一種新型灑水車水箱內防浪板及能量回收裝置＊

靳子恒

一種新型灑水車水箱內防浪板及能量回收裝置＊

靳子恒

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

闡述了罐體內的一種能量回收裝置的研究背景及意義，通過機械設計方案實現了雙向水流的能量收集的同時，又能有效減少罐體晃動，保證車輛平穩運行。后對螺旋槳葉片進行了優化設計，從數學計算角度驗證了其可行性。

罐車；螺旋槳；防浪板；發電機

1 前言

罐式車輛在近些年來有了長足的發展，在特種作業和交通運輸中發揮著越來越重要的作用。但罐體車輛主要問題在于，罐內液體會隨著車輛的運行狀態改變位置，影響車輛行駛時的重心從而在行駛中導致危險。為了應對這種情況，設計人員在罐體內部加入了防浪板來阻止罐內液體的過度流動影響車輛整體重心。不同路況下車輛的駕駛情況復雜，罐體內部的液體會做較為劇烈的運動。對防浪板進行重新設計，提高放浪性能的同時對其能量也進行收集，是本次研究的目的。

為解決上述技術問題，主要對城市中的水罐車進行方案設計。設計可回收能量的防浪板裝置，在防浪板流通孔處設置水輪發電機的轉子，當車輛在起步和剎車等過程中，水流會與防浪板產生相對運動，進而推動轉子轉動，從而將水流的動能轉換為電能。為了提高能量的收集效率又加入了換向輸入機構以使得裝置能夠收集雙向運動的螺旋槳動能。

2 總體設計方案

本設計擬用開口防浪板、孔中心安裝螺旋槳的方案，在有效降低水動能的同時對其進行收集利用，換向輸入裝置可收集兩向轉動，提高能量利用率，最終將動能輸出到轉子發電機中轉換為電能輸出。

本次設計主要涉及開口防浪板、能量收集裝置、換向輸出裝置。下面主要對這幾個方面進行具體說明。

2.1 開口防浪板

根據工況條件，防浪板外形采用契合水罐車罐體形狀的橢圓外形開孔設計。防浪板的主要設計參數有橢圓外形尺寸、圓形開口尺寸、圓形開口位置。

根據對城市水罐車的調查，得出水罐車罐體內部為長軸長2 300 mm、短軸長1 500 mm的橢圓形。因此，防浪板 外形也參考此外形尺寸，設計為長軸長2 300 mm、短軸長 1 500 mm的橢圓形。

開孔尺寸大小主要需要綜合考慮開孔對水流通過率的影響。開口位置和開口尺寸不能使水流通過率太大，以免對罐體的重心影響過大，又不能使水流通過率過低，致使水流對防浪板的沖擊效果太明顯，也無足夠的水流沖擊螺旋槳發電。綜合以上考慮，對開口尺寸為直徑540 mm，距離橢圓中心水平距離750 mm的正圓開孔。

2.2 螺旋槳設計

根據工況條件，螺旋槳設計擬參考水輪機的螺旋槳設計。主要設計參數有螺旋槳半徑、葉片數目、葉片出口角。通常情況下，螺旋槳水輪機還需要考慮工作水流量和水輪機轉速等，但由于本次設計工況下，水流速度受汽車行駛狀況的影響較大，水流速度較為不穩定，因此忽略工作水流量和水輪機轉速的條件，采用預設參數分析和實物實驗的方式來校核設計的可行性。

設水流通過螺旋槳前速度為1，通過螺旋槳后的水流速度為2。1、2夾角為，水密度為，扇葉數目為，單個葉片面積為，葉片距中心半徑為。以此推斷螺旋槳收集的動能及轉矩。

由動量定理可知轉矩為：

=12cos（－90°）/2 （1）

單位時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生的轉矩；在、、1、2不變的情況下，1、2所呈角度為90°時產生的轉矩最大。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的設計方案。

由式（3）可知在水流的沖擊下還會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計中。

2.3 換向輸出裝置設計

由螺旋槳的設計中式（3）可知，在水流對螺旋槳產生轉矩的同時，也會產生徑向力。且考慮到設計所借鑒的水輪機發電裝置工況同本次工況有部分不同：水輪機發電裝置僅有單向水流發電，但在罐體內水流的運動方向為雙向。綜合以上兩點，考慮到對能量更高的利用率的需求，設計了換向輸出裝置收集兩向水流的動能后輸出。

