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        專(zhuān)用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真分析

        2019-11-09 01:10:58楊廣新關(guān)麗榮
        關(guān)鍵詞:垂直軸支撐桿轉(zhuǎn)軸

        楊廣新,關(guān)麗榮,朱 智

        (1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 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(lái)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(guò)螺旋槳式轉(zhuǎn)子和回轉(zhuǎn)軸來(lái)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(chē)專(zhuān)用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)其N(xiāo)ACA0018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(wèn)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(guò)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(chē)的主要材料.探測(cè)車(chē)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(chē)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(chēng)翼型.

        風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為:

        (1)

        式中:U為來(lái)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(méi)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(guò)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(chē)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(pán)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(guò)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(guò)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(yǔ)

        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).

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