一种新型洒水车水箱内防浪板及能量回收装置＊

靳子恒

一种新型洒水车水箱内防浪板及能量回收装置＊

靳子恒

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

阐述了罐体内的一种能量回收装置的研究背景及意义，通过机械设计方案实现了双向水流的能量收集的同时，又能有效减少罐体晃动，保证车辆平稳运行。后对螺旋桨叶片进行了优化设计，从数学计算角度验证了其可行性。

罐车；螺旋桨；防浪板；发电机

1 前言

罐式车辆在近些年来有了长足的发展，在特种作业和交通运输中发挥着越来越重要的作用。但罐体车辆主要问题在于，罐内液体会随着车辆的运行状态改变位置，影响车辆行驶时的重心从而在行驶中导致危险。为了应对这种情况，设计人员在罐体内部加入了防浪板来阻止罐内液体的过度流动影响车辆整体重心。不同路况下车辆的驾驶情况复杂，罐体内部的液体会做较为剧烈的运动。对防浪板进行重新设计，提高放浪性能的同时对其能量也进行收集，是本次研究的目的。

为解决上述技术问题，主要对城市中的水罐车进行方案设计。设计可回收能量的防浪板装置，在防浪板流通孔处设置水轮发电机的转子，当车辆在起步和刹车等过程中，水流会与防浪板产生相对运动，进而推动转子转动，从而将水流的动能转换为电能。为了提高能量的收集效率又加入了换向输入机构以使得装置能够收集双向运动的螺旋桨动能。

2 总体设计方案

本设计拟用开口防浪板、孔中心安装螺旋桨的方案，在有效降低水动能的同时对其进行收集利用，换向输入装置可收集两向转动，提高能量利用率，最终将动能输出到转子发电机中转换为电能输出。

本次设计主要涉及开口防浪板、能量收集装置、换向输出装置。下面主要对这几个方面进行具体说明。

2.1 开口防浪板

根据工况条件，防浪板外形采用契合水罐车罐体形状的椭圆外形开孔设计。防浪板的主要设计参数有椭圆外形尺寸、圆形开口尺寸、圆形开口位置。

根据对城市水罐车的调查，得出水罐车罐体内部为长轴长2 300 mm、短轴长1 500 mm的椭圆形。因此，防浪板 外形也参考此外形尺寸，设计为长轴长2 300 mm、短轴长 1 500 mm的椭圆形。

开孔尺寸大小主要需要综合考虑开孔对水流通过率的影响。开口位置和开口尺寸不能使水流通过率太大，以免对罐体的重心影响过大，又不能使水流通过率过低，致使水流对防浪板的冲击效果太明显，也无足够的水流冲击螺旋桨发电。综合以上考虑，对开口尺寸为直径540 mm，距离椭圆中心水平距离750 mm的正圆开孔。

2.2 螺旋桨设计

根据工况条件，螺旋桨设计拟参考水轮机的螺旋桨设计。主要设计参数有螺旋桨半径、叶片数目、叶片出口角。通常情况下，螺旋桨水轮机还需要考虑工作水流量和水轮机转速等，但由于本次设计工况下，水流速度受汽车行驶状况的影响较大，水流速度较为不稳定，因此忽略工作水流量和水轮机转速的条件，采用预设参数分析和实物实验的方式来校核设计的可行性。

设水流通过螺旋桨前速度为1，通过螺旋桨后的水流速度为2。1、2夹角为，水密度为，扇叶数目为，单个叶片面积为，叶片距中心半径为。以此推断螺旋桨收集的动能及转矩。

由动量定理可知转矩为：

=12cos（－90°）/2 （1）

单位时间螺旋桨收集到的能量为：

=1（12－22） （2）

水流冲击螺旋桨的径向力为：

=[1－2sin（－90°）]1（3）

由式（1）（2）分析可得，在不影响水流通过的情况下，尽量增加叶片冲击有效面积，增加半径可有效增加水流冲击螺旋桨产生的转矩；在、、1、2不变的情况下，1、2所呈角度为90°时产生的转矩最大。因此螺旋桨拟采用五片叶，叶片顶端距中心为245 mm，叶片有效面积为0.011 m2的设计方案。

由式（3）可知在水流的冲击下还会有径向的力作用在螺旋桨上，此特性可用在其后的换向输出装置设计中。

2.3 换向输出装置设计

由螺旋桨的设计中式（3）可知，在水流对螺旋桨产生转矩的同时，也会产生径向力。且考虑到设计所借鉴的水轮机发电装置工况同本次工况有部分不同：水轮机发电装置仅有单向水流发电，但在罐体内水流的运动方向为双向。综合以上两点，考虑到对能量更高的利用率的需求，设计了换向输出装置收集两向水流的动能后输出。