裝置由5個轉子、2個皮帶和外殼組成。其中2個轉子為中心開槽形成插槽的中空轉子，與螺旋槳中心對正。前后插槽同螺旋槳桿上的六角形卡槽配合。當水流從罐體后端向前運動時，水流推動螺旋槳轉動。在螺旋槳向前徑向運動時，與螺旋槳固定的前卡槽進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運動，其后轉子通過皮帶傳動與前插槽做相反方向的旋轉運動，其后轉子通過皮帶傳動使得動力輸出軸做與轉子相同的旋轉運動；當水流撞擊到罐體前側擋板后，水流開始由車頭向車尾運動，此時螺旋槳做兩種運動：沿著固定桿向后的徑向運動，水流推動螺旋槳轉動（與水流向前推動轉向相反）。在螺旋槳向后徑向運動時，與螺旋槳固定的后卡槽進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運動，其后后插槽通過皮帶傳動使得動力輸出軸做與后插槽相同的旋轉運動。此時能夠充分利用不同水流方向產生的動能，同時能夠向同一個方向輸出動能。

2.4 設計結果

裝置如圖1所示，本發明提供了一種能夠回收罐體車輛罐內液體流動動能的裝置，其特征主要在于通過防浪板中心設置螺旋槳來收集罐體內液體流動產生的動能，螺旋槳前側和后側分別設置卡槽、插槽，前后插槽各自有不同的傳動機構，回收不同向水流的動能，最終同向輸出給轉子發電機。

1—防浪板；2—換向動力輸出件；3—轉子發電機；4—螺旋槳；5—螺旋槳固定桿；6—動力輸出軸；7—皮帶3；8—螺旋槳桿；9—發電機旋轉軸；10—螺旋槳后插槽；11—螺旋槳前插槽；12—發電機動力輸出軸；13—螺旋槳卡槽；14—轉子1；15—轉子2；16—皮帶1；17—皮帶2；18—轉子3。

3 螺旋槳葉片修改方案

研究機構工況深度后發現，罐體內部螺旋槳工況有兩大特點：慢速水流下的運轉狀態，雙向水流對螺旋槳工作狀態的影響。因此直接采用傳統空氣動力學設計的螺旋槳葉片可能并不能在此工況下取得最高的效率值。

因此根據緩水流的特點，擬采用旋翼式葉片，其能夠有效收集水流動能。主要預設條件為：水流速1 m/s，迎水面積取與葉片數同螺旋槳數據相同，傳動效率0.99，發電機效率0.98。功率為：

=3p12/2 （4）

式（4）中：為實際功率；為水密度；為葉片迎水面積，為葉輪直徑和高度的函數；為進水水速；p為葉輪功率系數；1為機械傳動效率；2為發電機效率。

能量利用系數p和葉尖速比如表1所示。

表1 能量利用系數和葉尖速比

形式Cpλ 螺旋槳0.425～10 帆翼0.354 風扇式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

依據表1可知，旋翼式葉片p取0.45，根據式（4）計算可得=3p12=25 W。能夠滿足小型用電器的使用功率，設計較為符合預期。

4 總結

通過螺旋槳和一套輪系機構，希望能夠設計出一套有效減小罐體重心變化，并對能量進行有效利用的裝置。但裝置本身仍存在很大的優化空間。裝置的驗證方案仍需更加嚴謹的數學公式推理其效率，需要基于anays等軟件對其進行仿真后驗證其可行性。本裝置后續改進方向為：通過風洞實驗或計算機仿真結果驗證以及葉片優化的效果；電機轉換的電能并未設計相應的適應電路，且仍有待探究后續電能的使用方案。

［1］孟維文.小型水流能發電裝置設計與仿真［D］.武漢：武漢理工大學，2012.

［2］姚斌.微型水龍頭水流發電機的設計與開發［J］.日用電器，2019（10）：49-52.

［3］田小平，白莉.液罐車動態結構強度有限元分析［J］.現代制造技術與裝備，2017（8）：16-19，21.

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

［5］王儉超.水平軸潮流水輪機葉片設計和模型試驗研究［D］.青島：中國海洋大學，2011.

靳子恒（1999—），男，武漢理工大學汽車工程學院本科在讀，研究方向為車身。

國家級大學生創新創業訓練計劃資助（編號：S202010497167）

2095－6835（2021）06－0013－02

U469.693

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.005

〔編輯：嚴麗琴〕