氢电转换装置旋转部件材料选取及性能分析.pdf

引用格式：引用格式：张昆,马铁华,陈昌鑫,等.氢电转换装置旋转部件材料选取及性能分析J.中国测试，2024,50(1):100-105.ZHANGKun,MA Tiehua,CHEN Changxin,et al.Material selection and performance analysis of rotating parts of hydrogen-electricconversiondeviceJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):100-105.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022060064氢电转换装置旋转部件材料选取及性能分析张昆1,2，马铁华1,2，陈昌鑫1,2，李冰冰1,2，赵亮1,2，王珲1,2(1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西太原030051;2.中北大学电气与控制工程学院，山西太原030051)摘要:针对氢燃料高速旋转磁流体发电的氢电转换装置核心旋转部件设计需求，在 SolidWorks 旋转部件建模基础上，采用 WorkbenchStaticStructural 对 6061 铝合金、304 不锈钢、AZ3B 镁合金以及 TC4 钛合金四种备选材料在正常工作状态下的最大应变、等效应力以及静强度许用安全系数求解和对比分析。同时，为防止共振现象对整个装置造成损坏，运用 WorkbenchModal 分别对四种材料进行模态分析。研究结果表明：6061 铝合金更能满足氢燃料高速旋转磁流体发电装置的性能需求。旋转部件的材料及性能是氢燃料高速旋转磁流体发电装置结构的优化设计、发电效率的重要影响因素。关键词:旋转部件;选材;静力学分析;模态分析;安全系数中图分类号:TH164;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01010006Material selection and performance analysis of rotating parts ofhydrogen-electric conversion deviceZHANGKun1,2,MATiehua1,2,CHENChangxin1,2,LIBingbing1,2,ZHAOLiang1,2,WANGHui1,2(1.StatekeyLaboratoryofDynamicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.SchoolofElectricalandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract:Aimingatthedesignrequirementsofthecorerotatingcomponentsofthehydrogen-to-electricityconversiondeviceforthehigh-speedrotatingmagneto-hydrogenpowergenerationofhydrogenfuel,basedonthemodelingofSolidWorksrotatingparts,themaximumstrain,equivalentstressandallowablesafetyfactorofstaticstrengthof6061aluminumalloy,304stainlesssteel,AZ3BmagnesiumalloyandTC4titaniumalloyunder normal working conditions was solved and compared by Workbench Static Structural.At the sametime,inordertopreventtheresonancephenomenonfromdamagingtheentiredevice,analyzedthemodaloffour materials by Workbench Modal.The results show that 6061 aluminum alloy can better meet theperformancerequirementsofhydrogenfuelhigh-speedrotatingmagneticfluidpowergenerationdevice.Thematerialandperformanceofrotatingpartsareimportantfactorsaffectingthestructuraloptimizationdesignandpowergenerationefficiencyofhydrogenfuelhigh-speedrotatingmagneticfluidpowergenerationdevice.