彭益松 范廣恒 石萬進(jìn)

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000）

隨著人民生活水平的提高和需求的增加，機(jī)動(dòng)車已經(jīng)成為生活中不可或缺的組成成分。當(dāng)前，我國(guó)環(huán)境污染問題的日益突出，機(jī)動(dòng)車尾氣排放已成為空氣污染的主要來源。

在眾多因素的影響下，出行交通工具正迎來新的變革，以燃燒化石能源提供動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車將會(huì)被使用新能源的交通工具所取代。目前，電網(wǎng)中的電能大部分是由煤炭轉(zhuǎn)化而來，在使用的同時(shí)也會(huì)帶來污染。因此利用電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車也不能算是綠色出行。實(shí)際上，風(fēng)能如果經(jīng)過恰當(dāng)?shù)睦茫部勺鳛槠嚨膭?dòng)力來源。

2018 年，姚兆飛[3]用PVC 材料自制了新能源小車，主要設(shè)計(jì)了新能源小車的外形和內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)；對(duì)于整體動(dòng)力性能分析部分，在2005 年，王立新[4]等人進(jìn)行了逆風(fēng)運(yùn)行小車的運(yùn)行可行性分析。

本文主要從理論和實(shí)際上探究將風(fēng)能與太陽能作為小車動(dòng)力源的可行性，將小車分為葉片設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算分析三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，使小車能成功依靠自帶的風(fēng)輪和光伏板前進(jìn)，同時(shí)能夠做到在不同風(fēng)況下進(jìn)行風(fēng)力直驅(qū)、風(fēng)力發(fā)電和電力驅(qū)動(dòng)三種工作模式的切換。本文的小車的動(dòng)力全部來自于風(fēng)能和太陽能，綠色環(huán)保，解決了傳統(tǒng)交通工具帶來的環(huán)境污染的問題。

1 葉片設(shè)計(jì)

葉片作為風(fēng)力機(jī)中最為核心的零部件之一，設(shè)計(jì)良好的葉片具有較好的氣動(dòng)性能，從而產(chǎn)生高的風(fēng)能利用率和產(chǎn)生優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益[5]。葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：在確定葉片尺寸的前提下，設(shè)計(jì)一款最佳葉片，能夠?yàn)樾≤囂峁┳畲蠊β省?/p>

1.1 翼型的選擇

傳統(tǒng)的翼型風(fēng)力機(jī)在低雷諾數(shù)工況下易發(fā)生氣泡式分離。葉片前緣對(duì)葉片表面粗糙度變化敏感，升阻比變化較大，使功率負(fù)荷波動(dòng)增大。因此，如何根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求來選擇一種合適的新翼型是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。研究表明[6]，S 翼型風(fēng)輪有效尖速比范圍較寬，功率系數(shù)CP 值在0.3 以上的區(qū)域所對(duì)應(yīng)的尖速比λ 為4～10.5，整體的功率系數(shù)變化平緩，適合低風(fēng)速區(qū)域，且適合用于小車行駛工作的場(chǎng)景。因此，經(jīng)過綜合分析，選擇S 翼型作為設(shè)計(jì)翼型。

所謂性能良好的翼型是在一定攻角范圍之內(nèi)，較大升力系數(shù)Cl，較小的阻力系數(shù)Cd，也就是升力與阻力系數(shù)的比值越高，所設(shè)計(jì)的葉片的效率也就越高。

選取設(shè)計(jì)工況雷諾數(shù)Re=0.1e5，馬赫數(shù)Ma=0，利用XFOIL軟件計(jì)算不同厚度的翼型分別在不同攻角下的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，并利用Matlab 編程畫出兩種翼型升阻比的圖像進(jìn)行比較。如圖1所示，通過比對(duì)不同型號(hào)葉片（翼型S822 與翼型S826）的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)比一定范圍內(nèi)的升阻比，選擇翼型S826 作為小車葉片。

