本文關(guān)鍵詞：基于有限元分析的微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】：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(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(shè)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)電池并不能耐受此類惡劣條件。本文設(shè)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(shè)計與分析的工具,設(shè)計了用于管道的微型水輪機結(jié)構(gòu),并對不同結(jié)構(gòu)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(gòu),并對水輪機同軸相連的發(fā)電機進行了設(shè)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。管道水流發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(shè)備使用。本文以計算流體力學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對水輪機原動機渦輪部分進行了建模及性能分析。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)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(gòu)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Maxwell 2D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(shè)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(gòu)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流電路。實驗仿真表明,永磁同步發(fā)電機所發(fā)出的帶有部分奇數(shù)次諧波的交流波形在經(jīng)外電路整流后可以輸出波動的直流波形,從而滿足管道內(nèi)直流用電設(shè)備的需求。
【關(guān)鍵詞】：管道水流發(fā)電系統(tǒng) CFD 水輪機 永磁同步發(fā)電機 整流電路
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 選題背景及研究意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 水輪機11-14
• 1.2.2 永磁電機14-15
• 1.3 本文的研究目標及主要研究內(nèi)容15-18
• 第二章 管道水流發(fā)電系統(tǒng)水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析18-44
• 2.1 管道水流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18-19
• 2.2 有限元分析法與計算流體力學簡介19-24
• 2.2.1 有限元分析法簡介19-21
• 2.2.2 計算流體力學簡介21-24
• 2.3 水輪機的設(shè)計方法24-35
• 2.3.1 流體動力學的控制方程25-28
• 2.3.2 CFD邊界條件28-33
• 2.3.3 湍流與湍流模型33-35
• 2.4 水輪機模型建立與流場性能仿真35-41
• 2.4.1 BladeGen水輪機建模35-38
• 2.4.2 TurboGrid水輪機網(wǎng)格劃分38-39
• 2.4.3 CFX模擬仿真與性能分析39-41
• 2.5 本章小結(jié)41-44
• 第三章 管道水流發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機設(shè)計44-68
• 3.1 發(fā)電機的選型44-45
• 3.2 常用電機設(shè)計方法45-46
• 3.3 Maxwell簡介46-49
• 3.4 永磁同步發(fā)電機設(shè)計基本理論49-52
• 3.4.1 永磁同步發(fā)電機運行性能49-51
• 3.4.2 永磁同步發(fā)電機磁路51-52
• 3.5 永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)設(shè)計52-67
• 3.5.1 永磁同步發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)52-55
• 3.5.2 永磁同步發(fā)電機定子參數(shù)計算55-63
• 3.5.3 永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子參數(shù)計算63-67
• 3.6 本章小結(jié)67-68
• 第四章 管道水流發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機電磁仿真與性能分析68-76
• 4.1 RMxprt微型管道永磁同步發(fā)電機的設(shè)計68-72
• 4.1.1 基于RMxprt的電機總體參數(shù)設(shè)計69-70
• 4.1.2 RMxprt仿真求解70-72
• 4.2 Maxwell 2D電機電磁性能分析72-75
• 4.3 本章小結(jié)75-76
• 第五章 管道水流發(fā)電系統(tǒng)整流電路設(shè)計76-84
• 5.1 整流電路理論基礎(chǔ)76-79
• 5.2 Maxwell Circuit Editor整流仿真分析79-83
• 5.3 本章小結(jié)83-84
• 第六章 總結(jié)與展望84-86
• 6.1 總結(jié)84-85
• 6.2 展望85-86
• 參考文獻86-90
• 致謝90-92
• 攻讀碩士學位期間成果及發(fā)表的學術(shù)論文92

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