風(fēng)能汽車葉片設(shè)計

1、風(fēng)能汽車葉片設(shè)計學(xué)校：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)院：工程學(xué)院班級：12級能源與環(huán)境系統(tǒng)一班學(xué)號：201231170124姓名：余志華摘要 風(fēng)能為重要的能量來源，風(fēng)能設(shè)施也日趨進步，已經(jīng)大量生產(chǎn)降低成本，在適當(dāng)?shù)攸c，風(fēng)力發(fā)電成本已低于其它發(fā)電機。風(fēng)能設(shè)施多為不立體化設(shè)施，可保護陸地和生態(tài)，所以說風(fēng)力發(fā)電是可再生能源，很環(huán)保，很潔凈。風(fēng)力汽車，是指汽車利用風(fēng)能可以根據(jù)風(fēng)的方向自動行駛，駕駛員也可以通過駕駛艙內(nèi)的特別配置來手動調(diào)節(jié)其車尾的“帆”，進而改變車輛的行駛方向。本課題以風(fēng)能汽車葉片設(shè)計為主題，主要研究風(fēng)能汽車葉片的設(shè)計，性能分析等等。關(guān)鍵詞：風(fēng)能 汽車 葉片1緒論1.1本論文研究背景 風(fēng)能就是空氣流動所

2、產(chǎn)生的動能。大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速910m/s的5級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積上約有10kg。風(fēng)速20ms的9級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積可達50kg左右。洶涌澎湃的海浪，是被風(fēng)激起的，它對海岸的沖擊力是相當(dāng)大的，有時可達每平方米2030t的壓力，最大時甚至可達每平方米60t左右的壓力。 風(fēng)不僅能量是很大的，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山巖發(fā)生侵蝕，造成沙漠，形成風(fēng)海流，它還可在地面作輸送水分的工作，水汽主要是由強大的空氣流輸送的，從而影響氣候，造成雨季和旱季。專家們估計，風(fēng)中含有的能量，比人類迄今為止所能控制的能量高得多。全世界每年燃燒煤炭得到的能

3、量，還不到風(fēng)力在同一時間內(nèi)所提供給我們的能量的1。可見，風(fēng)能是地球上重要的能源之一。 合理利用風(fēng)能，既可減少環(huán)境污染，又可減輕越來越大的能源短缺的壓力。 自然界中的風(fēng)能資源是極其巨大的。據(jù)世界氣象組織估計，整個地球上可以利用的風(fēng)能為2X107MW。為地球上可資利用的水能總量的10倍。1.2國內(nèi)外研究技術(shù) 直至現(xiàn)在，國外有幾家汽車公司已經(jīng)研制出幾款概念風(fēng)能汽車。像美國發(fā)明家里克·卡瓦拉羅發(fā)明了一款獨特的風(fēng)力驅(qū)動汽車，在順風(fēng)狀態(tài)下其速度竟比風(fēng)速還要快。該設(shè)計理念源自“DWFTTW模型”，即"DownWindFasterThanTheWind"（順風(fēng)而行速度比風(fēng)快）。另

4、外，卡瓦拉羅得到了谷歌公司和喬比能源公司的贊助，他在圣喬治州大學(xué)航空系建造這個風(fēng)力汽車，該超輕型汽車采用3輪驅(qū)動，帶有5米高的風(fēng)力螺旋槳推進器，它主要采用泡沫材料制成，并模擬了方程式1賽車的空氣動力學(xué)設(shè)計，螺旋槳推進器是使汽車在順風(fēng)狀態(tài)下超過風(fēng)速的關(guān)鍵性設(shè)計，該汽車的速度達到風(fēng)速的2.86倍，相當(dāng)于62公里/小時。 還有英國的一位動力工程師理查德·簡金斯的“綠鳥”風(fēng)力汽車是世界上最快的風(fēng)力汽車。它在風(fēng)速僅為每小時48.2公里的情況下，創(chuàng)造了每小時行駛202.9公里的世界紀錄。與傳統(tǒng)的風(fēng)帆汽車不同的是，“綠鳥”采用一種鋼制驅(qū)動翼。這種驅(qū)動翼能夠以與機翼同樣的方式產(chǎn)生向上提升的動力。整輛