装置由5个转子、2个皮带和外壳组成。其中2个转子为中心开槽形成插槽的中空转子，与螺旋桨中心对正。前后插槽同螺旋桨杆上的六角形卡槽配合。当水流从罐体后端向前运动时，水流推动螺旋桨转动。在螺旋桨向前径向运动时，与螺旋桨固定的前卡槽进入换向输出装置的前插槽中，使得换向装置中的前插槽随着螺旋桨一起做旋转运动，其后转子通过皮带传动与前插槽做相反方向的旋转运动，其后转子通过皮带传动使得动力输出轴做与转子相同的旋转运动；当水流撞击到罐体前侧挡板后，水流开始由车头向车尾运动，此时螺旋桨做两种运动：沿着固定杆向后的径向运动，水流推动螺旋桨转动（与水流向前推动转向相反）。在螺旋桨向后径向运动时，与螺旋桨固定的后卡槽进入换向输出装置的后插槽中，使得换向装置中的后插槽随着螺旋桨一起做旋转运动，其后后插槽通过皮带传动使得动力输出轴做与后插槽相同的旋转运动。此时能够充分利用不同水流方向产生的动能，同时能够向同一个方向输出动能。

2.4 设计结果

装置如图1所示，本发明提供了一种能够回收罐体车辆罐内液体流动动能的装置，其特征主要在于通过防浪板中心设置螺旋桨来收集罐体内液体流动产生的动能，螺旋桨前侧和后侧分别设置卡槽、插槽，前后插槽各自有不同的传动机构，回收不同向水流的动能，最终同向输出给转子发电机。

1—防浪板；2—换向动力输出件；3—转子发电机；4—螺旋桨；5—螺旋桨固定杆；6—动力输出轴；7—皮带3；8—螺旋桨杆；9—发电机旋转轴；10—螺旋桨后插槽；11—螺旋桨前插槽；12—发电机动力输出轴；13—螺旋桨卡槽；14—转子1；15—转子2；16—皮带1；17—皮带2；18—转子3。

3 螺旋桨叶片修改方案

研究机构工况深度后发现，罐体内部螺旋桨工况有两大特点：慢速水流下的运转状态，双向水流对螺旋桨工作状态的影响。因此直接采用传统空气动力学设计的螺旋桨叶片可能并不能在此工况下取得最高的效率值。

因此根据缓水流的特点，拟采用旋翼式叶片，其能够有效收集水流动能。主要预设条件为：水流速1 m/s，迎水面积取与叶片数同螺旋桨数据相同，传动效率0.99，发电机效率0.98。功率为：

=3p12/2 （4）

式（4）中：为实际功率；为水密度；为叶片迎水面积，为叶轮直径和高度的函数；为进水水速；p为叶轮功率系数；1为机械传动效率；2为发电机效率。

能量利用系数p和叶尖速比如表1所示。

表1 能量利用系数和叶尖速比

形式Cpλ 螺旋桨0.425～10 帆翼0.354 风扇式0.301 多叶式0.251.5 荷兰式0.172～3 旋翼0.453～4 S型0.151 H型0.405～6

依据表1可知，旋翼式叶片p取0.45，根据式（4）计算可得=3p12=25 W。能够满足小型用电器的使用功率，设计较为符合预期。

4 总结

通过螺旋桨和一套轮系机构，希望能够设计出一套有效减小罐体重心变化，并对能量进行有效利用的装置。但装置本身仍存在很大的优化空间。装置的验证方案仍需更加严谨的数学公式推理其效率，需要基于anays等软件对其进行仿真后验证其可行性。本装置后续改进方向为：通过风洞实验或计算机仿真结果验证以及叶片优化的效果；电机转换的电能并未设计相应的适应电路，且仍有待探究后续电能的使用方案。

［1］孟维文.小型水流能发电装置设计与仿真［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［2］姚斌.微型水龙头水流发电机的设计与开发［J］.日用电器，2019（10）：49-52.

［3］田小平，白莉.液罐车动态结构强度有限元分析［J］.现代制造技术与装备，2017（8）：16-19，21.

［4］朱占春，袁成清，孟维文，等.小型水流能发电装置设计与仿真［J］.船海工程，2014，43（6）：93-97.

［5］王俭超.水平轴潮流水轮机叶片设计和模型试验研究［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

靳子恒（1999—），男，武汉理工大学汽车工程学院本科在读，研究方向为车身。

国家级大学生创新创业训练计划资助（编号：S202010497167）

2095－6835（2021）06－0013－02

U469.693

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.005

〔编辑：严丽琴〕