專用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真分析

楊廣新，關(guān)麗榮，朱 智

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能或者機(jī)械能的有效方法是將風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)作為升力裝置來運(yùn)行.根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向的不同，有水平軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)之分.水平軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)通過螺旋槳式轉(zhuǎn)子和回轉(zhuǎn)軸來獲得風(fēng)能，其轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)的方向平行[1-3].垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)直接使用直的或者彎的葉片轉(zhuǎn)子捕獲風(fēng)能，其回轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的流動(dòng)方向，可捕捉任何方向的風(fēng)能[4-5].垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)輪葉片及傳動(dòng)系統(tǒng)受力簡(jiǎn)單、可靠性高.垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的重力與慣性力的方向始終不變，使得發(fā)電機(jī)組具有較恒定的受力特性，因此其葉片及傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞壽命較長(zhǎng)[6-7].

本文以選定尺寸的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)探測(cè)車專用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其NACA0018翼型葉片進(jìn)行建模，并采用Abaqus仿真分析軟件，對(duì)微型垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片支撐桿、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析.

1 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)材料及運(yùn)行環(huán)境

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在465～485 ℃的高溫下運(yùn)行，要求其材料耐高溫、耐腐蝕.考慮到風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配及運(yùn)輸問題，應(yīng)盡可能使用密度小、強(qiáng)度高、力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料.經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，本文選用航空航天領(lǐng)域已廣泛使用的TC4鈦合金，作為風(fēng)力驅(qū)動(dòng)探測(cè)車的主要材料.探測(cè)車質(zhì)量為5 kg；在10 m/s的額定風(fēng)速下，額定速度為0.1 m/s；所獲驅(qū)動(dòng)力F=39 N，驅(qū)動(dòng)功率P0=3.9 W.探測(cè)車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率β=0.6.風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的直接輸出功率P=6.5 W.

在發(fā)動(dòng)機(jī)極限運(yùn)行溫度為485 ℃時(shí)，TC4鈦合金材料的密度為4 440 kg/m3，楊氏模量為70 GPa，泊松比為0.37，屈服強(qiáng)度為583 MPa.

2 NACA0018翼型葉片的設(shè)計(jì)及建模

垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的額定風(fēng)速V=10 m/s，NACA0018翼型葉片高徑比為1.3，額定風(fēng)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=120 r/min，風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.28.垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的NACA0018翼型葉片為相對(duì)彎度0、相對(duì)厚度18%的對(duì)稱翼型.

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為：

(1)

式中：U為來風(fēng)速度，U=10 m/s；ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；S為掃風(fēng)面積，S=0.036 m2.

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何性能參數(shù)如表1所示.

表1 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何性能參數(shù)

設(shè)定翼型的壁厚為2 mm.使用Profili翼型設(shè)計(jì)軟件生成弦長(zhǎng)為100 mm的NACA0018翼型輪廓數(shù)據(jù)(表2).將表2數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks軟件，可生成圖1所示的NACA0018翼型模型.

表2 NACA0018翼型輪廓數(shù)據(jù)

圖1 NACA0018翼型模型

為使NACA0018翼型葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中具有更好的承載能力和剛度，可在距其兩端30 mm處添加兩條5 mm厚的加強(qiáng)筋.所得NACA0018翼型強(qiáng)化模型如圖2所示.

圖2 NACA0018翼型強(qiáng)化模型

查閱資料，將NACA0018翼型葉片的雷諾數(shù)設(shè)為300 000，并將其與翼型輪廓數(shù)據(jù)一起輸入Profili軟件，可得表3所示的NACA0018翼型葉片特征參數(shù).

表3 NACA0018翼型葉片的特征參數(shù)

由表3可知，該翼型葉片的升阻比最大值為57.374 3，對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)Cl=0.981 1，阻力系數(shù)Cd=0.017 1.

3 葉片支撐桿靜力學(xué)仿真分析

3.1 葉片支撐桿受力分析

當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)探測(cè)車以最大速度勻速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩T與阻力矩T阻相等，且T產(chǎn)生于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪.車輪半徑為r=0.031 m，驅(qū)動(dòng)力為F，傳動(dòng)效率β=0.6，可計(jì)算出，T的值為1.2 Nm，風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)總輸出扭矩T風(fēng)的值為2 Nm.風(fēng)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)B=3，則每片葉片所產(chǎn)生扭矩的值為0.67 Nm，每片葉片受切向力F1的值為8 N.

圖3所示為葉片受力情況.葉片的主要受力分別為風(fēng)能產(chǎn)生的切向力F1、自身重力G以及葉片繞中心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F2.支撐桿產(chǎn)生的彎矩主要是由葉片重力和葉片所受切向力產(chǎn)生的.

圖3 葉片受力情況

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片支撐桿的長(zhǎng)度為R，也是風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑.可將葉片支撐桿受力模型(圖4)簡(jiǎn)化成懸臂梁進(jìn)行受力分析.