5、風(fēng)力汽車幾乎全部采用碳復(fù)合材料，唯一的金屬部件就是翅膀和車輪的軸承。據(jù)簡金斯解釋，這種空氣動力學(xué)設(shè)計和較輕的質(zhì)量能夠讓“綠鳥”輕易達到風(fēng)速的35倍。 但中國在這方面沒有得到很大的發(fā)展，相對于一些發(fā)達國家仍然是處于非常落后的局面中國農(nóng)民唐振平發(fā)明了一輛風(fēng)力汽車你，這輛車花了他三個月的時間， 車身1米高，3米長，靠風(fēng)力輔助驅(qū)動不是完全靠風(fēng)力驅(qū)動。這輛車的最高時速達到了 90mph (140kmph).2本課題研究內(nèi)容 在風(fēng)力發(fā)電機中葉片的設(shè)計直接影響風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，直接影響其年發(fā)電量，是風(fēng)能利用的重要一環(huán)。本論文主要研究風(fēng)能汽車葉片設(shè)計的葉片設(shè)計模型、性能計算、有限元動力學(xué)分析。其主要研究內(nèi)容如下

6、：1 葉片的設(shè)計理論。先后提出了簡化設(shè)計理論SChmitz理論Glauert模型和Wilson模型。其中簡化設(shè)計理論是基于圓盤理論，原理及模型最簡單，但因簡化因素較多，故設(shè)計精度較差；Schmitz理論、Glauert模型和Wilson模型基于渦流理論，設(shè)計精度較高，但模型較復(fù)雜?，F(xiàn)在設(shè)計多采用基于渦流理論的設(shè)計模型。2 葉片的實體建模采用近似建模。由于葉片一般是不規(guī)則的扭曲結(jié)構(gòu)，精確實體建模有一定困難，故現(xiàn)多采用近似線性修正模型代替精確的實體模型進行建模和分析。3 風(fēng)能汽車葉片氣動性能計算?，F(xiàn)多采用Wilson模型進行計算，然后經(jīng)過各種性能修正系數(shù)進行修正。4 葉片動力學(xué)分析，葉片動力學(xué)分析

7、集中在模態(tài)計算。但由于建模技術(shù)限制，現(xiàn)多采用簡化實體模型進行分析，即采用線性化處理的翼型部分的葉片代替整個葉片進行葉片有限元模態(tài)分析，結(jié)果具有一定的誤差。 3風(fēng)能汽車葉片設(shè)計基礎(chǔ)3.1風(fēng)能的計算由流體力學(xué)可知，氣流的動能為式中 m氣體的質(zhì)量； V氣體的速度。 設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為 S 的氣體的體積為 V，則如果以 表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為這時氣流所具有的動能為 上式即為風(fēng)能的表達式。 在國際單位制中， 得單位為 kg/m3;v 的單位是 m/s；E 的單位是 W。 從風(fēng)能公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。其中 和 v 隨地理位置、海

8、拔、地形等因素而變。 3.2貝茨理論 風(fēng)力機的第一個氣動理論是由德國的貝茨（Betz）于 1926 年建立的。 貝茨假定風(fēng)輪是理想的，即它沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風(fēng)輪時沒有阻力，可以說，這樣的風(fēng)輪是一個純粹的能量轉(zhuǎn)換器；此外，假定氣流經(jīng)過整個風(fēng)輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向。 現(xiàn)研究理想風(fēng)輪在流動的大氣中的情況，如圖所示。并規(guī)定如下： v1距離風(fēng)能汽車一定距離的上游風(fēng)速； v通過風(fēng)輪時的實際風(fēng)速； v2離風(fēng)輪遠處的下游風(fēng)速。 設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為 S1，下游截面為 S2。由于風(fēng)輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而 v2必然低于 v1，所以通過風(fēng)