收稿日期:2022-06-10；收到修改稿日期:2022-09-26基金项目:国家自然科学基金（62003315）；山西省应用基础研究计划（201901D211241）；中北大学青年学术带头人支持计划（QX202002）作者简介:张昆（1996-），男，河北张家口市人，博士研究生，主要从事动态测试与智能装备研究。通信作者:马铁华（1964-），男，山西吕梁市人，博士生导师，教授，主要从事动态测试与智能装备研究。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,2024Keywords:rotatingparts;materialselection;staticanalysis;modalanalysis;safetyfactor0 引言氢能是公认的 21 世纪最具发展前景的二次能源，随着电网电力平衡面临的挑战加大，氢能的氢-电高效转化特性使其成为可再生能源转型的理想能源1。其他能源通过与氢能耦合的系统发电方式来弥补自身的发电不足，氢能选取的发电单元大多是氢燃料电池2，而氢燃料电池的寿命和成本等方面的问题难以解决，如何开辟一条新的氢能利用途径是许多研究人员面临的问题。氢燃料高速旋转磁流体发电装置3是一种全新的氢电高效转换装置，装置的核心是将电化学反应置于强磁场中高速旋转从而将正负离子分流，电荷移动产生电流，其旋转部件在高速旋转的前提下还要起到导电的作用，旋转部件制作材料对该发电装置的发电效率有非常大的影响。近年来也有不少学者对旋转部件的材料、性能做研究。吴宇轩等4对高速逆流色谱仪行星架材料选择与性能分析，在一定转速的要求下对不同材料的应力应变、安全系数、模态分析和疲劳性进行了对比分析，最终选取了 5083 铝合金作为高速逆流色谱仪行星架的材料；吕文5等对微型涡喷发动机在 40000r/min 转速下的性能进行了分析。朱晶6等对有一定转速的船用螺旋桨进行研究，最终选取不锈钢作为制作材料。任勇生7等从复合材料具有比金属材料更强的阻尼耗散能力8角度研究，得到材料的内阻耗散特性是导致旋转复合材料轴在超临界状态下产生动力不稳定的根本原因。由于旋转部件特殊的工作状态，所以对材料的选取有更高要求。氢燃料高速旋转磁流体发电装置3具体是将氢的电化学反应放置在一个高速旋转的强磁场环境内，利用氢焰的激发导电性，形成一个存在旋转部件的闭合回路。本文针对高速旋转部件的实际工况，结合所需的工作需求和不同材料的性能对比，对材料选取以及性能问题进行研究。1 旋转部件结构旋转部件是氢燃料高速旋转磁流体发电装置的核心部件，其转速可达 1000rad/s，高速旋转的条件下要有良好的导电性、耐腐蚀性以及一定的强度支撑，并且在旋转的过程中要与壳体有毫米级的间隙以保证其燃烧腔的半密封性；氢气稀薄燃烧局部会有 400 左右的高温，材料还要有一定的耐高温性。旋转部件的性能好坏将直接影响发电效率的高低。高速旋转部件在整体发电装置内部的位置如图 1 所示。在正常工作状态时，旋转部件在发电装置内部以 1000rad/s 的转速高速旋转，旋转部件内部为多层状结构，层与层之间为氢气电离提供场所，氢气在旋转部件外沿喷口处燃烧，由于在高速旋转的条件下，旋转部件的变形和振动会直接影响发电装置整体的稳定性，从而影响最终的发电效率。因此，旋转部件材料的选取是整个发电装置设计的重要环节。旋转部件外部壳体图 1 旋转部件位置图2 旋转部件备选材料氢燃料高速旋转磁流体发电装置1的高速旋转部件不同于传统的氢燃料发电机，旋转部件将氢气反应置于旋转磁场的同时，它还是电子的通道，所以材料的选取要符合其特殊的工作状态。材料选取要以旋转部件能够正常安全工作为首要目标。在旋转部件正常工作时会绕中心轴高速旋转，高速旋转的部件振动对整个装置有很大影响7；所产生的离心力会作用到旋转部件，所以材料必须有一定的强度和抗形变能力；考虑发电装置的工作寿命和多变复杂的场所，材料还必须有一定的耐腐蚀能力。古远8等对飞机铝合金螺旋桨进行了腐蚀损伤实验，作为飞机的旋转部件，螺旋桨选取的铝合金材质有一定的耐腐蚀性，还有直升机的螺旋桨选取钛合金9。考虑到材料的导电性，参考任勇生5等研究，应该优先选择金属。张新民10等认为铝合金的轻量化、宽敞化、舒适化、长寿面、高可靠和低成本的特性，多用于航空领域11，对于旋转部件的材料来说也是非常好的备选材料。对作为轮船旋转部件的螺旋桨而言一般选取不锈钢4。