高壓高效電機(jī)離心式風(fēng)扇設(shè)計與有限元分析

宋德江

（哈電集團(tuán)佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

高壓高效電機(jī)離心式風(fēng)扇設(shè)計與有限元分析

宋德江

（哈電集團(tuán)佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

本文通過對風(fēng)扇理論的分析，結(jié)合有限元分析方法，對大中型高壓高效電機(jī)采用何種風(fēng)扇設(shè)計進(jìn)行闡述。

高效；離心式風(fēng)扇；設(shè)計

從國家對節(jié)能要求的角度來看，對大中型高效電機(jī)的研究已經(jīng)成為現(xiàn)今電機(jī)行業(yè)的主流趨勢。想要提高大中型高壓電機(jī)效率，就必須降低整個電機(jī)的損耗，而事實上也是通過降低機(jī)械損耗來達(dá)到提高電機(jī)效率這一根本目的。僅從降低機(jī)械損耗這個目標(biāo)來看，絕大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士采取的方法都是對通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文結(jié)合個人多年從事電機(jī)的實踐工作經(jīng)驗，從離心式風(fēng)扇理論入手，結(jié)合有限元分析方法，對大中型高壓高效電機(jī)采用離心風(fēng)扇設(shè)計進(jìn)行闡述。

1 高壓高效電機(jī)離心式風(fēng)扇概述

我國早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始了對軸流式節(jié)能風(fēng)扇的研究工作，當(dāng)時研發(fā)的目的主要是為了適用于一些小型的異步電動機(jī)之中的，事實證明：使用軸流式風(fēng)扇的電機(jī)效率比離心式風(fēng)扇高出很多，但是，在這種情形下造成的風(fēng)壓低也是一個重大的缺陷?；谶@樣的考慮，直接導(dǎo)致了此種設(shè)計很難應(yīng)用在大中型電機(jī)之中。也正是因為風(fēng)扇本身性能上所存在的限制，直接決定了想通過這方面提高電機(jī)的效率有很大難度。若嘗試采用后傾式風(fēng)扇設(shè)計的話，加之選擇合適的尺寸和形態(tài)，就可以達(dá)到我們需要的風(fēng)壓，同時，也能夠降低整體損耗，最終達(dá)到提高電機(jī)使用效率的目的。

2 高效電機(jī)后傾式風(fēng)扇設(shè)計

2.1 關(guān)于尺寸和風(fēng)壓方面

風(fēng)扇外徑對于一個風(fēng)扇來說是最為重要的性能指標(biāo)，其確定原則就在于保障風(fēng)扇能夠產(chǎn)生我們需要的風(fēng)壓數(shù)值，最終克服電機(jī)風(fēng)阻，當(dāng)然還要維持基本的風(fēng)量和風(fēng)速，這樣的選擇其實是受到電機(jī)尺寸、效率以及噪聲大小影響的。當(dāng)風(fēng)阻較大時，外徑應(yīng)盡量取大些，以提高風(fēng)扇的風(fēng)壓，但隨著外徑的增加，風(fēng)扇的圓周線速度增加，其產(chǎn)生的風(fēng)扇噪聲、通風(fēng)損耗也會相應(yīng)的增加，設(shè)計時應(yīng)盡可能在保證電機(jī)溫升合理的情況下縮小外徑。如果我們能夠知道風(fēng)扇的外部特性和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻特性時，就能夠通過這些數(shù)值計算出系統(tǒng)的風(fēng)量。

2.2 關(guān)于葉片選型

在考慮風(fēng)扇葉片的時候，根據(jù)葉片的出口角度不同，離心式風(fēng)扇葉片分為：前傾式葉片、徑向式葉片、后傾式葉片。當(dāng)出口角小于90°時為前傾式；當(dāng)出口角等于90°時為徑向式；當(dāng)出口角大于90°時為后傾式。葉片的片型是由安裝角決定的，對于后傾式風(fēng)扇，我們比較常見的型線有直線、圓弧線與對數(shù)螺旋線，考慮到當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口角的數(shù)值一樣時，是不能采用直線的，對數(shù)螺旋線在制造中又過于復(fù)雜，因此，葉片可采用圓弧線。