9、輪的氣流截面從上游至下游是增加的，即 S 2大于 S 1。如果假定空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得： 風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由 Euler 理論寫出： 風(fēng)輪吸收的功率為：此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為：令式（3-1）與式（3-2）相等，得到作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率可寫成對于給定的上游速度 v2，可寫出以 v 2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將上式微分得易得最大功率將上式除以氣流通過掃掠面 S 時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)能汽車的理論最大功率（或稱理論風(fēng)能利用系數(shù)） 這就是貝茨理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。

10、3.3葉素理論葉素理論的基本出發(fā)點是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設(shè)在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即葉素可以看成是二維翼型，這時，將作用在每個葉素的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。 對每個葉素來說，其速度可以分解為垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量Vx0和平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量Vy0 ，速度三角形和空氣動力分量如圖 所示。圖中：角為入流角， 為迎角， 為葉片在葉素處的幾何扭角。 合成氣流速度V0引起的作用在長度為 dr 葉素上的空氣動力dFa 可以分解為法向力dFn 和切向力dFt ，dFa 和dFt 可分別表示為式中 空氣密度； c葉素剖面弦長；Cn

11、、Ct 分別表示法向力系數(shù)和切向力系數(shù)，即 這時，作用在風(fēng)輪平面dr 圓環(huán)上的軸向力可表示為 式中 B葉片數(shù)。 作用在風(fēng)輪平面dr 圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩為 3.4動量葉素理論為了計算作用在風(fēng)輪葉片上的力和力矩，必須計算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子 a 和周向誘導(dǎo)因子 b，這就需要用動量葉素理論來求解。 假設(shè) a 和 b 的初值，一般可取 0； 計算入流角 計算迎角 根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù) Cl和阻力系數(shù) Cd； 計算葉素的法向力系數(shù) Cn和切向力系數(shù) Ct 計算 a 和 b 的新值 比較新計算的 a 和 b 的值與上一次的 a 和 b 值，如果誤差小于設(shè)定的誤差值（一般可取 0.00

12、1），則迭代終止；否則，再回到繼續(xù)迭代。 需要指出的是：當(dāng)風(fēng)輪葉片部分進入渦環(huán)狀態(tài)時，動量方程不再適用；這時，可用下面的經(jīng)驗公式對動量葉素理論進行修正。 威爾森（Wilson）修正方法 當(dāng) a0.38 時，將第步中的由代替。3.5葉片幾何參數(shù)風(fēng)輪葉片的平面形狀一般為梯形，葉片有以下主要幾何參數(shù)。 （1）葉片長度 葉片長度是葉片展向方向上的最大長度，用 L 表示。 （2）葉片弦長 葉片弦長是葉片各剖面處翼型的弦長，用 c 表示。葉片弦長沿展向變化，葉片根部剖面的翼弦稱翼根弦，用 cr表示，葉片稍部剖面的翼弦稱翼稍弦，用 ct表示。 葉片面積葉片面積通常指的是葉片無扭角時在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積

13、，用 Ab表示為 （4）葉片平均幾何弦長 葉片平均幾何弦長是葉片面積與葉片長度的比值，用非c表示為 （5）葉片扭角 葉片扭角通常指的是葉片的幾何扭角，用 表示，它是在葉片尖部槳矩角為零的情況下，葉片各剖面的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角。通常葉片扭角根部為-1012°，葉尖部為 0-2°，葉片扭角沿展向變化，葉片稍部的扭角比根部小。 （6）葉片軸心 通常風(fēng)輪葉片的軸心位于葉片各剖面的 0.250.35 翼弦處，與各剖面氣動中心的連線重合或盡量接近，以減少作用在軸心上的轉(zhuǎn)矩。 （7）葉片槳距角 葉片槳距角通常指的是葉片尖部剖面的翼弦與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，用 表示；葉片各剖面的槳