圖1 兩種翼型Cl/Cd 的對(duì)比

1.2 葉片設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

本文采用Glauert 方法來編制葉片的設(shè)計(jì)程序，同時(shí)考慮Plandtl 葉尖修正效果。根據(jù)該翼型的最佳攻角，將篩選出來的S826 翼型輸入程序，得到利用翼型設(shè)計(jì)出來的葉片的各葉素面的弦長(zhǎng)和扭角優(yōu)化值。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)S826 的升阻力與攻角關(guān)系圖中，選取7 度作為設(shè)計(jì)攻角，帶入下列公式中：

式中：c 為葉片元素的弦長(zhǎng)，F(xiàn) 為葉尖損失因子，軸向誘因子a，φ 為葉片入流角（°），B 為葉片數(shù)量，λ 為葉尖速比，Cn 為葉片元素的軸向受力系數(shù)。

1.2.2 約束條件

為了確定上面式子中目標(biāo)函數(shù)，就必須滿足下式的約束條件：

式中，Cl 為葉片元素的升力系數(shù)，Cd 為葉片元素的阻力系數(shù)

迭代計(jì)算出各葉素面的a，F(xiàn)，其中F 下列式子確定

式中：f 為葉稍損失系數(shù)因子；R 為葉片長(zhǎng)度，r 為某葉素截面到風(fēng)輪中心的距離，m。

1.2.3 設(shè)計(jì)步驟

為了滿足加工工藝和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的需求[7]，采用Glauert 方法來編制葉片的設(shè)計(jì)程序，同時(shí)考慮Plandtl 葉尖修正效果。計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3。圖2 為弦長(zhǎng)變化曲線，圖3 為扭角變化曲線。

圖2 弦長(zhǎng)變化曲線

圖3 扭角變化曲線

從而確定葉片的實(shí)際展長(zhǎng)，得到葉片弦長(zhǎng)扭角的真實(shí)分布。最后根據(jù)葉片設(shè)計(jì)的弦長(zhǎng)扭角分布，將基礎(chǔ)翼型S826 帶到變換矩陣中變換，從而得到葉片展長(zhǎng)對(duì)應(yīng)處的翼型幾何數(shù)據(jù)。

1.3 葉片建模

1.3.1 繪制葉素輪廓線

通過UG 軟件的“樣條曲線”導(dǎo)入葉片的幾何數(shù)據(jù)，繪制出葉素的輪廓曲線。

1.3.2 生成葉片三維實(shí)體模型

通過“插入”菜單中的“網(wǎng)格曲線- 通過曲線組”指令，生成一個(gè)通過所有翼型的曲面，形成葉片的外表面，然后在將葉根處封閉并將所有的面縫合形成一個(gè)實(shí)體，生成葉片三維模型。

1.4 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車風(fēng)輪具有變槳、偏航以及收束三種功能，在小車工作在風(fēng)力直驅(qū)和風(fēng)力發(fā)電模式時(shí)，風(fēng)輪根據(jù)風(fēng)向傳感器反饋的風(fēng)向信號(hào)，控制機(jī)艙中的偏航電機(jī)工作，使得風(fēng)輪自動(dòng)偏航，同時(shí)，控制器的芯片也會(huì)根據(jù)風(fēng)速傳感器的反饋信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的最佳槳距角，控制變槳電機(jī)工作，從而改變?nèi)~片的攻角，最大效率地捕獲風(fēng)能；在發(fā)電力驅(qū)動(dòng)工作模式下，控制器控制風(fēng)輪支柱上的電推桿收縮，從而使得支柱折疊，完成風(fēng)輪的收束，降低小車的行駛時(shí)的空氣阻力。

2 整機(jī)設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)計(jì)分為尺寸設(shè)計(jì)、外型設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)、駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 外型設(shè)計(jì)

