電動輪冷卻風(fēng)機的葉片設(shè)計與優(yōu)化

曹毅杰

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，赤峰 024005）

0 引言

電動輪自卸車具有工作效率高、安全性能好及使用壽命長等優(yōu)點，現(xiàn)已在世界上近半的煤礦得到廣泛的應(yīng)用。其電動輪采用高功率密度電機進行驅(qū)動，存在發(fā)熱嚴(yán)重的問題，同時電動輪放置在較為封閉的空間內(nèi)，驅(qū)動電機散熱十分困難，從而優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)是電動輪自卸車穩(wěn)定運行的重要保證[1,2]。風(fēng)機作為電機冷卻系統(tǒng)的重要部件，其性能優(yōu)劣直接影響著冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，但是礦車狹小的安裝空間對風(fēng)機尺寸有嚴(yán)格限制，需要在滿足冷卻系統(tǒng)基本需求的前提下對風(fēng)機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

以礦用電動輪自卸車為應(yīng)用背景，對電動輪冷卻風(fēng)機進行了再設(shè)計，重點是對風(fēng)機葉片的安裝角、葉片數(shù)目與內(nèi)外徑之比等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。完成冷卻風(fēng)機整體設(shè)計及幾何建模后，通過Fluent仿真軟件研究葉片安裝角、葉片數(shù)目及葉片厚度等主要參數(shù)的變化對風(fēng)機氣動性能的影響。風(fēng)機的性能是葉片多個參數(shù)共同作用的結(jié)果，因此將葉片的參數(shù)作為實驗因子，通過設(shè)計正交試驗對葉片參數(shù)進行優(yōu)化組合研究，得到了能夠使風(fēng)機具有良好氣動性能的葉片優(yōu)化組合。

1 電動輪冷卻風(fēng)機設(shè)計

所研究的礦用電動輪自卸車的冷卻系統(tǒng)采用強迫式通風(fēng)冷卻的方式，其冷卻系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機、通風(fēng)管道和驅(qū)動電機組成。離心風(fēng)機通過通風(fēng)管道將冷卻空氣吹入電動輪驅(qū)動電機一端的入口，然后冷卻空氣流經(jīng)電機內(nèi)部與轉(zhuǎn)子、定子和繞組等發(fā)熱元件實現(xiàn)熱交換，而后再經(jīng)電機另一端的出口將空氣排出。

冷卻風(fēng)機在達到冷卻電動輪所需要冷量要求下，還需要風(fēng)機蝸殼尺寸不大于1000mm以便可以安置在車廂與控制室中間下方的有限空間里?；诳刂扑俣确植嫉脑瓌t，在減小二次流和流動分離的前提下，結(jié)合傳統(tǒng)方法進行離心風(fēng)機葉輪的設(shè)計，而風(fēng)機的進風(fēng)出風(fēng)口、蝸殼大小及厚度等其他結(jié)構(gòu)及其參數(shù)則采用傳統(tǒng)基于經(jīng)驗和公式的方法加以設(shè)計。

驗證所設(shè)計風(fēng)機的合理性，基于SolidWorks軟件建立了其幾何建模，再通過Gambit和Fluent仿真軟件進行了仿真計算。風(fēng)機葉輪以及蝸殼區(qū)域是空氣流動十分復(fù)雜的區(qū)域，所以進行網(wǎng)格劃分時該區(qū)域采用小尺寸的四面體網(wǎng)格，而在兩段加長管道和風(fēng)機流動相對穩(wěn)定的進風(fēng)口區(qū)域則采用稀疏的大尺寸四面體及六面體網(wǎng)格，這樣不但縮短了計算時間而且也大大提高了計算效率。求解時為了更好的再現(xiàn)離心風(fēng)機內(nèi)部的復(fù)雜流場，采用了標(biāo)準(zhǔn) k-e湍流模型，風(fēng)機的進出口則采用壓力邊界條件，速度與壓力的耦合方式則為SIMPLE，方程離散采用一階迎風(fēng)格式，葉片轉(zhuǎn)動與周圍流體區(qū)域采用MRF耦合條件。