14、距角是葉片尖部剖面的槳距角與葉片各剖面的幾何扭角之和。 3.6風(fēng)輪幾何參數(shù)風(fēng)輪由葉片和輪轂組成，風(fēng)輪有以下幾何參數(shù)。 （1）風(fēng)輪葉片數(shù) 風(fēng)輪葉片數(shù)十組成風(fēng)輪的葉片個數(shù)，用 B 表示。 （2）風(fēng)輪直徑 風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時的風(fēng)輪外圓直徑，用 D 表示。 （3）風(fēng)輪面積 風(fēng)輪面積通常指的是風(fēng)輪掃掠面積，用 A 表示。 （4）風(fēng)輪錐角 風(fēng)輪錐角是葉片與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面的夾角，用 表示。錐角的作用是在風(fēng)輪運行狀態(tài)下，減少離心力引起的葉片彎曲應(yīng)力防止葉片稍部與塔架碰撞。 （5）風(fēng)輪迎角 風(fēng)輪迎角是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角，用 表示。迎角的作用是防止葉片在靜止情況下遭遇突風(fēng)，葉片彎曲過大使葉片稍部與塔架碰

15、撞。風(fēng)輪迎角必須在一定范圍內(nèi)，否則會使風(fēng)輪在迎風(fēng)平面內(nèi)的投影面積過小，造成風(fēng)輪整體效率降低。（6）風(fēng)輪偏航角 風(fēng)輪偏航角是來流速度在水平面上的分量與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸的鉛錘面的夾角，用 表示。 （7）風(fēng)輪實度 風(fēng)輪實度是風(fēng)輪葉片總面積與風(fēng)輪掃掠面積的比值，用 表示 4風(fēng)能汽車葉片設(shè)計4.1風(fēng)能汽車空氣動力設(shè)計參數(shù) 風(fēng)能汽車空氣動力設(shè)計的內(nèi)容主要是確定風(fēng)輪葉片的幾何外形，給出葉片弦長、幾何扭角沿展向得分布，以保證風(fēng)輪有較高的功率系數(shù)。在進行風(fēng)輪空氣動力設(shè)計時，必須先選定下列技術(shù)參數(shù)。 4.1.1.葉片數(shù) 選擇風(fēng)能汽車葉片數(shù)時要考慮風(fēng)能汽車性能和載荷、風(fēng)輪和傳動系統(tǒng)的成本、風(fēng)力機氣動噪聲及景觀效果等因

16、素。目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機組都屬高風(fēng)速風(fēng)機，風(fēng)輪葉片一般是 2 片或 3 片，而低風(fēng)速風(fēng)機則采用 4 葉片。 風(fēng)輪葉片實度即風(fēng)輪葉片數(shù)對風(fēng)能汽車吸收風(fēng)能效率是重要因素。對于偏低風(fēng)速情況，葉尖速比低，只有增加葉片實度即增大葉輪扭矩才能增大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。這將會使風(fēng)能汽車具有更大的市場，增強風(fēng)能汽車整體的市場競爭力。 4.1.2.風(fēng)輪直徑 風(fēng)輪直徑?jīng)Q定于風(fēng)能汽車的額定功率，功率系數(shù)、傳動系統(tǒng)及發(fā)電機的效率等因素有關(guān)。風(fēng)力設(shè)計時，通過計算選定一個風(fēng)輪直徑。 其中 P風(fēng)能汽車輸出功率； 空氣密度，一般取 1.225kg/m3； Vr 風(fēng)能汽車額定速度； 風(fēng)輪直徑； 風(fēng)輪功率系數(shù)，一般取 0.350.45