使用Fusion 360[8]對(duì)曲面進(jìn)行揉捏設(shè)計(jì)合適的外形，將設(shè)計(jì)的外形導(dǎo)入到UG 中，截取不同位置處的曲面截面，用樣條擬合，使得截面更加圓潤(rùn)，使用網(wǎng)格曲線命令將所有截面連接構(gòu)造成小車外型曲面，重復(fù)優(yōu)化直到小車外型達(dá)到預(yù)期，最后使用加厚命令繪制外型實(shí)體模型。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括變槳控制、偏航控制、風(fēng)輪收束控制、模式切換控制。變槳控制是根據(jù)小車的行駛狀態(tài)與外界風(fēng)速情況控制葉片的槳距角，偏航控制是當(dāng)小車轉(zhuǎn)向或者外界風(fēng)的方向改變時(shí)控制器會(huì)控制偏航電機(jī)使得風(fēng)輪能夠始終正對(duì)來流，風(fēng)輪收束控制是控制器會(huì)根據(jù)小車工作模式從而控制電推桿帶動(dòng)風(fēng)輪升起或收束模式，模式轉(zhuǎn)換控制是控制器會(huì)根據(jù)不同的工作模式控制齒輪箱處于不同的檔位。

3 理論計(jì)算分析

理論計(jì)算為小車行駛可行性提供指導(dǎo)和驗(yàn)證，增加了試驗(yàn)的成功概率。理論計(jì)算的目的是計(jì)算出小車的最大允許質(zhì)量，制造小車時(shí)的質(zhì)量不得大于最大允許質(zhì)量。

要計(jì)算得到小車的最大允許質(zhì)量，首先要求得小車的最大允許摩擦力，對(duì)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行整體受力分析，小車在水平方向受到四個(gè)力，分別是推力、葉輪阻力、車身阻力和車輪與地面的滾動(dòng)摩擦力。

推力的大小是決定風(fēng)輪能否帶動(dòng)小車前進(jìn)的重要因素。推力由風(fēng)輪葉片提供，可以通過計(jì)算不同風(fēng)速下葉片受到的扭力來計(jì)算小車的推力。葉片設(shè)計(jì)完成之后，利用BEM理論，借助MATLAB 計(jì)算達(dá)到有個(gè)葉片在不同風(fēng)速條件下葉片提供的推力。

由于小車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法使用公式準(zhǔn)確計(jì)算出小車受到的氣動(dòng)阻力，為了較為準(zhǔn)確地得到小車在各個(gè)風(fēng)速條件下受到的阻力，將小車模型導(dǎo)入到fluent 軟件中，借助軟件直接計(jì)算小車整體受到的氣動(dòng)阻力。

根據(jù)推力和氣動(dòng)阻力，得出小車受到的行駛過程中允許的最大摩擦力，并根據(jù)滾動(dòng)摩擦力的公式，可以得到小車模型的最大允許質(zhì)量，只要制作的小車模型質(zhì)量小于計(jì)算得到的最大允許質(zhì)量，小車就可以順利行駛。

4 結(jié)論

4.1 本文從理論上探究將風(fēng)能與太陽能作為小車動(dòng)力源的可行性，將小車分為葉片設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算分析三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，使小車能成功依靠自帶的風(fēng)輪和光伏板前進(jìn)。從理論和實(shí)際兩方面對(duì)風(fēng)能和太陽能作為小車動(dòng)力源的可行性進(jìn)行了充分的論證，說明將風(fēng)能與太陽能結(jié)合的動(dòng)力小車是可行的。

4.2 本文通過多種設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案的分析對(duì)比，Glauert 方法是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。本文按照Glauert 法優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片弦長(zhǎng)扭角，制定數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮Plandtl 葉尖修正效果。以MATLAB 為計(jì)算工具計(jì)算各參數(shù)，并且對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，提高葉片氣動(dòng)性能。

4.3 小車實(shí)現(xiàn)了小車風(fēng)力直驅(qū)、風(fēng)力發(fā)電、電力驅(qū)動(dòng)三種工作模式，風(fēng)輪完成了變槳，偏航，收束三種功能。風(fēng)輪根據(jù)風(fēng)向傳感器反饋的風(fēng)向信號(hào)，控制機(jī)艙中的偏航電機(jī)工作，使得風(fēng)輪自動(dòng)偏航；同時(shí)，控制器的芯片也會(huì)根據(jù)風(fēng)速傳感器的反饋信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的最佳槳距角，控制變槳電機(jī)工作，從而改變?nèi)~片的攻角，最大效率地捕獲風(fēng)能；在電力驅(qū)動(dòng)工作模式下，控制器控制風(fēng)輪支柱上的電推桿收縮，從而使得支柱折疊，完成風(fēng)輪的收束。