折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與分析

戴成軍，許波峰，汪亞洲，王海良，林世發(fā)，蔡 新

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京210000；2.河海大學(xué) 江蘇省風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)工程研究中心，江蘇南京 210000；3.新興際華科技發(fā)展有限公司，北京 100070）

0 引言

風(fēng)能是一種潔凈無污染、具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础０凑瞻l(fā)電機(jī)主軸方向進(jìn)行分類，風(fēng)力機(jī)可分為水平軸和垂直軸兩種。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有無需對(duì)風(fēng)偏航、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是該領(lǐng)域的主要研究方向。垂直軸風(fēng)力機(jī)分為升力型和阻力型兩種，與阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)相比，升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)主要是利用翼型產(chǎn)生的升力做功，其啟動(dòng)力矩較小、風(fēng)能利用系數(shù)較大、安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[1]，主要有Φ型和H型等。

目前，針對(duì)小型便攜式垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究較少，但其適用于長(zhǎng)期駐扎野外環(huán)境的居民和工作者，所以仍然具有較大的需求。相比于其他升力型風(fēng)力機(jī)，H型風(fēng)力機(jī)更適合進(jìn)行便攜式設(shè)計(jì)，因?yàn)镠型直葉片在風(fēng)力機(jī)收縮過程中不會(huì)破壞葉片的結(jié)構(gòu)形式[2]。一些學(xué)者提出了H型可收縮式垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)，用離心力帶動(dòng)彈簧機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)葉片的收縮[3]，[4]，從而減少大量空間，使其便于攜帶，但其結(jié)構(gòu)的合理性仍需研究。H型垂直軸風(fēng)力機(jī)主要采用了NACA系列翼型[5]～[7]，通過氣動(dòng)性能分析，發(fā)現(xiàn)翼型形狀、葉片實(shí)度等對(duì)風(fēng)功率均有一定的影響，對(duì)比中發(fā)現(xiàn)采用NACA0018翼型時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能更優(yōu)[8]。氣動(dòng)性能和載荷計(jì)算主要采用雙致動(dòng)盤多流管模型、自由渦尾跡和CFD數(shù)值模擬方法[9]，與其他方法相比，雙致動(dòng)盤多流管模型計(jì)算簡(jiǎn)單快捷，誤差較小[10]。

隨著人們對(duì)野外活動(dòng)及生存的要求越來越高，便攜式電源的重要性越來越凸顯，但目前對(duì)于適用于野外環(huán)境的垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究較少。基于此，本文提出了一種便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)。首先，對(duì)風(fēng)輪整體參數(shù)和葉片收縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；其次，采用雙致動(dòng)盤多流管模型分析采用不同翼型時(shí)的葉片氣動(dòng)性能，并選擇氣動(dòng)性能更優(yōu)的翼型；然后，根據(jù)極限載荷計(jì)算不同材料的葉片重量，找出更適合野外便攜垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片材料；最后，分析折疊機(jī)構(gòu)連接桿的靜力學(xué)特性。

1 折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與普通風(fēng)力機(jī)相比，便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)易于攜帶，并且能夠在野外復(fù)雜環(huán)境下作為應(yīng)急保障設(shè)備，但其折疊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)往往對(duì)風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能有一定的影響。本文考慮折疊機(jī)能夠可靠、安全折疊，風(fēng)輪氣動(dòng)性能較好，葉片抗折損、輕質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，并且在野外環(huán)境下能夠快速完成單件風(fēng)力機(jī)運(yùn)行等要求。本文對(duì)便攜折疊式H型風(fēng)力機(jī)的折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)葉片的翼型和材料進(jìn)行選型，最終保證其能夠高效率、穩(wěn)定地運(yùn)行。

折疊機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上參考伸縮式雨傘的收合原理（圖1）[11]，采用曲柄機(jī)構(gòu)來完成桿件的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)葉片的收合以實(shí)現(xiàn)折疊功能。其工作原理為滑塊a，b沿支撐軸8上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)支撐桿3，5，使1，2桿和6，7桿由鉸鏈B，F(xiàn)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的折疊。

圖1 折疊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of foldingmechanism

翼型NACA0018，NACA4418在垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片中應(yīng)用較為普遍且氣動(dòng)性能較好[12]，故采用這兩種翼型對(duì)便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行建模、氣動(dòng)性能分析和載荷計(jì)算。風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)如表1所示?？紤]到葉片輕質(zhì)、抗折損等條件需要，葉片的材料選擇PEEK、鋁合金和玻璃纖維等高強(qiáng)度耐候材料。便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的三維模型如圖2所示（圖中葉片的翼型為NACA0018），圖2（a）為風(fēng)力機(jī)處于完全張開的工作狀態(tài)，圖2（b）為風(fēng)力機(jī)遇到極端風(fēng)況或停機(jī)時(shí)利用折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪的折疊。

