基于有限元分析的微型管道水輪機的設計

段巍釗,陳 燕,孫海濤,竇銀科

(太原理工大學，太原 030024)

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基于有限元分析的微型管道水輪機的設計

段巍釗,陳 燕,孫海濤,竇銀科

(太原理工大學，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，對此設計出一種微型管道流體發電機，利用管道自身的流體流動產生的勢能帶動渦輪機進行發電。通過ANSYS軟件中的流體機械及流體計算模塊CFX設計出渦輪機模型，并計算得出輸出功率約為100 W；同時利用電磁設計軟件Maxwell設計出與渦輪機匹配的永磁同步發電機，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;水流發電機

0 引 言

流量監測設備廣泛應用于石油、化工、供水等的管道系統中，通過對其流量、流速等的監測來達到對輸送介質的控制。而這些傳感器絕大部分是需要電池對其進行供電。然而，傳統電池的供電性能有限，需要頻繁地進行更換，且電池的制造和處理又會產生大量的環境問題。更加嚴重的是很多輸水管道鋪設在無人區或人力難以到達的地方，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[1]。

為此設計一種利用管道內流體動能進行發電的微型水輪機。使管道內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軟件設計出一個渦輪機模型通過對其有限元網格劃分并設置邊界條件，最后計算出渦輪的輸出功率。再通過Maxwell設計出與渦輪機相匹配的永磁同步發電機，發電機發出交流電從而對傳感器進行供電。

1 工作原理

管道水流發電系統的基本思路是:利用流體流動過程中產生的水流動能來驅動渦輪,渦輪轉動并通過連接軸帶動發電機發電,發電機發出交流電能后對傳感器的電池進行充電，從而為自來水管道的檢測設備提供電力,最終實現流體動能—機械能—電能的轉化[2]。渦輪原動機的實體示意圖如圖1所示。

圖1 渦輪原動機實體示意圖

本文之所以選擇在管道的轉角處安裝渦輪機是因為在此處安裝便于發電機的軸與渦輪機相連，使發電機可以安裝在管道的外側，從而可以節省空間，同時也避免了發電機裝在管道內部對管道流體的污染。

初步設定渦輪機的輸出功率為100 W左右，而安裝在管道的檢測設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，會導致電流過大使得發電機的線圈線徑會很大，這都不利于發電機的安裝和設計，所以本文初步選擇發電機的電壓等級為18 V。對其他不同電壓等級的傳感器可以進行降壓、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致管道無水或者流體速度不足，致使發電機不能穩定供電，因此采用發電機對蓄電池充電的方法代替發電機直接對傳感器供電。此設定解決了發電機不能穩定供電的問題。

2 渦輪機設計

本文的渦輪機設計采用ANSYS內置的流體機械設計模塊BladeGen建立渦輪機模型(BladeGen集成了大量渦輪機實例，可以模擬設計各種葉片類機械，如徑向/軸向的渦輪機、風扇等[3])并將建立好的模型導入ANSYS內集成的有限元網格劃分軟件Turbogrid進行有限元的網格劃分，最后通過流體計算軟件CFX對渦輪機的初始邊界條件進行設定后，開始進行分析計算[4]。本文在計算中采用 湍流模型，并設定初始邊界條件為流量入口和壓力出口邊界[5]，通過改變流體機械的自變量參數如葉片數、葉片安裝角，進行了多次仿真實驗，最終得到一種可以與渦輪機連接的發電機相匹配的最優設計方案。

本文中與渦輪機匹配的發電機的設計功率約為100 W左右，額定轉速1 000 r/min。根據:

式中：T為發電機輸入轉矩；ω為發電機角速度；n為發電機的轉速。

可得發電機的輸入轉矩約為1 N·m，需要根據此轉矩要求進行渦輪機模型的設計。

本文所選取的管道模型直徑100 mm，根據:

式中：d為管道直徑；v為管道內流體的流速，此處選取為1.5 m/s[1]；Q為管道內流體的單位流量。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 渦輪葉片數對轉矩的影響

葉輪的幾何形狀大很大程度上會影響水輪機的過流能力，也會影響其效率和空蝕性能。因此，確定葉輪的參數具有重大意義。當其他邊界條件參數相同，初步選定葉片安裝角為50°，對不同葉片數的葉輪模型進行實驗，所得渦輪轉矩結果見表1所示。

