器來進(jìn)行濾波。

圖4 電壓FFT分析圖

諧波次數(shù)15711電壓/V180.60.250.19

4 結(jié) 語

本文利用ANSYS中BladeGen、CFX、Maxwell、對管道渦輪發(fā)電機(jī)的原動機(jī)，發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真。通過對渦輪機(jī)葉片安裝角及葉片數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計出一種輸出功率約為100 W的渦輪原動機(jī)，使其可以匹配發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求。通過最終的仿真結(jié)果可知，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能可以滿足管道內(nèi)傳感器的供電需求，使其可以對流體進(jìn)行監(jiān)測。

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Design of Micro Pipeline Water Flow Generator Based on Finite Element Analysis

DUANWei-zhao,CHENYan,SUNHai-tao,DOUYin-ke

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Numerous sensors in water pipeline need to be powering,however,the battery included has its own shortcoming:the lack of electricity,thus a micro pipe-flow generator was designed, using its own potential energy in pipeline to drive a turbine to generate electricity.By using the fluid mechanical and fluid calculate modules in ANSYS software, a turbine model was designed and the output power was calculated which was 100 W.Meanwhile,a permanent magnet synchronous generator that match the turbine was designed by Maxwell software,producing a three-phase alternating current eventually,so as to solve the power problem pipeline sensor.

powering; ANSYS; CFX; Maxwell; water-flow generator

2015-07-18

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011032102602)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0040-02

段巍釗(1990-)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動。