表1 風(fēng)力機(jī)幾何參數(shù)Table 1 Basic parameters ofwind turbine

圖2 折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)Fig.2 Folding H-shaped vertical axiswind turbine

2 氣動(dòng)性能計(jì)算與分析

2.1 模型驗(yàn)證

由于單流管模型的假設(shè)過于簡(jiǎn)單和理想，與多流管模型相比，其計(jì)算精確度較低，所以本文選用了雙致動(dòng)盤多流管模型[13]?；谌~素動(dòng)量理論和流管理論求得切向力FN、法向力FT、扭矩Ts和風(fēng)能利用系數(shù)Cp分別為

式中：H為風(fēng)輪的高度；S為風(fēng)輪沿風(fēng)向的投影面積；c為葉片的弦長(zhǎng)；CN為法向力系數(shù)；CT為切向力系數(shù)；r為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑；ω為風(fēng)輪的角速度；ρ為空氣密度；δ為葉素與水平面的夾角；vR為葉片葉素的合成入流速度；ve為平衡速度區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)風(fēng)速；v為來流風(fēng)速。

考慮到H型垂直風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，本文選取美國Sandia實(shí)驗(yàn)室提供的Φ型垂直風(fēng)力機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]以驗(yàn)證算法的可靠性，葉片翼型為NACA0012，轉(zhuǎn)子半徑為2m，葉片弦長(zhǎng)為0.09m，葉片數(shù)目為2，葉片高度為2m，來流風(fēng)速為9m/s。運(yùn)用雙致動(dòng)盤多流管模型算法計(jì)算試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌~尖速比下的氣動(dòng)性能，結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)值與多流管模型計(jì)算值對(duì)比Fig.3 Comparison of test values and calculated values of multi-flow tubemodel

由圖3可知：在低葉尖速比下，雙致動(dòng)盤多流管模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致；在高葉尖速比下，雙致動(dòng)盤多流管模型的計(jì)算值略低于試驗(yàn)值，最大誤差為7.3%，其主要原因?yàn)樵囼?yàn)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際雷諾數(shù)低于理論計(jì)算的雷諾數(shù)。這表明依據(jù)雙致動(dòng)盤多流管理論建立的算法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。

2.2 氣動(dòng)計(jì)算與結(jié)果分析

為了使所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)能夠獲得最大的風(fēng)能，本文采用雙致動(dòng)盤多流管模型對(duì)NACA0018，NACA4418兩種翼型建立的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算和對(duì)比。圖4為計(jì)算出的Cp隨葉尖速比的變化曲線。

圖4 C p隨葉尖速比的變化曲線Fig.4 Blade tip speed ratio change relative to wind energy utilization coefficient

由圖4可知：兩種翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)的Cp均隨著葉尖速比的增大而先增大后減小，當(dāng)葉尖速比為4.5左右時(shí)，Cp達(dá)到最大值，且采用NACA0018翼型稍高一些；當(dāng)葉尖速比較低時(shí)，NACA4418翼型的風(fēng)力機(jī)Cp大于NACA0018翼型；當(dāng)葉尖速比較高時(shí)，NACA0018翼型的風(fēng)力機(jī)Cp更大，并且下降的趨勢(shì)更緩慢。

圖5為風(fēng)力機(jī)葉尖速比達(dá)到4.5時(shí)計(jì)算的兩種風(fēng)輪的扭矩系數(shù)CQ隨方位角的變化曲線。

圖5 不同翼型的扭矩系數(shù)Fig.5 Torque coefficient diagram of differentairfoils

由圖5可知：NACA0018和NACA4418翼型的風(fēng)力機(jī)CQ變化趨勢(shì)基本一致，其中方位角在0～180°為上風(fēng)向區(qū)域，方位角在180～360°為下風(fēng)向區(qū)域；在上風(fēng)向區(qū)域，隨方位角變化CQ呈拋物線狀，最大扭矩發(fā)生在方位角為90°時(shí)；在上風(fēng)向區(qū)域，NACA0018翼型的CQ高于NACA4418翼型的CQ；在下風(fēng)向區(qū)域，CQ明顯小于上方向區(qū)域的CQ。綜合來看，當(dāng)葉尖速比為4.5時(shí)，NACA0018翼型的氣動(dòng)性能優(yōu)于NACA4418翼型，這與圖4中呈現(xiàn)的結(jié)果相一致。根據(jù)Cp和氣動(dòng)性能對(duì)比分析結(jié)果，最終本文設(shè)計(jì)的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片采用NACA0018翼型。