模擬得到風(fēng)機的流量與功率分別為3.64m3/s和29.4kw，與設(shè)計目標(biāo)流量4m3/s與功率29.92kw間的誤差較小。風(fēng)機內(nèi)部壓力與速度流場數(shù)值模擬表明，風(fēng)機內(nèi)部多處存在二次流和尾流-射流現(xiàn)象，風(fēng)機的靜壓從進口到出口是一個逐漸增大的過程，風(fēng)機全壓在葉道內(nèi)先升高又逐漸降低，風(fēng)機氣流速度從進口到出口逐漸增大，而從葉輪邊緣流出后逐漸降低。

2 葉片參數(shù)的影響分析

葉片作為風(fēng)機的核心部件結(jié)構(gòu)，其設(shè)計對風(fēng)機的整體性能有直接的影響，通過對葉片的參數(shù)進行優(yōu)化可以極大地改善風(fēng)機的氣動性能。將葉片的安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比和葉片厚度作為葉片的可變參數(shù)，而以功率和流量兩個為風(fēng)機主要性能指標(biāo)，通過Fluent軟件研究葉片各參數(shù)對風(fēng)機性能的影響，仿真時風(fēng)機轉(zhuǎn)速仍為3000rpm。

將風(fēng)機模型的葉片安裝角設(shè)定為135°、140°、145°和150°，而保持其他參數(shù)不變，進行CFD仿真分析，結(jié)果如圖一所示?？梢娙~片安裝角對風(fēng)機功率和流量的影響較大且變化趨勢一致，安裝角由135°增加到145°，風(fēng)機流量減小了16.3%，功率則減小了34.3%，但繼續(xù)增加安裝角對流量和功率基本沒有影響，說明過于傾斜的葉片對風(fēng)機性能的提升不大。

圖1 葉片安裝角與風(fēng)機流量和功率關(guān)系圖

取風(fēng)機模型葉片數(shù)目為10、12、14與16，而保持其它參數(shù)不變，CFD仿真結(jié)果如圖2所示。當(dāng)葉片數(shù)目從10增加到12時，曲線斜率很大，說明流量和功率的值都有較大程度的提高，而后再將葉片數(shù)目增加到16時，流量和功率曲線幾乎平直沒有發(fā)生明顯變化。理論分析也表明，一定的范圍內(nèi)增加葉輪的葉片數(shù)可以減少相對渦流的影響，提高風(fēng)機葉輪理論壓力，但是葉片數(shù)過多將增加葉輪通道的摩擦損失，增加能耗。

圖2 葉片數(shù)目與風(fēng)機流量和功率關(guān)系圖

圖3 葉片內(nèi)外徑之比與風(fēng)機流量和功率關(guān)系圖

對葉片內(nèi)外徑之比與風(fēng)機性能指標(biāo)的關(guān)系進行分析時，仍然保持其他因素不變，而使風(fēng)機模型的內(nèi)外徑之比分別取0.70、0.65、0.6與0.55。仿真分析結(jié)果（如圖3所示）表明，一定范圍內(nèi)，增加內(nèi)外徑之比，流量和功率也隨之增加，但超過該比值后，流量和功率反而隨著內(nèi)外徑之比的增大而降低。過小的內(nèi)徑比使得葉片長度過長，增加了生產(chǎn)制造的難度，而過大的內(nèi)徑又使得流量和功率不能滿足需求，可見每個風(fēng)機都有一個最優(yōu)的內(nèi)外徑之比。

金屬風(fēng)機具有流量較大、功耗低及效率高等優(yōu)點，其顯著特點是厚度小。取風(fēng)機葉片厚度為3mm、5mm、7mm和9mm進行仿真分析。仿真結(jié)果整理如圖4所示，可見厚度增加的過程中，流量和軸功率均呈現(xiàn)線性下降趨勢，當(dāng)厚度從3mm增加到9mm，風(fēng)機流量和功率分別減小了10.8%與19.6%。保證強度要求的前提下，應(yīng)盡量選取薄的葉片以提高風(fēng)機的性能，后續(xù)分析將金屬葉片厚度取為3mm。

圖4 葉片厚度與風(fēng)機流量和功率關(guān)系圖

葉輪的葉片安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比和葉片厚度都對風(fēng)機的流量和功率具有不同程度的影響，其中風(fēng)機流量和功率幾乎隨葉片厚度線性遞減，而其他三者表現(xiàn)出拐點，可通過一定的方法進行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

