基于有限元分析的微型管道水轮机的设计

段巍钊,陈 燕,孙海涛,窦银科

(太原理工大学，太原 030024)



基于有限元分析的微型管道水轮机的设计

段巍钊,陈 燕,孙海涛,窦银科

(太原理工大学，太原 030024)

自来水管道中存在大量传感器需要对其供电，而其本身的电池存在电量不足的问题，对此设计出一种微型管道流体发电机，利用管道自身的流体流动产生的势能带动涡轮机进行发电。通过ANSYS软件中的流体机械及流体计算模块CFX设计出涡轮机模型，并计算得出输出功率约为100 W；同时利用电磁设计软件Maxwell设计出与涡轮机匹配的永磁同步发电机，得到三相交流电，从而解决了管道传感器的供电问题。

供电;ANSYS;CFX;Maxwell;水流发电机

0 引 言

流量监测设备广泛应用于石油、化工、供水等的管道系统中，通过对其流量、流速等的监测来达到对输送介质的控制。而这些传感器绝大部分是需要电池对其进行供电。然而，传统电池的供电性能有限，需要频繁地进行更换，且电池的制造和处理又会产生大量的环境问题。更加严重的是很多输水管道铺设在无人区或人力难以到达的地方，电池的更换成本更高，且无法通过附近的输电线路对其供电，这都对传感器的供电问题提出挑战[1]。

为此设计一种利用管道内流体动能进行发电的微型水轮机。使管道内部的传感器可以通过自供电的方式满足自身的电力需求。本文通过ANSYS软件设计出一个涡轮机模型通过对其有限元网格划分并设置边界条件，最后计算出涡轮的输出功率。再通过Maxwell设计出与涡轮机相匹配的永磁同步发电机，发电机发出交流电从而对传感器进行供电。

1 工作原理

管道水流发电系统的基本思路是:利用流体流动过程中产生的水流动能来驱动涡轮,涡轮转动并通过连接轴带动发电机发电,发电机发出交流电能后对传感器的电池进行充电，从而为自来水管道的检测设备提供电力,最终实现流体动能—机械能—电能的转化[2]。涡轮原动机的实体示意图如图1所示。

图1 涡轮原动机实体示意图

本文之所以选择在管道的转角处安装涡轮机是因为在此处安装便于发电机的轴与涡轮机相连，使发电机可以安装在管道的外侧，从而可以节省空间，同时也避免了发电机装在管道内部对管道流体的污染。

初步设定涡轮机的输出功率为100 W左右，而安装在管道的检测设备所用的传感器的供电电压等级通常为5 V,12 V不等。鉴于管道的可利用空间较小；且在定功率的情况下，如果电压选取过小，会导致电流过大使得发电机的线圈线径会很大，这都不利于发电机的安装和设计，所以本文初步选择发电机的电压等级为18 V。对其他不同电压等级的传感器可以进行降压、分压供电。

此外，由于管道供水可能会由于意外事故或检修导致管道无水或者流体速度不足，致使发电机不能稳定供电，因此采用发电机对蓄电池充电的方法代替发电机直接对传感器供电。此设定解决了发电机不能稳定供电的问题。

2 涡轮机设计

本文的涡轮机设计采用ANSYS内置的流体机械设计模块BladeGen建立涡轮机模型(BladeGen集成了大量涡轮机实例，可以模拟设计各种叶片类机械，如径向/轴向的涡轮机、风扇等[3])并将建立好的模型导入ANSYS内集成的有限元网格划分软件Turbogrid进行有限元的网格划分，最后通过流体计算软件CFX对涡轮机的初始边界条件进行设定后，开始进行分析计算[4]。本文在计算中采用 湍流模型，并设定初始边界条件为流量入口和压力出口边界[5]，通过改变流体机械的自变量参数如叶片数、叶片安装角，进行了多次仿真实验，最终得到一种可以与涡轮机连接的发电机相匹配的最优设计方案。

本文中与涡轮机匹配的发电机的设计功率约为100 W左右，额定转速1 000 r/min。根据:

式中：T为发电机输入转矩；ω为发电机角速度；n为发电机的转速。

可得发电机的输入转矩约为1 N·m，需要根据此转矩要求进行涡轮机模型的设计。

本文所选取的管道模型直径100 mm，根据:

式中：d为管道直径；v为管道内流体的流速，此处选取为1.5 m/s[1]；Q为管道内流体的单位流量。可得管道流量Q为12 L/s。即流量入口的边界条件。而压力出口的边界条件选取1atm[6]。