3 折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的靜力學(xué)分析

由于氣動(dòng)載荷對(duì)葉片的影響遠(yuǎn)大于其它載荷對(duì)葉片的影響，本文考慮葉片在氣動(dòng)載荷作用下的力學(xué)特性，依據(jù)雙致動(dòng)盤多流管模型算法計(jì)算便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī) （翼型為NACA0018）在極端風(fēng)況下的氣動(dòng)載荷，當(dāng)方位角為90°時(shí)，扭矩、法向力和切向力都達(dá)到最大，這與文獻(xiàn)[8]中所提到的氣動(dòng)載荷結(jié)果相同，因此在此方位角下采用ANSYSWorkbench對(duì)葉片的靜力學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及載荷對(duì)稱的特點(diǎn)，將模型簡(jiǎn)化成單個(gè)葉片和連接桿結(jié)構(gòu)，連接桿結(jié)構(gòu)在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)鉸鏈被固定。故邊界條件及載荷施加如下：在連接桿末端施加固定約束，法向力和扭矩分別作用于葉片表面上；對(duì)葉片劃分網(wǎng)格，并完成3種葉片材料的網(wǎng)格無關(guān)性分析。不同材料的屬性如表2所示。

表2 不同材料的屬性Table 2 Properties of differentmaterials

圖6為網(wǎng)格數(shù)量與應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。由圖6可知，隨著網(wǎng)格密度的增加，不同材料葉片的應(yīng)力逐漸減少且逐步趨于平穩(wěn)，最終網(wǎng)格數(shù)量取145 623較為合理。

圖6 網(wǎng)格數(shù)量與應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between grid numbers and stress

為得出葉片在不同材料許用應(yīng)力下的厚度，將葉片的初始厚度設(shè)置為1mm，每次迭代計(jì)算增加0.2mm步長(zhǎng)，多次迭代得出不同材料葉片厚度對(duì)應(yīng)力的敏感度如圖7所示。

圖7 不同材料葉片的厚度對(duì)應(yīng)力的敏感度Fig.7 The sensitivity of differentmaterial blade thickness to stress

由圖7可知，隨著葉片厚度的不斷增加，等效應(yīng)力在不斷減小，當(dāng)應(yīng)力減少到接近許用應(yīng)力時(shí)，PEEK ST45CA30、玻璃纖維E型和鋁合金5083-H112 3種材料的葉片對(duì)應(yīng)的許用厚度分別為2.4，1.6mm和2.2mm。

圖8 不同材料葉片的臨界應(yīng)力Fig.8 Critical stresses of blades of differentmaterials

圖8為不同材料葉片在許用應(yīng)力附近的分析云圖。云圖中應(yīng)力最大的點(diǎn)出現(xiàn)在折疊機(jī)構(gòu)與葉片連接位置，這與實(shí)際情況相符。根據(jù)表2中材料的密度計(jì)算出PEEK ST45CA30、玻璃纖維E型和鋁合金5083-H112 3種材料葉片的重量分別為0.513，0.638 kg和0.907 kg，PEEK ST45CA30材料的葉片重量最小，從而離心力也最小，故本文將PEEK ST45CA30作為折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的材料。

由圖1折疊機(jī)構(gòu)可知，連接桿分為兩段，通過鉸鏈連接，其截面均為正方形，材料采用結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出優(yōu)化尺寸為30mm×30mm，24mm×24mm，厚度為3mm的回字形截面，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值為220.24MPa，變形量為0.642 71mm，危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在桿件連接位置?？紤]到便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中受到極端風(fēng)況的影響，從而導(dǎo)致連接桿變形量和強(qiáng)度等條件限制折疊機(jī)構(gòu)正常工作，故在極端風(fēng)速為17.5m/s時(shí)，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)施加葉片的重力、離心力和極端氣動(dòng)載荷進(jìn)行連接桿的靜力學(xué)分析。分析結(jié)果如圖9，10所示。分析結(jié)果表明，應(yīng)力值小于許用應(yīng)力235MPa，變形量也滿足設(shè)計(jì)要求，故在遇到極端風(fēng)況時(shí)折疊結(jié)構(gòu)能夠安全運(yùn)行。

圖9 連接桿等效應(yīng)力Fig.9 Equivalent stress of connecting rod

圖10 連接桿變形量Fig.10 Deformation of supporting rod

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，基于雙致動(dòng)盤多流管模型對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)性能和載荷計(jì)算，并在極限載荷下對(duì)葉片和折疊機(jī)構(gòu)連接桿進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到以下結(jié)論。

①在最佳葉尖速比下：NACA0018翼型風(fēng)力機(jī)的Cp大于NACA4418翼型風(fēng)力機(jī)，在上風(fēng)向區(qū)，NACA0018翼型風(fēng)力機(jī)的CQ大于NACA4418翼型風(fēng)力機(jī)；在下風(fēng)向區(qū)，NACA4418翼型風(fēng)力機(jī)的CQ大于NACA0018翼型風(fēng)力機(jī)。綜合來看，在最佳葉尖速比下，NACA0018翼型的氣動(dòng)性能更優(yōu)。

②在極限載荷作用下，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片選擇PEEK ST45CA30材料時(shí)重力和離心力最小，折疊機(jī)構(gòu)的連接桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形量均符合設(shè)計(jì)要求，故折疊機(jī)構(gòu)能夠正常工作。