第50卷第1期张昆，等：氢电转换装置旋转部件材料选取及性能分析101氢燃料发电装置旋转部件与上述所说的旋转部件具有相似需求，从满足性能指标的材料中，选取了 6061 铝合金、304 不锈钢、AZ3B 镁合金以及TC4 钛合金四种材料作为氢燃料高速旋转磁流体发电装置旋转部件的备选材料，四种材料的属性参数如表 1 所示。表 1 四种备选材料属性材料名称弹性模量/GPa泊松比质量密度/(kgm3)屈服强度/MPa热扩张系数/(106K1)6061铝合金690.33280027623304不锈钢2000.28780020611AZ3B镁合金450.34170036025TC4钛合金1100.374500750103 性能分析3.1 模型简化与前处理在不影响计算结果的前提下，当有限元分析的对象结构比较复杂，但分析的目标又不是这些复杂结构件的应力与变形，而是整个结构的特性时，可以利用相对简单的模型来对这些复杂结构进行等效处理12。使用 SolidWorks 对简化后的旋转部件进行建模，模型如图 2 所示。整体形状为中心对称图形，内部结构简化为四个间隙结构如图 3 所示，根据模型大小设置网格单元为 5mm，网络节点个数和单元个数分别为 88174 和 45321，划分网格如图 4所示。图 2 简化后有限元模型施加约束以及载荷时，应该结合实际的工作状态。正常工作状态的旋转部件绕着中心轴高速旋转，旋转部件中心内表面加固定约束；旋转部件整体施加转速载荷，大小为 1000rad/s，如图 5 所示，旋转部件添加重力加速度载荷。3.2 模态分析任何的系统都存在固有频率，得到就是系统或结构的固有频率和振型就是模态分析的目的，以避免结构在某一频率处发生共振13-15，也可以为结构优化提供帮助。使用 WorkbenchModal 模块分别对四种材料的旋转部件进行模态分析，设置的阶数为 6。求解结果以旋转部件材料是 6061 铝合金为例，如图 6所示为 6061 铝合金的前六阶振型，从图可得前四阶的振型形变量不大，后俩阶的振型的形变量较大，其固有频率也是在第四阶有大幅上升。求解四种材料的旋转部件得到结果如表 2 所示，其固有频率折线图如图 7 所示。四种材料变化趋势一致，都在第四阶有最大幅度的提升，6061 铝合金、AZ3B 镁合金和 304 不锈钢材料的变化曲线几乎重合，主要是由于三种材料的弹性模量和密度差别很小。TC4 钛合金材料的各阶频率都要低于其他三种，第一阶频率最小为 280.75Hz，第六阶最高为 1081Hz，前三阶的频率于其他三种相差不大，后三阶于其他三种材料相差较大；6061 铝合金、304 不锈钢和 AZ3B 镁合金材料的各阶频率非常接近；6061 铝合金材料的各阶频率要略高于其他两种，第一阶频率最小为 307.95Hz，第六阶最高为 1198.4Hz；304不锈钢材料的第一阶、第三阶、第五阶、第六阶均低图 3 简化后有限元模型内部结构图 4 模型网格划分图图 5 施加转速载荷示意图102中国测试2024年1月于 AZ3B 镁合金材料，第二阶和第四阶高于 AZ3B镁合金材料，其中相差最大的是第四阶，相差 14.7Hz。四种材料的前六阶固有频率的拟合曲线到三阶有较大变化，之后曲线比较平稳，说明提取的模态阶数比较完整且有较高的准确性。发电机正常工况的频率是 50Hz，正常的波动范围应该不超过 5%，根据仿真数据显示，四种材料的前六阶固有频率都高于发电机正常工况下的频率，故此不会发生共振现象。3.3 应力应变分析发电装置内部存在旋转部件，不像内燃机一样对密封条件的要求高，但是其特殊的工作环境与机理仍有较高的精密加工需求，所以应力以及应变对装置工况有较大的影响，故此对材料也有一定要求。在 WorkbenchStaticStructural 模块中，添加上述的载荷，对旋转部件简化后的有限元模型求解。以旋转件材料 6061 铝合金为例，求解得到最大形变以及等效应力如图 8 所示。从图 8(a)中可看出，最大形变量在旋转部件的外沿，最大形变量为 0.036692mm，旋转部件绕着轴心高速旋转，产生离心力的作用下在外沿会有最大的形变量；从图 8(b)中可以看出最大的等效应力在旋转部件中心于中心旋转轴连接处，最大等效应力为 50.919MPa。四种材料旋转部件的最大形变量和最大等效应力如表 3，其折线图如图 9 所示。四种材料的最大形变量对比如图 9(a)所示，AZ3B 镁合金材料的形变量最大，为 0.043466mm，其次是 304 不锈钢材料的形变量，为 0.038757mm，6061 铝合金材料和 TC4 钛合金材料的形变量分别为第三第四，但是两者相差了 0.00066mm，形变量非常接近。形变量最大的 AZ3B 镁合金材料和形变量最小的 TC4 钛合金材料之间相差了 0.00684mm。