摘要：輕便的風(fēng)力機可以在野外環(huán)境下滿足人們活動和生存的電源需求。文章針對便攜可折疊需求，提出了一種便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機。對風(fēng)力機風(fēng)輪參數(shù)和折疊機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，采用雙致動盤多流管模型對比分析了采用不同翼型的葉片氣動性能，確定較優(yōu)翼型。運用雙致動盤多流管模型算法計算葉片的極限載荷，求解采用不同材料時葉片的重量，尋求適合便攜式風(fēng)力機葉片的材料。對極限載荷作用下的折疊機構(gòu)連接桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，保證風(fēng)力機結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全性。靜力學(xué)分析結(jié)果表明：采用NACA0018翼型的葉片氣動性能更優(yōu);材料選擇PEEK ST45CA30時，葉片重量最輕;在極限載荷作用下，設(shè)計的折疊機構(gòu)連接桿滿足安全要求。

　　關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力機;折疊;結(jié)構(gòu)設(shè)計;氣動性能;強度分析

　　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)電機主軸方向進(jìn)行分類，風(fēng)力機可分為水平軸和垂直軸兩種。與水平軸風(fēng)力機相比，垂直軸風(fēng)力機具有無需對風(fēng)偏航、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點，是該領(lǐng)域的主要研究方向。垂直軸風(fēng)力機分為升力型和阻力型兩種，與阻力型垂直軸風(fēng)力機相比，升力型垂直軸風(fēng)力機主要是利用翼型產(chǎn)生的升力做功，其啟動力矩較小、風(fēng)能利用系數(shù)較大、安裝簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定"，主要有Ф型和H型等。

　　目前，針對小型便攜式垂直軸風(fēng)力機的研究較少，但其適用于長期駐扎野外環(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，H型風(fēng)力機更適合進(jìn)行便攜式設(shè)計，因為H型直葉片在風(fēng)力機收縮過程中不會破壞葉片的結(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)力機的結(jié)構(gòu)，用離心力帶動彈簧機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)葉片的收縮B.18，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)力機主要采用了NACA系列翼型4，通過氣動性能分析，發(fā)現(xiàn)翼型形狀、葉片實度等對風(fēng)功率均有一定的影響，對比中發(fā)現(xiàn)采用NACA0018翼型時，垂直軸風(fēng)力機葉片的氣動性能更優(yōu)。氣動性能和載荷計算主要采用雙致動盤多流管模型、自由渦尾跡和CFD數(shù)值模擬方法9，與其他方法相比，雙致動盤多流管模型計算簡單快捷，誤差較小1隨著人們對野外活動及生存的要求越來越高，便攜式電源的重要性越來越凸顯，但目前對于適用于野外環(huán)境的垂直軸風(fēng)力機的研究較少。基于此，本文提出了一種便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機。首先，對風(fēng)輪整體參數(shù)和葉片收縮機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計;其次，采用雙致動盤多流管模型分析采用不同翼型時的葉片氣動性能，并選擇氣動性能更優(yōu)的翼型;然后，根據(jù)極限載荷計算不同材料的葉片重量，找出更適合野外便攜垂直軸風(fēng)力機的葉片材料;最后，分析折疊機構(gòu)連接桿的靜力學(xué)特性。

　　1折疊式H型垂直軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與普通風(fēng)力機相比，便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機易于攜帶，并且能夠在野外復(fù)雜環(huán)境下作為應(yīng)急保障設(shè)備，但其折疊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)往往對風(fēng)力機獲取風(fēng)能有一定的影響。本文考慮折疊機能夠可靠、安全折疊，風(fēng)輪氣動性能較好，葉片抗折損、輕質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性強，并且在野外環(huán)境下能夠快速完成單件風(fēng)力機運行等要求。本文對便攜折疊式 H 型風(fēng)力機的折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與運動分析，對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)定地運行。

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

　　翼型NACA0018，NACA4418在垂直軸風(fēng)力機葉片中應(yīng)用較為普遍且氣動性能較好11，故采用這兩種翼型對便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機葉片進(jìn)行建模、氣動性能分析和載荷計算。風(fēng)力機的基本參數(shù)如表1所示。考慮到葉片輕質(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度耐候材料。便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機的三維模型如圖2所示(圖中葉片的翼型為NACA0018)，圖2(a)為風(fēng)力機處于完全張開的工作狀態(tài)，圖2(b)為風(fēng)力機遇到極端風(fēng)況或停機時利用折疊機構(gòu)實現(xiàn)風(fēng)輪的折疊。

　　2氣動性能計算與分析

　　2.1模型驗證

　　由于單流管模型的假設(shè)過于簡單和理想，與多流管模型相比，其計算精確度較低，所以本文選用了雙致動盤多流管模型。基于葉素動量理論和流管理論求得切向力F、法向力F、扭矩T，和風(fēng)能利用系數(shù)C，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;Gx為法向力系數(shù);Cr為切向力系數(shù);r為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑;0為風(fēng)輪的角速度：p為空氣密度;6為葉素與水平面的夾角;為葉片葉素的合成入流速度;。為平衡速度區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)風(fēng)速;為來流風(fēng)速。