2.1 涡轮叶片数对转矩的影响

叶轮的几何形状大很大程度上会影响水轮机的过流能力，也会影响其效率和空蚀性能。因此，确定叶轮的参数具有重大意义。当其他边界条件参数相同，初步选定叶片安装角为50°，对不同叶片数的叶轮模型进行实验，所得涡轮转矩结果见表1所示。

表1 涡轮转矩

由表1可见，随着涡轮机叶片的增加，叶轮与流体的接触面积增大从而使叶轮得到更大的推力，涡轮机的转矩随之增大，且基本呈线性变化，但还不满足发电机的转矩需求，因此需要在叶片数目7、8片的前提下对叶片安装角进行进一步地优化。

2.2 叶片安装角对转矩的影响

当叶片数目为7片时，叶片安装角由46°～50°变化时叶轮的转矩变化见表2。叶片数为8片时，叶片安装角由40°～44°变化时，叶轮的转矩变化见表3所示。

表2 7叶片涡轮转矩

表3 8叶片涡轮转矩

试验表明，当叶片数为7，安装角为46°；或叶片数为8，安装角为41°时，叶轮的输出转矩满足发电机输入转矩1 N·m的需求。但叶片数目的增多将会增大实际模型的制造难度，且管道流道的空间过小易形成回流和二次流现象[7]。为此本文选取叶片数为7片的模型为永磁同步发电机提供转矩。

3 永磁同步发电机的电磁设计

3.1 发电机励磁种类选择

发电机磁场是由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生，所以发电机按励磁方式可以分为永磁式和励磁式两种类型，电磁式发电机需要配备相应的励磁系统，结构复杂，不适用于小功率发电场合；且在管道附近并无可利用的励磁电源。而永磁体对外做功不消耗自身的磁能，且体积小、重量轻、温升低，因此在发电机、电动机、航空航天、传感器等领域得到广泛应用[8]。

对于小型的发电设备，发电机通常可采用永磁式直流发电机或永磁交流发电机；而直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此本文选择永磁交流同步发电机作为设计模型。

3.2 发电机的设计

按永磁同步发电机的设计要求：额定容量PN=90 W；电机相数m=3；额定电压UN=18 V;额定转速nN=1 000 r/min。电机结构尺寸及主要参数如表4所示。

表4 发电机主要参数

本文采用Ansoft Maxwell 中的RMxprt模块设计永磁同步发电机，在RMxprt板块中输入电机的定转子各种数据后，软件会自动进行分析求解并建立电机的2D模型；然后再利用RMxprt的接口将模型导入MAXWELL 2D模型，通过有限元分析求解后得到电机的相关数据曲线，发电机发出的电流、电压如图4、图5所示。

图2 发电机电流曲线

图3 发电机电压曲线

由图3可以看出,电压波形并非标准正弦波，通过对电压波形进行FFT分析，电压FFT分析如图4所示。其谐波含量如表5所示。由图可知电压波形内主要含有5次谐波，这可以通过选用串联6%的电抗器来进行滤波。

图4 电压FFT分析图

谐波次数15711电压/V180.60.250.19

4 结 语

本文利用ANSYS中BladeGen、CFX、Maxwell、对管道涡轮发电机的原动机，发电机进行了仿真。通过对涡轮机叶片安装角及叶片数的优化，设计出一种输出功率约为100 W的涡轮原动机，使其可以匹配发电机的转矩需求。通过最终的仿真结果可知，发电机发出的电能可以满足管道内传感器的供电需求，使其可以对流体进行监测。

[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] 韩培,张师帅.井下泥浆涡轮发电系统水力性能试验研究[J].石油矿场机械,2010(3):59-61.

[3] 丁凌云,冯进,刘孝光,等.CFX-BladeGen在涡轮叶片造型中的应用[J].工程设计学报,2005,12(2):109-112.

[4] 冯进,张慢来,张先勇,等.井下水动力轴流涡轮设计与试验研究[J].石油矿场机械,2010,39(12):51-53.

[5] 李光宇,袁立强,赵争鸣,等.基于计算流体动力学的高效交流电机风扇优化[J].电工电能新技术,2014,33(11):24-28.

[6] 城镇给水排水技术规范:GB50788——2012[S].

[7] 刘合,贾德利,张书进.油田井下微型水轮机的数值分析与研究[J].石油机械,2012(12):59-63.

[8] 苏绍禹,高红霞.永磁发电机机理设计及应用[M].北京：机械工业出版社,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

山西省科技攻关项目(2011032102602)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0040-02

段巍钊(1990-)，男，硕士，研究方向为电力电子与电气传动。