靳子恒

一種新型灑水車水箱內(nèi)防浪板及能量回收裝置＊

靳子恒

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

闡述了罐體內(nèi)的一種能量回收裝置的研究背景及意義，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了雙向水流的能量收集的同時(shí)，又能有效減少罐體晃動(dòng)，保證車輛平穩(wěn)運(yùn)行。后對(duì)螺旋槳葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從數(shù)學(xué)計(jì)算角度驗(yàn)證了其可行性。

罐車；螺旋槳；防浪板；發(fā)電機(jī)

1 前言

罐式車輛在近些年來(lái)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在特種作業(yè)和交通運(yùn)輸中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但罐體車輛主要問(wèn)題在于，罐內(nèi)液體會(huì)隨著車輛的運(yùn)行狀態(tài)改變位置，影響車輛行駛時(shí)的重心從而在行駛中導(dǎo)致危險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)人員在罐體內(nèi)部加入了防浪板來(lái)阻止罐內(nèi)液體的過(guò)度流動(dòng)影響車輛整體重心。不同路況下車輛的駕駛情況復(fù)雜，罐體內(nèi)部的液體會(huì)做較為劇烈的運(yùn)動(dòng)。對(duì)防浪板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高放浪性能的同時(shí)對(duì)其能量也進(jìn)行收集，是本次研究的目的。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，主要對(duì)城市中的水罐車進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)可回收能量的防浪板裝置，在防浪板流通孔處設(shè)置水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，當(dāng)車輛在起步和剎車等過(guò)程中，水流會(huì)與防浪板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。為了提高能量的收集效率又加入了換向輸入機(jī)構(gòu)以使得裝置能夠收集雙向運(yùn)動(dòng)的螺旋槳?jiǎng)幽堋?/p>

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)擬用開(kāi)口防浪板、孔中心安裝螺旋槳的方案，在有效降低水動(dòng)能的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行收集利用，換向輸入裝置可收集兩向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高能量利用率，最終將動(dòng)能輸出到轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)換為電能輸出。

本次設(shè)計(jì)主要涉及開(kāi)口防浪板、能量收集裝置、換向輸出裝置。下面主要對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行具體說(shuō)明。

2.1 開(kāi)口防浪板

根據(jù)工況條件，防浪板外形采用契合水罐車罐體形狀的橢圓外形開(kāi)孔設(shè)計(jì)。防浪板的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有橢圓外形尺寸、圓形開(kāi)口尺寸、圓形開(kāi)口位置。

根據(jù)對(duì)城市水罐車的調(diào)查，得出水罐車罐體內(nèi)部為長(zhǎng)軸長(zhǎng)2 300 mm、短軸長(zhǎng)1 500 mm的橢圓形。因此，防浪板 外形也參考此外形尺寸，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)軸長(zhǎng)2 300 mm、短軸長(zhǎng) 1 500 mm的橢圓形。

開(kāi)孔尺寸大小主要需要綜合考慮開(kāi)孔對(duì)水流通過(guò)率的影響。開(kāi)口位置和開(kāi)口尺寸不能使水流通過(guò)率太大，以免對(duì)罐體的重心影響過(guò)大，又不能使水流通過(guò)率過(guò)低，致使水流對(duì)防浪板的沖擊效果太明顯，也無(wú)足夠的水流沖擊螺旋槳發(fā)電。綜合以上考慮，對(duì)開(kāi)口尺寸為直徑540 mm，距離橢圓中心水平距離750 mm的正圓開(kāi)孔。

2.2 螺旋槳設(shè)計(jì)

根據(jù)工況條件，螺旋槳設(shè)計(jì)擬參考水輪機(jī)的螺旋槳設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有螺旋槳半徑、葉片數(shù)目、葉片出口角。通常情況下，螺旋槳水輪機(jī)還需要考慮工作水流量和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速等，但由于本次設(shè)計(jì)工況下，水流速度受汽車行駛狀況的影響較大，水流速度較為不穩(wěn)定，因此忽略工作水流量和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的條件，采用預(yù)設(shè)參數(shù)分析和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)校核設(shè)計(jì)的可行性。

設(shè)水流通過(guò)螺旋槳前速度為1，通過(guò)螺旋槳后的水流速度為2。1、2夾角為，水密度為，扇葉數(shù)目為，單個(gè)葉片面積為，葉片距中心半徑為。以此推斷螺旋槳收集的動(dòng)能及轉(zhuǎn)矩。

由動(dòng)量定理可知轉(zhuǎn)矩為：

=12cos（－90°）/2 （1）

單位時(shí)間螺旋槳收集到的能量為：

=1（12－22） （2）

水流沖擊螺旋槳的徑向力為：

=[1－2sin（－90°）]1（3）

由式（1）（2）分析可得，在不影響水流通過(guò)的情況下，盡量增加葉片沖擊有效面積，增加半徑可有效增加水流沖擊螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；在、、1、2不變的情況下，1、2所呈角度為90°時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。因此螺旋槳擬采用五片葉，葉片頂端距中心為245 mm，葉片有效面積為0.011 m2的設(shè)計(jì)方案。

由式（3）可知在水流的沖擊下還會(huì)有徑向的力作用在螺旋槳上，此特性可用在其后的換向輸出裝置設(shè)計(jì)中。

2.3 換向輸出裝置設(shè)計(jì)

由螺旋槳的設(shè)計(jì)中式（3）可知，在水流對(duì)螺旋槳產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生徑向力。且考慮到設(shè)計(jì)所借鑒的水輪機(jī)發(fā)電裝置工況同本次工況有部分不同：水輪機(jī)發(fā)電裝置僅有單向水流發(fā)電，但在罐體內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡p向。綜合以上兩點(diǎn)，考慮到對(duì)能量更高的利用率的需求，設(shè)計(jì)了換向輸出裝置收集兩向水流的動(dòng)能后輸出。