圖4 葉片支撐桿受力分析模型

3.2 葉片支撐桿靜力學(xué)模型的建立

支撐桿分別受自身重力G1、葉片重力G、旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的切向力和離心力4種力的作用.因?yàn)殡x心力對(duì)葉片產(chǎn)生的是拉伸作用，對(duì)支撐桿的影響較小，所以可暫不考慮.這里只考慮3種力對(duì)支撐桿的影響.整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減小計(jì)算量，需簡(jiǎn)化模型，將葉片等復(fù)雜特征隱去，將葉片對(duì)支撐桿的作用簡(jiǎn)化為等效載荷施加于支撐桿的端部(圖5).

圖5 葉片支撐桿簡(jiǎn)化模型

3.3 約束條件及載荷

(1) 將支撐桿靠近轉(zhuǎn)軸的端面固定.重力加速度g=9.8 m/s2.將重力賦予整個(gè)幾何模型.NACA0018葉片的重力為2.6 N，將葉片的重力以等效載荷的形式施加于支撐桿的端部.

(2) 每個(gè)葉片在額定風(fēng)速下都會(huì)產(chǎn)生0.67 Nm的額定轉(zhuǎn)矩.支撐桿長(zhǎng)度為83 mm.葉片所受的切向力為8 N，施加于支撐桿的端部.

3.4 支撐桿的網(wǎng)格劃分

根據(jù)支撐桿的特征，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元剖分實(shí)體，可建立圖6所示的葉片支撐桿網(wǎng)格劃分模型.

圖6 葉片支撐桿的網(wǎng)格劃分模型

3.5 支撐桿靜力學(xué)仿真結(jié)果的分析

圖7所示為葉片支撐桿在額定風(fēng)速10 m/s下所受應(yīng)力及發(fā)生變形的仿真分析云圖.

從圖7可以看出：在綜合載荷的作用下，應(yīng)力主要分布在支撐桿與轉(zhuǎn)軸的連接處，最大應(yīng)力為20.15 MPa，遠(yuǎn)小于TC4鈦合金的屈服應(yīng)力；葉片支撐桿沒有發(fā)生塑性應(yīng)變，僅發(fā)生了較小的彈性應(yīng)變，應(yīng)變?yōu)?.000 25 ；風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)支撐桿在綜合載荷作用下，端部位移只有0.24 mm，剛性良好.

(a) 應(yīng)力云圖

(b) 彈性應(yīng)變?cè)茍D

(c) 塑性應(yīng)變?cè)茍D

(d) 端部位移云圖

圖7 葉片支撐桿的仿真分析云圖

4 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)仿真分析

在實(shí)際運(yùn)行中，3個(gè)葉片通過對(duì)應(yīng)的葉片支撐桿將扭矩傳遞給中間的轉(zhuǎn)軸，在扭矩的作用下，轉(zhuǎn)軸可能發(fā)生變形，特別是在轉(zhuǎn)軸下端齒輪卡住的情況下，扭矩完全作用在轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)如果發(fā)生較大的變形將直接影響功率的輸出，影響整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)行精度.

4.1 轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)模型的建立

為了減小計(jì)算量，需簡(jiǎn)化模型，將車體、葉片和支撐桿隱去，將葉片的扭矩作用等效成對(duì)應(yīng)的載荷，直接加載到轉(zhuǎn)軸上端.簡(jiǎn)化后轉(zhuǎn)軸模型如圖8所示.

4.2 約束條件及載荷

將轉(zhuǎn)軸下端固定于齒輪表面，忽略轉(zhuǎn)軸自身重力的影響.在額定風(fēng)速10 m/s的條件下，3個(gè)葉片產(chǎn)生的扭矩共2 Nm，且直接作用在轉(zhuǎn)軸上端固定支撐桿的圓盤表面.

圖8 簡(jiǎn)化后轉(zhuǎn)軸模型

4.3 轉(zhuǎn)軸的網(wǎng)格劃分

根據(jù)轉(zhuǎn)軸的特征，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元剖分實(shí)體，可建立圖9所示的轉(zhuǎn)軸劃分網(wǎng)格模型.

圖9 轉(zhuǎn)軸的網(wǎng)格劃分模型

4.4 轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)仿真結(jié)果的分析

圖10所示為轉(zhuǎn)軸的仿真分析云圖.

(a) 應(yīng)力云圖

(b) 彈性應(yīng)變?cè)茍D

(c) 塑性應(yīng)變?cè)茍D

(d) 變形云圖

對(duì)圖10分析可知：在葉片轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)軸的高應(yīng)力區(qū)域主要分布在轉(zhuǎn)軸與支撐底座之間的過渡區(qū)域，最大應(yīng)力僅為20.1 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈦合金的屈服強(qiáng)度；相應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)?.000 24，集中在轉(zhuǎn)軸到支撐底座的過渡區(qū)域，與高應(yīng)力區(qū)域相對(duì)應(yīng)，且未發(fā)生塑性變形；轉(zhuǎn)軸的最大變形集中在其上端，且接近于支撐桿，最大變形約為0.12 mm.仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)合理.

5 結(jié)束語

本文使用Profili翼型設(shè)計(jì)軟件生成了所需的NACA0018翼型；將該翼型輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks，對(duì)翼型進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)；使用Abaqus仿真分析軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)模型的關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析.對(duì)葉片支撐桿和風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸在極限情況下的受力和變形分析可知，即使在極限使用條件下，該風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可以保持良好的工作狀態(tài).