基于有限元分析的微型管道水流发电系统设计

发布时间：2017-10-16 09:24

  本文关键词：基于有限元分析的微型管道水流发电系统设计

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【摘要】：城市自来水管道绝大部分位于地表以下,为了更好地对自来水的输送进行管理,自来水公司在管道沿线布设了大量的传感器。传统的传感器供电方法通常采用蓄电池供电,但是传统蓄电池的供电容量有限,需要频繁地对其进行更换,同时蓄电池的制造和处理又会产生大量的环境问题,对周围环境产生污染;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,蓄电池的更换成本将会更高,并且无法通过附近的输电线路对其供电。同时某些自来水管网将会通过一些环境恶劣地区,传统电池并不能耐受此类恶劣条件。本文设计了一种微型管道水流发电系统,其目的是实现对自来水管网中的传感器进行供电。主要以有限元分析软件ANSYS为设计与分析的工具,设计了用于管道的微型水轮机结构,并对不同结构水轮机经进行了水力计算和对比分析,从而确定一个最优结构,并对水轮机同轴相连的发电机进行了设计。结果表明,在不影响自来水正常传输的情况下,通过利用自来水管道内流体动能进行发电的形式,可以满足沿线传感器的供电需要。管道水流发电系统的总体结构包括水轮机原动机、发电机、整流电路三大部分。本文针对管道内安装环境的特点,选定水平轴涡轮机、永磁同步发电机以及电容滤波的三相桥式不可控整流电路作为本文的研究对象,通过水轮机带动与其同轴相连的发电机发电,并通过与发电机连接的整流电路将发电机所发交流电能转换为直流电能供用电设备使用。本文以计算流体力学CFD为理论基础,通过使用有限元分析软件ANSYS中的流体分析模块CFX对水轮机原动机涡轮部分进行了建模及性能分析。其中使用CFX-BladeGen建立涡轮机叶轮模型,然后通过涡轮叶栅通道网格划分模块CFX-TurboGrid对叶轮模型进行有限元的网格划分,并将所生成的网格文件导入ANSYS中的流体机械分析模块CFX-Pre中,CFX-Pre对叶轮加载边界条件并对其进行模拟仿真。最终,通过三部分仿真的串联整合,得到符合发电机要求的水轮机原动机模型。针对管道内有限空间及电能需求的特点,提出使用永磁同步发电机作为本文所使用的发电机模型。根据永磁同步发电机的基本理论、工作原理,并结合有限元电磁分析软件ANSYS/Maxwell,对永磁电机结构以及参数进行了选择及计算,然后将所得结果导入RMxprt软件中进行快速的电机分析优化计算。最后通过Maxwell 2D对发电机进行二维有限元模拟仿真与性能分析,结果显示所设计的永磁同步发电机可以成功输出波动较小的三相交流电;将电机与整流电路相连构成发电机——负载系统,其中整流电路类型选择电容滤波的三相桥式不可控整流电路。实验仿真表明,永磁同步发电机所发出的带有部分奇数次谐波的交流波形在经外电路整流后可以输出波动的直流波形,从而满足管道内直流用电设备的需求。
【关键词】：管道水流发电系统 CFD 水轮机 永磁同步发电机 整流电路
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 选题背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 水轮机11-14
• 1.2.2 永磁电机14-15
• 1.3 本文的研究目标及主要研究内容15-18
• 第二章 管道水流发电系统水轮机结构设计及性能分析18-44
• 2.1 管道水流发电系统结构18-19
• 2.2 有限元分析法与计算流体力学简介19-24
• 2.2.1 有限元分析法简介19-21
• 2.2.2 计算流体力学简介21-24
• 2.3 水轮机的设计方法24-35
• 2.3.1 流体动力学的控制方程25-28
• 2.3.2 CFD边界条件28-33
• 2.3.3 湍流与湍流模型33-35
• 2.4 水轮机模型建立与流场性能仿真35-41
• 2.4.1 BladeGen水轮机建模35-38
• 2.4.2 TurboGrid水轮机网格划分38-39
• 2.4.3 CFX模拟仿真与性能分析39-41
• 2.5 本章小结41-44
• 第三章 管道水流发电系统发电机设计44-68
• 3.1 发电机的选型44-45
• 3.2 常用电机设计方法45-46
• 3.3 Maxwell简介46-49
• 3.4 永磁同步发电机设计基本理论49-52
• 3.4.1 永磁同步发电机运行性能49-51
• 3.4.2 永磁同步发电机磁路51-52
• 3.5 永磁同步发电机结构与尺寸参数设计52-67
• 3.5.1 永磁同步发电机基本结构52-55
• 3.5.2 永磁同步发电机定子参数计算55-63
• 3.5.3 永磁同步发电机转子参数计算63-67
• 3.6 本章小结67-68
• 第四章 管道水流发电系统发电机电磁仿真与性能分析68-76
• 4.1 RMxprt微型管道永磁同步发电机的设计68-72
• 4.1.1 基于RMxprt的电机总体参数设计69-70
• 4.1.2 RMxprt仿真求解70-72
• 4.2 Maxwell 2D电机电磁性能分析72-75
• 4.3 本章小结75-76
• 第五章 管道水流发电系统整流电路设计76-84
• 5.1 整流电路理论基础76-79
• 5.2 Maxwell Circuit Editor整流仿真分析79-83
• 5.3 本章小结83-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 总结84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士学位期间成果及发表的学术论文92

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本文编号：1041880