裝置由5個(gè)轉(zhuǎn)子、2個(gè)皮帶和外殼組成。其中2個(gè)轉(zhuǎn)子為中心開(kāi)槽形成插槽的中空轉(zhuǎn)子，與螺旋槳中心對(duì)正。前后插槽同螺旋槳桿上的六角形卡槽配合。當(dāng)水流從罐體后端向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，水流推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。在螺旋槳向前徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與螺旋槳固定的前卡槽進(jìn)入換向輸出裝置的前插槽中，使得換向裝置中的前插槽隨著螺旋槳一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其后轉(zhuǎn)子通過(guò)皮帶傳動(dòng)與前插槽做相反方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其后轉(zhuǎn)子通過(guò)皮帶傳動(dòng)使得動(dòng)力輸出軸做與轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)水流撞擊到罐體前側(cè)擋板后，水流開(kāi)始由車頭向車尾運(yùn)動(dòng)，此時(shí)螺旋槳做兩種運(yùn)動(dòng)：沿著固定桿向后的徑向運(yùn)動(dòng)，水流推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)（與水流向前推動(dòng)轉(zhuǎn)向相反）。在螺旋槳向后徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與螺旋槳固定的后卡槽進(jìn)入換向輸出裝置的后插槽中，使得換向裝置中的后插槽隨著螺旋槳一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其后后插槽通過(guò)皮帶傳動(dòng)使得動(dòng)力輸出軸做與后插槽相同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)能夠充分利用不同水流方向產(chǎn)生的動(dòng)能，同時(shí)能夠向同一個(gè)方向輸出動(dòng)能。

2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

裝置如圖1所示，本發(fā)明提供了一種能夠回收罐體車輛罐內(nèi)液體流動(dòng)動(dòng)能的裝置，其特征主要在于通過(guò)防浪板中心設(shè)置螺旋槳來(lái)收集罐體內(nèi)液體流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，螺旋槳前側(cè)和后側(cè)分別設(shè)置卡槽、插槽，前后插槽各自有不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，回收不同向水流的動(dòng)能，最終同向輸出給轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。

1—防浪板；2—換向動(dòng)力輸出件；3—轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)；4—螺旋槳；5—螺旋槳固定桿；6—?jiǎng)恿敵鲚S；7—皮帶3；8—螺旋槳桿；9—發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸；10—螺旋槳后插槽；11—螺旋槳前插槽；12—發(fā)電機(jī)動(dòng)力輸出軸；13—螺旋槳卡槽；14—轉(zhuǎn)子1；15—轉(zhuǎn)子2；16—皮帶1；17—皮帶2；18—轉(zhuǎn)子3。

3 螺旋槳葉片修改方案

研究機(jī)構(gòu)工況深度后發(fā)現(xiàn)，罐體內(nèi)部螺旋槳工況有兩大特點(diǎn)：慢速水流下的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，雙向水流對(duì)螺旋槳工作狀態(tài)的影響。因此直接采用傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的螺旋槳葉片可能并不能在此工況下取得最高的效率值。

因此根據(jù)緩水流的特點(diǎn)，擬采用旋翼式葉片，其能夠有效收集水流動(dòng)能。主要預(yù)設(shè)條件為：水流速1 m/s，迎水面積取與葉片數(shù)同螺旋槳數(shù)據(jù)相同，傳動(dòng)效率0.99，發(fā)電機(jī)效率0.98。功率為：

=3p12/2 （4）

式（4）中：為實(shí)際功率；為水密度；為葉片迎水面積，為葉輪直徑和高度的函數(shù)；為進(jìn)水水速；p為葉輪功率系數(shù)；1為機(jī)械傳動(dòng)效率；2為發(fā)電機(jī)效率。

能量利用系數(shù)p和葉尖速比如表1所示。

表1 能量利用系數(shù)和葉尖速比

形式Cpλ 螺旋槳0.425～10 帆翼0.354 風(fēng)扇式0.301 多葉式0.251.5 荷蘭式0.172～3 旋翼0.453～4 S型0.151 H型0.405～6

依據(jù)表1可知，旋翼式葉片p取0.45，根據(jù)式（4）計(jì)算可得=3p12=25 W。能夠滿足小型用電器的使用功率，設(shè)計(jì)較為符合預(yù)期。

4 總結(jié)

通過(guò)螺旋槳和一套輪系機(jī)構(gòu)，希望能夠設(shè)計(jì)出一套有效減小罐體重心變化，并對(duì)能量進(jìn)行有效利用的裝置。但裝置本身仍存在很大的優(yōu)化空間。裝置的驗(yàn)證方案仍需更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推理其效率，需要基于anays等軟件對(duì)其進(jìn)行仿真后驗(yàn)證其可行性。本裝置后續(xù)改進(jìn)方向?yàn)椋和ㄟ^(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證以及葉片優(yōu)化的效果；電機(jī)轉(zhuǎn)換的電能并未設(shè)計(jì)相應(yīng)的適應(yīng)電路，且仍有待探究后續(xù)電能的使用方案。

［1］孟維文.小型水流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［2］姚斌.微型水龍頭水流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.日用電器，2019（10）：49-52.

［3］田小平，白莉.液罐車動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（8）：16-19，21.

［4］朱占春，袁成清，孟維文，等.小型水流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與仿真［J］.船海工程，2014，43（6）：93-97.

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靳子恒（1999—），男，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院本科在讀，研究方向?yàn)檐嚿怼?/p>

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助（編號(hào)：S202010497167）

2095－6835（2021）06－0013－02

U469.693

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.005

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