表1 葉片參數(shù)對流量和功率的影響對比

3 葉片參數(shù)的正交試驗優(yōu)化

正交試驗設(shè)計方法（Orthogonal Experimental Design，ODE）一種快速、經(jīng)濟、高效的試驗設(shè)計方法，它利用規(guī)格化的正交表合理地安排多因素試驗，然后結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計對試驗結(jié)果進行科學(xué)地分析[3]。全面試驗雖然可獲得大量信息，但進行全面試驗所耗費的人力、物力和時間現(xiàn)實情況下是難以承受的。通過ODE有規(guī)則的安排各因素的組合進行試驗可大幅度減少試驗次數(shù)，得到接近最好結(jié)果的方案，同時也能為下一步的優(yōu)化提供指向性依據(jù)。

通過正交試驗設(shè)計方法對影響風(fēng)機性能的葉片參數(shù)進行優(yōu)化組合設(shè)計時，將葉片安裝角、葉片內(nèi)外徑之比、葉片數(shù)目3個主要參數(shù)作為試驗因子，分別記為因子A、因子B與因子C；而以冷卻風(fēng)機外徑 500mm情況下，風(fēng)機風(fēng)量達到4m3/s而功率消耗盡量小為優(yōu)化目標(biāo)。正交表設(shè)計時，三個因子均取三個水平，即因子A取A1（135°）、A2（140°）、A3（145°）；B1（0.60）、B2（0.65）、B3（0.70）；C1（10）、C2（12）、C3（14）。忽略設(shè)計因子之間的相互作用，則依照正交試驗設(shè)計原理，要進行共9組試驗。通過Solidworks軟件完成上述九個風(fēng)機模型的建模,再通過Gambit進行前處理和Fluent軟件進行仿真分析，得到的各組試驗的風(fēng)機流量和功率，最后借助SPSS軟件對風(fēng)機葉片正交試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

對仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析表明（如表1所示），顯著性水平取0.05時，對風(fēng)機流量而言只有因子A（葉片安裝角）的影響比較突出，而對風(fēng)機功率來說三個因子的影響都比較突出。以風(fēng)機流量和功率為評價指標(biāo)，則可得到三個設(shè)計因子的最優(yōu)組合為A1B3C2（優(yōu)化模型1）或者A2B3C2（優(yōu)化模型2），優(yōu)化模型葉片參數(shù)具體取值如表2所示。

風(fēng)機兩個優(yōu)化模型與理論模設(shè)計型的數(shù)值模擬結(jié)果對比如表二，可知兩個優(yōu)化模型的風(fēng)機性能指標(biāo)均大于原始設(shè)計模型指標(biāo)。其中優(yōu)化模型2的流量和功率分別增加了19.8%與16.3%，風(fēng)機的氣動性能獲得了明顯的改善，消耗較少功率即可獲得明顯的流量提升。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的冷卻風(fēng)機現(xiàn)已安裝在某170t礦用自卸車上，獲得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

表2 葉片參數(shù)優(yōu)化前后對比

4 結(jié)束語

針對礦用電動輪電機冷卻的問題，設(shè)計了一種新的離心式風(fēng)機，主要通過數(shù)值模擬方法和正交試驗對影響風(fēng)機性能的葉片參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。Fluent仿真結(jié)果表明葉片安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比及軸向高度等參數(shù)對風(fēng)機的流量和功率都有影響。以葉片主要參數(shù)為正交因子設(shè)計正交試驗，得到了兩組葉片參數(shù)的優(yōu)化組合，優(yōu)化模型能使風(fēng)機消耗較少功率而獲得明顯的流量提升。優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機在某170t礦用自卸車電動輪冷卻系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果。

[1]張艷,申焱華,張文明,等.礦用自卸車電動輪冷卻系統(tǒng)研究 [J].煤礦機械,2012,33(3)：60-62.

[2]劉強,張耀斌,孟有平,等.新型電動輪礦用車?yán)鋮s系統(tǒng)[J].煤礦機械,2013,34(12)：131-133.

[3]徐仲安,王天保,李常英,等.正交試驗設(shè)計法簡介[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2002,12(5)：148-150.