17、；1 傳動系統(tǒng)效率； 4.1.3.額定風(fēng)速 風(fēng)能汽車額定風(fēng)速與運行地區(qū)的年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布狀況直接相關(guān)。本文的設(shè)計出發(fā)點為滿足占全國面積 52%地域的風(fēng)能較豐富區(qū)和可利用區(qū)。因此設(shè)計啟動風(fēng)速為 3m/s,額定風(fēng)速為 8m/s。而一般高速風(fēng)機啟動風(fēng)速在 34m/s,額定風(fēng)速在 10.5m/s。 4.1.4.葉尖速比 葉尖速比是風(fēng)能汽車設(shè)計時的重要參數(shù)，葉尖速比不僅影響葉片空氣動力性能，而且還和風(fēng)能汽車其他特性有關(guān)?，F(xiàn)代風(fēng)機希望葉尖速比盡量大一些，葉尖速比大意味著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，這樣，一方面齒輪箱的增速比可以減少，另一方面風(fēng)輪產(chǎn)生相同功率時的轉(zhuǎn)矩要小，相應(yīng)的主軸和發(fā)電機的重量可以減輕；還有隨著葉尖

18、速比的增加，使風(fēng)輪實度減小，葉片材料減少，成本降低。但是，如果葉尖速比太高，則會給細長的葉片加工帶來許多復(fù)雜的技術(shù)問題。一般在中等尖速比范圍內(nèi)風(fēng)輪達到最大功率系數(shù)，因此，從風(fēng)力機能量輸出的角度考慮，沒有必要選擇太大的葉尖速比，而在偏低風(fēng)速風(fēng)況下，葉輪轉(zhuǎn)速更是不可能太高，所以葉尖速比也不能選擇高尖速比型。 一般兩葉片風(fēng)力機的葉尖速比在 910 之間，三葉片風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪尖速比在 68 之間。而偏低風(fēng)速發(fā)電的尖速比應(yīng)選擇為 56。 4.1.5.風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 當(dāng)風(fēng)能汽車額定功率和風(fēng)輪直徑確定后，增加風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，可以減小風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩即減小作用在風(fēng)能汽車傳動系統(tǒng)上的載荷和降低齒輪箱的增速比。但是，當(dāng)葉片弦長減

19、小后，為了保持葉片一定的模態(tài)，葉片表層的厚度要增加，葉片的重量也相應(yīng)增加。另外，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速還與風(fēng)輪葉尖速比的選取及葉片空氣動力噪聲的要求相關(guān)。因此，在確定最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速時，要對上述幾個方面綜合考慮。4.2葉片設(shè)計 葉片的基本設(shè)計流程如下圖:確定各葉素弦長、安裝角選取葉片翼型確定葉片數(shù)目確定風(fēng)能汽車的葉尖速比計算風(fēng)輪直徑根據(jù)實際情況，確定風(fēng)能汽車功率，平均風(fēng)速。窗體頂端212E =mv212E =mv212E =mv窗體底端 葉片核心設(shè)計包括：計算風(fēng)輪直徑 D,確定葉片數(shù) B，選取各葉素翼型，計算各葉素的弦長 C 和安裝角。 4.2.1汽車額定功率的確定功率是指物體在單位時間內(nèi)所做的功。功率越大扭力越大，汽車的拉力也越高，常用最大功率來描述汽車的動力性能。我們先來了解發(fā)動機的額定功率，一般來說這是指發(fā)動機攜帶的必要的機件進行運轉(zhuǎn)時發(fā)生出的最大功率。發(fā)動機的有效功率是指曲軸對外輸出的凈功率。這里以180匹馬力為額定功率為例子，其中140馬力=1029W，設(shè)平均車速也就是平均風(fēng)速為15m/s.4.2.2風(fēng)輪直徑的確定由得到，式中 CP=0.4； =1.225kg/m3；Vr=15m/s；12 = ； 設(shè) =0.83，即風(fēng)能汽車效率，即汽車傳動效率和發(fā)電機的總效率，初步設(shè)計時常選取 0.81 左右，此效