　　考慮到H型垂直風(fēng)力機氣動性能的可靠試驗數(shù)據(jù)較少，本文選取美國Sandia實驗室提供的雨型垂直風(fēng)力機的試驗數(shù)據(jù)叫以驗證算法的可靠性，葉片翼型為NACA0012，轉(zhuǎn)子半徑為2m，葉片弦長為0.09m，葉片數(shù)目為2，葉片高度為2m，來流風(fēng)速為9m/s。運用雙致動盤多流管模型算法計算試驗?zāi)Ｐ驮诓煌~尖速比下的氣動性能，結(jié)果如圖3所示。

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

　　2.2氣動計算與結(jié)果分析

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

　　由圖 4 可知：兩種翼型的垂直軸風(fēng)力機的 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，C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，NACA4418翼型的風(fēng)力機C，大于NACA0018翼型;當(dāng)葉尖速比較高時，NACA0018翼型的風(fēng)力機C，更大，并且下降的趨勢更緩慢。

　　圖5為風(fēng)力機葉尖速比達(dá)到45時計算的兩種風(fēng)輪的扭矩系數(shù)C，隨方位角的變化曲線。

　　由圖5可知：NACA0018和NACA4418翼型的風(fēng)力機Co變化趨勢基本一致，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G呈拋物線狀，最大扭矩發(fā)生在方位角為900時;在上風(fēng)向區(qū)域，NACA0018翼型的Co高于NACA4418翼型的Co;在下風(fēng)向區(qū)域，Co明顯小于上方向區(qū)域的Co綜合來看，當(dāng)葉速比為4.5時，NACA0018翼型的氣動性能優(yōu)于NACA4418翼型，這與圖4中呈現(xiàn)的結(jié)果相一致。根據(jù)C，和氣動性能對比分析結(jié)果，最終本文設(shè)計的H型垂直軸風(fēng)力機葉片采用NACA0018翼型。

　　3折疊式H型垂直軸風(fēng)力機的靜力學(xué)分析由于氣動載荷對葉片的影響遠(yuǎn)大于其它載荷對葉片的影響，本文考慮葉片在氣動載荷作用下的力學(xué)特性，依據(jù)雙致動盤多流管模型算法計算便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機(翼型為NACA0018)在極端風(fēng)況下的氣動載荷，當(dāng)方位角為900時，扭矩、法向力和切向力都達(dá)到最大，這與文獻(xiàn)[8]中所提到的氣動載荷結(jié)果相同，因此在此方位角下采用ANSYS Workbench對葉片的靜力學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及載荷對稱的特點，將模型簡化成單個葉片和連接桿結(jié)構(gòu)，連接桿結(jié)構(gòu)在風(fēng)力機運行時鉸鏈被固定。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。

　　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。

　　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 1 mm，每次迭代計算增 加 0.2 mm 步長，多次迭代得出不同材料葉片厚度 對應(yīng)力的敏感度如圖 7 所示。

　　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，PEEK ST45CA30、玻璃纖維E型和鋁合金5083-H112 3種材料的葉片對應(yīng)的許用厚度分別為2.4，1.6 mm和2.2 mmo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)力最大的點出現(xiàn)在折疊機構(gòu)與葉片連接位置，這與實際情況相符。根據(jù)表2中材料的密度計算出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)力機葉片的材料。

　　由圖1折疊機構(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30mmx30mm，24 mmx24 mm，厚度為3mm的回字形截面，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值為220.24 MPa，變形量為0.642 71 mm，危險點出現(xiàn)在桿件連接位置。考慮到便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機在運行中受到極端風(fēng)況的影響，從而導(dǎo)致連接桿變形量和強度等條件限制折疊機構(gòu)正常工作，故在極端風(fēng)速為17.5 m/s時，對垂直軸風(fēng)力機施加葉片的重力、離心力和極端氣動載荷進(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235 MPa，變形量也滿足設(shè)計要求，故在遇到極端風(fēng)況時折疊結(jié)構(gòu)能夠安全運行。

　　4結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種便攜折疊式H型垂直軸風(fēng)力機，基于雙致動盤多流管模型對該風(fēng)機進(jìn)行了氣動性能和載荷計算，并在極限載荷下對葉片和折疊機構(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：NACA00 18翼型風(fēng)力機的C，大于NACA4418翼型風(fēng)力機，在上風(fēng)向區(qū)，NACA0018翼型風(fēng)力機的Co大于NACA4418翼型風(fēng)力機;在下風(fēng)向區(qū)，NACA4418翼型風(fēng)力機的C，大于NACA0018翼型風(fēng)力機。綜合來看，在最佳葉尖速比下，NACA0018翼型的氣動性能更優(yōu)。

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

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　　Abstract: The portable wind turbine can meet the need of power for human activities in the wild environment. According to the portable and foldable requirements, a portable folding H-type vertical axis wind turbine is proposed in this paper. Rotor parameters and the folding mechanism are designed, and the aerodynamic performance of blades with different airfoils is compared and analysed by usingthe double-actuated disc multi-flow tube model so as to determine the better airfoil. The weight of blades of different materials is obtained on the basis of the ultimate load of the blades calculated by the double actuating dise multi-flow tube model, and then the blade materials for portable wind turbine can be determined. The structural safety is guaranteed by static analysis of the connecting rod of folding mechanism under the ultimate load condition. The results show that the aerodynamic performance of the blade with NACA0018 airfoil is better, and the blade made of PEEK ST45CA30 isthe lightest, and the safety requirement of the folding mechanism is met under the ultimate load condition.

　　Key words: vertical axis wind turbine; fold; structural design; aerodynamic performance; strength analysis

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文章名稱： 折疊式H型垂直軸風(fēng)力機設(shè)計與分析

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