表 2 不同材料六阶模态表Hz阶数材料名称一阶固有频率二阶固有频率三阶固有频率四阶固有频率五阶固有频率六阶固有频率6061铝合金307.95459.64459.71148.41198.31198.4304不锈钢301.29453.21453.261140.511801180.1AZ3B镁合金306.62452.96454.021125.81184.81184.9TC4钛合金280.75413.94413.991022.71080.91081B:modalFigureType:total deformationFrequency:307.95 HzUnit:m2021/12/15 9:410.538 430 Max0.478 6000.418 7800.358 9500.299 1300.239 3000.179 4800.119 6500.059 8250 MinB:modalFigureType:total deformationFrequency:459.64 HzUnit:m2021/12/15 9:410.778 940 Max0.692 3900.605 8400.519 2900.432 7400.346 1900.259 6500.173 1000.086 5490 MinB:modalFigureType:total deformationFrequency:1 148.4 HzUnit:m2021/12/15 9:410.631 760 Max0.561 5700.491 3700.421 1800.350 9800.280 7800.210 5900.140 3900.070 1960 MinB:modalFigureType:total deformationFrequency:1 198.3 HzUnit:m2021/12/15 9:420.737 01 Max0.655 120.573 230.491 340.409 450.327 560.245 670.163 780.081 890 MinB:modalFigureType:total deformationFrequency:459.7 HzUnit:m2021/12/15 9:410.776 930 Max0.690 6100.604 2800.517 9500.431 6300.345 3000.258 9800.172 6500.086 3260 MinB:modalFigureType:total deformationFrequency:1 198.4 HzUnit:m2021/12/15 9:420.732 100 Max0.650 7600.569 4100.488 0700.406 7200.325 3800.244 0300.162 6900.081 3450 Min图 6 6061 铝合金的前六阶振型1 4001 2001 000800600400200频率/Hz123456阶数y1:铝合金y2:镁合金y3:不锈钢y4:钛合金1 1601 1201 0801 0401 0003.984.004.02图 7 不同材料的六阶固有频率折线图第50卷第1期张昆，等：氢电转换装置旋转部件材料选取及性能分析103四种材料的等效应力对比如图 9(b)所示，四种材料的旋转部件受到的等效应力相差比较大。304 不锈钢受到的等效应力最大为 146.25MPa，其次的 TC4钛合金材料的 81.55MPa，接下来是 6061 铝合金的50.92MPa，最小等效应力是 AZ3B 镁合金材料的32.21MPa。等效应力最大的 304 不锈钢于最小的AZ3B 镁合金之间相差了 114.04MPa。四种材料的最大的等效应力都要小于对应材料的屈服强度。通过上述数据的拟合曲线对比，显然6061 铝合金的最大形变量和最大等效应力都处于较低的位置，这就意味着正常工作时，选用 6061 铝合金材质的部件会有更小的形变量，对于高速旋状的精密部件，形变量是非常重要的一个指标，形变量太大会有旋转过程中失衡的风险。最大等效应力也较小，降低正常工作时的材料损伤风险，给部件带来更大的安全保障。3.4 静强度许用安全系数材料特性会影响安全系数，安全系数也是衡量材料是否合适的标准之一。静强度许用安全系数公式为：n=/(1)n式中：安全系数；s屈服强度；最大等效应力。根据公式（1）分别计算四种材料的静强度许用安全系数，计算结果如表 4 所示，四种材料的安全系数折线图如图 10 所示。表 4 安全系数对比表材料名称6061铝合金304不锈钢AZ3B镁合金TC4钛合金安全系数5.421.4111.189.20121086420安全系数5.421.4111.189.26061铝合金304不锈钢AZ3B镁合金TC4钛合金材料图 10 四种材料安全系数折线图3.5 对比分析通过上述的分析结果可以得到四种材料的性能对比表，如表 5 所示。