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有人驾驶农用飞机风动—储能系统特性研究

方刚  
【摘要】:有人驾驶农用飞机作为一种作业工具,在飞行的过程中可以产生高速风能,将该风能转换为其他形式的能量并将其储存利用,对飞机的节能减排具有积极意义。本文以利用飞机风能为基础,采用有人驾驶农用飞机风动-储能系统为研究对象,设计了以风动叶轮和涡旋压缩机为核心部件的风动-储能系统方案,并对系统的集风装置优化、集风效能、飞机飞行流场的影响因素等做了深入分析和研究。根据有人驾驶农用飞机的实际工况和风力叶片设计的基本理论,提出并确定了风力叶片的基本参数,选用Wilson设计理论对风力叶片外形进行了气动设计;利用CFD工具和相关软件建立风动叶轮的有限元模型并分析了风动叶轮的气动性能,得到了风动叶轮在40m/s、50m/s和60m/s三种工况下的迎风面和背风面的压力分布,并对风动叶轮的力矩进行计算。结果表明:设计的叶轮功率输出误差在4%左右,风能利用系数均在0.2以上,在合理的区间范围内,说明风动叶轮的设计较为合理,可以满足使用要求。为了分析有人驾驶农用飞机和风动叶轮气动干扰,将风动叶轮分别安装在机翼前、机翼下和机翼后三个位置,并分析不同飞机迎角下的影响。结果表明:风动叶轮的安装位置处于机翼前方时对飞机的影响最小,既可以减少风动叶轮对飞机气动特性的影响,在大迎角的情况下甚至还有利于飞机的飞行,还可以降低农用飞机对风动叶轮的影响,使得风动叶轮保持一个合适的输出转矩;另外风动叶轮输出转矩随着飞机迎角的增大而减小,随着风速的增加而增加。根据风动-储能系统的工作原理和要求,选择涡旋压缩机作为压缩储能部件,在同时考虑泄漏因素的基础上,依据涡旋压缩机的工作原理提出了能量转换的效率评价指标和压缩空气储能过程中的数学模型。为了验证设计系统方案的合理性和实际运行的可行性,设计了风动-储能试验台的结构方案,并完成了该试验台的实物搭建工作,根据试验台测试的结果可以得到风动-储能系统的能量转换效率,从而证明所提出方案的可行性。通过本文的研究,构建了以风动叶轮和涡旋压缩机为核心部件的有人驾驶农用飞机风动-储能系统,该系统在有效利用飞机风能的同时可以减少对飞机自身的影响,本文的研究成果可为农用飞机在作业过程中有效利用风能奠定良好基础,具有重要的工程应用价值。


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