一種適用于旋轉風機的空氣剎車設計

劉玉璽，辛曉輝，張孝衛，高 峰，段艷麗

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

空氣剎車應用在大型垂直軸風機旋轉機構中，大型垂直軸風力發電設備既可以在陸上安裝，也可以在海上漂浮安裝[1-2]，垂直軸風機運轉過程中，隨著風速的增加出力增大，但當風速過大時，需要剎車機構動作降低風機轉速，避免風機失速而被破壞。常規的小型垂直軸風機可以通過與主軸連接的機械式剎車裝置減速并停止，而大型垂直軸風機由于慣性大，還需要增加空氣剎車機構降低轉速?？諝鈩x車采用加肋板的雙面滿鋪弧形鋼板結構，通常設置在垂直軸風機旋轉機構的外圍、風機中間水平撐處，通過伺服機構調節空氣剎車的角度可實現空氣剎車阻力的變化，進而調節風機的轉速，在保證風機額定出力的同時達到過速控制的目的[3]。

1 空氣剎車模型

該空氣剎車應用于某大型垂直軸風力發電機構中，其在垂直軸風機中的位置及形狀如圖 1所示。該垂直軸風機為 3層水平撐、3葉片機構，空氣剎車布置在中間水平撐處。風機工作時，空氣剎車既隨風輪公轉，又可繞自身主軸轉動，屬于同時承受拉、彎、扭荷載作用的高速轉動機構。

空氣剎車隨風機以最大 20.5rpm的角速度轉動，在風速 25m/s的情況下，空氣剎車與空氣的最大相對速度達到 70m/s，約 252km/h。當空氣剎車啟動時空氣剎車還需繞自身主軸轉動以調整旋轉角度，進而調整空氣阻力，達到調整風機額定出力和過速控制的目的。

空氣剎車弧形板承受空氣阻力、空氣動升力的作用，主軸則承受由剎車自重、空氣阻力和動升力聯合作用產生的彎矩和剪力，空氣動力產生的扭矩和旋轉離心力產生的拉力的作用，受力形式復雜，因而其結構設計和強度校核方法與傳統的固定式結構有很大差異。

圖1 空氣剎車在垂直軸風機中的位置及形狀Fig.1 Shape and position of air brake in VAWT

2 空氣剎車結構描述

空氣剎車由弧形板、肋板、主軸和連接上下弧形板的封邊鋼管構成，主軸末端連接在剎車的伺服機構上，中部通過軸承支撐于風機的中間水平撐上，剎車的結構形式和具體尺寸如圖2所示。

圖2 空氣剎車結構圖Fig.2 Structure of air brake

①弧形板：4mm。

②肋板厚度：5mm。

③封邊鋼管：φ40×4。

④主軸規格：φ219×35，由于主軸與軸承連接處需要切削加工，計算壁厚取 30mm；板材材質為Q345E，材料的屈服強度為 345MPa，主軸材質為Q460，材料的屈服強度為460MPa。

3 荷載分析

空氣剎車受力如圖 3所示，重力 G作用于其橫截面的形心，空氣動力 F的作用中心向迎風面偏移，偏移的距離與剎車攻角α相關?？諝鈩恿梢苑纸獬伤椒较虻淖枇L和垂直方向的升力FD。

圖3 空氣剎車受力圖Fig.3 Load of air brake

3.1 水平力

水平方向空氣剎車承受空氣阻力和軸向的離心力，相對空氣高速運動時，空氣對剎車產生阻力作用，風阻力由式(1)確定：

式中：ρ為空氣密度，取 1.225kg/m3；Cd為剎車的阻力系數，取 1.25；W為剎車相對于空氣的速度，取70m/s；S為剎車的有效迎風面積，取剎車的最大迎風面積9.45m2。

軸向的離心力由式(2)確定：

3.2 豎向力

豎直方向空氣剎車受力有空氣動升力和重力?？諝鈩x車以正攻角相對于空氣運動時，剎車上方的空氣流速小于下方的流速，使剎車的上下邊界產生空氣壓力差，其結果使剎車受向上的升力。而剎車的空氣動升力與重力方向相反，保守設計，作為安全儲備，忽略其作用，在豎直方向只考慮重力作用，即：