Max(a)总形变图(b)等效应力图 A:static structuralFigureType:total deformationUnit:mTime:12021/12/14 21:50Max3.669 21053.302 21052.935 31052.568 41052.201 51051.834 61051.467 71051.100 71057.338 31063.669 21060 MinA:static structuralFigureType:equivalent(von-Mises)stressUnit:PaTime:12021/12/14 21:525.091 91074.527 51073.963 11073.398 71072.834 21072.269 81071.705 41071.141 01075.765 51061.213 3105图 8 旋转部件静力分析图表 3 最大形变量和最大等效应力对比表材料名称最大形变量/mm最大等效应力/MPa6061铝合金0.03669250.92304不锈钢0.038757146.25AZ3B镁合金0.04346632.21TC4钛合金0.03662681.55(a)四种材料最大形变折线图0.043 4660.036 6260.038 7570.036 6920.0440.0420.0400.0380.0360.0340.0326061铝合金304不锈钢AZ3B镁合金TC4钛合金最大形变量/mm材料146.2581.5532.2150.92最大等效应力/MPa1601401201008060402006061铝合金304不锈钢AZ3B镁合金TC4钛合金材料(b)四种材料最大等效应力折线图图 9 四种材料旋转部件的最大形变量和最大等效应力折线图104中国测试2024年1月表 5 四种材料性能对比表材料名称弹性模量/GPa泊松比质量密度/(kgm3)屈服强度/MPa热扩张系数/(106K1)最大形变量/mm最大等效应力/MPa安全系数6061铝合金690.332800276230.03669 50.92 5.42304不锈钢2000.287800206110.03876 146.25 1.41AZ3B镁合金450.341700360250.04347 32.21 11.18TC4钛合金1100.374500750100.03663 81.55 9.20从模态分析结果看，四种材料的固有频率都与正常工作时的频率有较大差距，完全可以避免共振现象；从静力学分析的结果看，AZ3B 镁合金的形变量较大，304 不锈钢的等效应力较大，需要旋转部件的结构强度较高；从安全系数结果看，304 不锈钢的静强度许用安全系数较低，其他三种的材料静强度许用安全系数较高；从材料本身性能分析，304 不锈钢和 TC4 钛合金的质量密度较大，同体积下质量较高，由于是旋转部件的材料选取，轻量化对于整个装置的影响较大。综上，6061 铝合金材料在正常工作状态下不会共振，仿真数据显示 6061 铝合金材料的形变量和等效应力较小，正常工作状态会极大减少材料运动损伤，从而延长部件使用寿命，安全系数也能完全达到部件稳定运行的要求，且 6061 铝合金材料的质量密度较小，达到旋转装置材料轻量化的要求，所以应优先考虑使用 6061 铝合金作为氢燃料发电装置旋转部件的制作材料。如图 11 为 6061 铝合金材质简化模型工作状态实物图。图 11 模型实物图4 结束语为了制造在 1000rad/s 高速环境下运转的氢燃料高速旋转磁流体发电装置的核心旋转部件，对材料的选取及性能进行了研究，对分析结果以及材料的属性进行了综合比较，确定最合适的制作材料。1）对旋转部件的工况分析选了四种材料作为备选材料。基于 WorkbenchModal 模块分别对四种材料的旋转部件进行模态分析，发电机正常工况的频率应该是 50Hz，正常的波动范围应该不超过5%，根据仿真数据显示，四种材料的前六阶固有频率都高于发电机正常工况下的频率，故此四种材料的旋转部件在正常工作状态下不会发生共振；2）基于 WorkbenchStaticStructural 模块分别对四种材料的旋转部件进行了静力学分析，得到了四种材料最大形变量、应力等关键参数，计算了四种材料安全系数；3）比较上述性能参数，结合材料各自属性，在满足旋转部件正常工作的前提下，结合部件轻量化等因素，综合考虑应首选 6061 铝合金作为旋转部件的制作材料。参考文献 方琰藜,侯正猛,岳也,等.一种应用于氢能产业一体化的新型多功能盐穴储氢库 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