表1 渦輪轉矩

由表1可見，隨著渦輪機葉片的增加，葉輪與流體的接觸面積增大從而使葉輪得到更大的推力，渦輪機的轉矩隨之增大，且基本呈線性變化，但還不滿足發電機的轉矩需求，因此需要在葉片數目7、8片的前提下對葉片安裝角進行進一步地優化。

2.2 葉片安裝角對轉矩的影響

當葉片數目為7片時，葉片安裝角由46°～50°變化時葉輪的轉矩變化見表2。葉片數為8片時，葉片安裝角由40°～44°變化時，葉輪的轉矩變化見表3所示。

表2 7葉片渦輪轉矩

表3 8葉片渦輪轉矩

試驗表明，當葉片數為7，安裝角為46°；或葉片數為8，安裝角為41°時，葉輪的輸出轉矩滿足發電機輸入轉矩1 N·m的需求。但葉片數目的增多將會增大實際模型的制造難度，且管道流道的空間過小易形成回流和二次流現象[7]。為此本文選取葉片數為7片的模型為永磁同步發電機提供轉矩。

3 永磁同步發電機的電磁設計

3.1 發電機勵磁種類選擇

發電機磁場是由永久磁鐵或勵磁繞組通以直流電勵磁產生，所以發電機按勵磁方式可以分為永磁式和勵磁式兩種類型，電磁式發電機需要配備相應的勵磁系統，結構復雜，不適用于小功率發電場合；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，因此在發電機、電動機、航空航天、傳感器等領域得到廣泛應用[8]。

對于小型的發電設備，發電機通常可采用永磁式直流發電機或永磁交流發電機；而直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的維護檢修也比較麻煩。因此本文選擇永磁交流同步發電機作為設計模型。

3.2 發電機的設計

按永磁同步發電機的設計要求：額定容量PN=90 W；電機相數m=3；額定電壓UN=18 V;額定轉速nN=1 000 r/min。電機結構尺寸及主要參數如表4所示。

表4 發電機主要參數

本文采用Ansoft Maxwell 中的RMxprt模塊設計永磁同步發電機，在RMxprt板塊中輸入電機的定轉子各種數據后，軟件會自動進行分析求解并建立電機的2D模型；然后再利用RMxprt的接口將模型導入MAXWELL 2D模型，通過有限元分析求解后得到電機的相關數據曲線，發電機發出的電流、電壓如圖4、圖5所示。

圖2 發電機電流曲線

圖3 發電機電壓曲線

由圖3可以看出,電壓波形并非標準正弦波，通過對電壓波形進行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主要含有5次諧波，這可以通過選用串聯6%的電抗器來進行濾波。

圖4 電壓FFT分析圖

諧波次數15711電壓/V180.60.250.19

4 結 語

本文利用ANSYS中BladeGen、CFX、Maxwell、對管道渦輪發電機的原動機，發電機進行了仿真。通過對渦輪機葉片安裝角及葉片數的優化，設計出一種輸出功率約為100 W的渦輪原動機，使其可以匹配發電機的轉矩需求。通過最終的仿真結果可知，發電機發出的電能可以滿足管道內傳感器的供電需求，使其可以對流體進行監測。

[1] CHEN J,YANG H X,LIU C P,et al.A novel vertical axis water turbine for power generation from water pipelines[J].Energy,2013,54(2):184-193.

[2] 韓培,張師帥.井下泥漿渦輪發電系統水力性能試驗研究[J].石油礦場機械,2010(3):59-61.

[3] 丁凌云,馮進,劉孝光,等.CFX-BladeGen在渦輪葉片造型中的應用[J].工程設計學報,2005,12(2):109-112.

[4] 馮進,張慢來,張先勇,等.井下水動力軸流渦輪設計與試驗研究[J].石油礦場機械,2010,39(12):51-53.

[5] 李光宇,袁立強,趙爭鳴,等.基于計算流體動力學的高效交流電機風扇優化[J].電工電能新技術,2014,33(11):24-28.

[6] 城鎮給水排水技術規范:GB50788——2012[S].

[7] 劉合,賈德利,張書進.油田井下微型水輪機的數值分析與研究[J].石油機械,2012(12):59-63.

[8] 蘇紹禹,高紅霞.永磁發電機機理設計及應用[M].北京：機械工業出版社,2012.

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

山西省科技攻關項目(2011032102602)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0040-02

段巍釗(1990-)，男，碩士，研究方向為電力電子與電氣傳動。