3.3 主軸彎矩

主軸所受彎矩為：

式中：Mr、Mg分別為空氣阻力和剎車重力對主軸的軸承處產生的彎矩，且 Mr=FrL，Mg=GL；L為剎車的形心到主軸軸承的距離。

3.4 主軸扭矩

空氣剎車以某一攻角相對于空氣運動時，作用在剎車上的空氣動力合力的作用中心并不在剎車橫剖面的形心處，而是偏離形心一定距離，并且隨攻角的不同，合力作用中心也發生變化。因此，空氣動力對剎車的主軸線產生力矩，使主軸承受扭矩。應用流體力學軟件可以計算出主軸在剎車的不同位置時主軸承受的扭矩，當軸心通過剎車形心時主軸承受的扭矩最大，其最大值為 6168N·m，在剎車啟動時，慣性力產生的扭矩為381.5N·m。

4 主軸強度理論校核

4.1 剪應力校核

主軸上的剪應力主要由空氣動力和慣性力在主軸上產生的力矩引起，對2種力矩分別取2倍和1.4倍的放大系數作用于主軸上，則產生的剪應力為：

許用剪應力取0.4倍的材料屈服應力，則：

剪應力比為：

剪應力滿足校核條件。

4.2 拉應力校核

主軸上的拉應力主要由空氣阻力和剎車自身重力引起的彎矩和剎車旋轉時的離心力引起，由彎矩引起的拉應力最大為：

其中的風力彎矩Mr包含了1.4倍的放大系數。

離心力取1.4倍的放大系數引起的拉應力為：

則主軸上的拉應力為：

主軸的許用拉應力取400MPa，則拉應力比為：

4.3 強度校核

應用第三強度理論校核主軸強度，取許用應力400MPa，且：

應力比為：

綜上可得：剎車的主軸滿足應力和強度要求。

5 空氣剎車結構有限元分析

使用通用有限元軟件 Ansys對剎車的結構強度進行有限元分析。根據模型的結構特征，用殼單元shell63模擬弧形板、肋板、輔板和封邊鋼管，用solid45模擬主軸，有限元材料的參數如下：

物理量參數，力/N；長度/m；力矩/N·m。

材料力學性能參數，泊松比 0.3；彈性模量 2.06×1011Pa；主軸屈服強度460MPa。

5.1 有限元模型

幾何模型和有限元模型如圖4、5所示。

5.2 模型約束

全約束主軸與伺服機構連接的端部，在外軸承處約束x、y向位移。約束情況如圖6所示。

圖4 空氣剎車的幾何模型Fig.4 Geometric model of air brake

圖5 空氣剎車的有限元模型Fig.5 Finite element model of air brake

5.3 載荷施加情況

空氣剎車的迎風面施加 4725Pa面壓模擬風阻力；主軸上施加沿軸向的大小為6168N·m的扭矩，模擬空氣動力對主軸產生的扭矩；對空氣剎車整體施加大小為 9.8m/s2的加速度，模擬重力；對空氣剎車整體施加角速度2.15rad/s模擬離心力。

載荷施加情況如圖7所示。

圖6 空氣剎車的約束方式Fig.6 Constraint of air brake

圖7 空氣剎車荷載施加方式Fig.7 Load application of air brake

5.4 計算結果

空氣剎車的位移、整體和局部的應力云圖如圖 8所示。

由圖8(a)可知，空氣剎車的最大位移為 19mm，位移由根部到梢部逐漸增大。由圖 8(b)、(c)、(d)可知，在肋板邊緣和主軸的交接處出現應力集中，此處應力為空氣剎車上最大應力，其值為 274MPa，小于0.8倍的材料屈服應力(276MPa)；由圖8(e)可知，主軸上最大應力出現在主軸與軸承相交的位置，最大應力為 181MPa；由圖 8(f)可知，弧形板上的最大應力為 87.8MPa，均小于 0.6倍的材料屈服應力(207MPa)。有限元分析結果表明，空氣剎車的強度滿足要求。

圖8 空氣剎車的位移和應力云圖Fig.8 Displacement and stress diagram of air brake

6 研究結論

從理論計算和有限元分析的結果看，對空氣剎車這種既隨風機公轉又可繞自身主軸轉動，且同時受拉、彎、扭荷載作用的結構，本文提供的設計是合理的?？諝鈩x車結構形式滿足強度要求和剎車表面位移漸變的要求，避免空氣剎車表面產生內凹位移而導致該處的空氣阻力增大，進而導致空氣剎車乃至整個風機運轉受限。通過以上分析，該空氣剎車結構設計方案既滿足結構強度要求，又滿足剎車表面位移漸變、減少空氣阻力的要求。