3 不同型式離心風(fēng)扇的有限元分析

以Y500-4 10kV系列電機(jī)風(fēng)扇為例，搭建不同型式的離心式風(fēng)扇模型并進(jìn)行有限元分析，對比前傾式和后傾式風(fēng)扇所產(chǎn)生的機(jī)械損耗，以驗證采取后傾式風(fēng)扇的優(yōu)勢所在。

3.1 后傾式風(fēng)扇的分析計算

為了方便后傾式風(fēng)扇設(shè)計，在建模時，可采用直線型葉片，進(jìn)風(fēng)口角β1為35°，出風(fēng)口角β為45°，其葉片后傾式排列與轉(zhuǎn)子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)模式見圖1、圖2。

圖1 后傾式風(fēng)扇Fig.1 Rear dump fan

圖2 風(fēng)扇模型Fig.2 Fan model

從圖2風(fēng)扇模型可以得知：風(fēng)扇共有葉片14片，每片葉寬85 mm，在逆時針旋轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)速為1 493 r/min。在已知條件下，風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)過程中流體場的流線與風(fēng)壓，如圖3、圖4所示。

圖3 風(fēng)壓圖Fig.3 Wind pressure chart

圖4 流線圖Fig.4 Streamline chart

從圖3、4可以看出，風(fēng)扇葉片正面風(fēng)壓比背面風(fēng)壓大，形狀較為規(guī)則，同時，風(fēng)扇葉片之間的流線分布也十分理想，流體運動均勻，幾乎看不到渦流現(xiàn)象。此模型下的后傾分布葉片風(fēng)量為4.246 36［kgs^-1］，損耗為1 374.22W。

3.2 前傾式風(fēng)扇的分析計算

同一模型，順時針旋轉(zhuǎn)則為前傾式風(fēng)扇。前傾式風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)過程中的流體場的流線與風(fēng)壓，如圖5、圖6所示。

圖5 風(fēng)壓圖Fig.5 Wind pressure chart

圖6流線圖Fig.6 Streamline chart

圖5 、圖6顯示，風(fēng)扇葉片的正面風(fēng)壓明顯大于背面風(fēng)壓，且形狀極不規(guī)則，葉片之間的流線分布也十分不理想，存在著嚴(yán)重的渦流現(xiàn)象。此模型下的前傾式風(fēng)量為0.335 72［kgs^-1］，耗損為2 007.19W。

由此分析可以看出，后傾式風(fēng)扇產(chǎn)生的渦流損耗小，效率高，所以，在高壓高效電機(jī)風(fēng)扇設(shè)計中采取后傾式風(fēng)扇效果最佳。

4 結(jié)語

本文主要結(jié)合了主流學(xué)說對高壓高效電機(jī)離心式風(fēng)扇設(shè)計的基本觀點，推理出來影響風(fēng)扇設(shè)計的關(guān)鍵因素是風(fēng)壓與風(fēng)量，而風(fēng)扇設(shè)計對提高電機(jī)效率，降低機(jī)械損耗又至關(guān)重要。因此，當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓的數(shù)值達(dá)到一定規(guī)模時，就需要我們定好具體風(fēng)壓比例數(shù)值，只有這樣，才能得到我們想到的最優(yōu)的效率工作平衡點，而這正是我們在開發(fā)大中型高壓高效電機(jī)中需要深入研究的重要因素。

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

Analysis Finite Element and Design of Centrifugal fan for High Voltage and High Efficiency Motor

SONG De-jiang
(Jiamusi Electric Machine Company Limited,Heilongjiang,Jiamusi 154002,China)

This article through to the fan theory analysis,combined with the finite element analysis method,to the large and medium-sized high voltage and high efficiency motor to use what kind of fan design to carry on the elaboration.

High efficiency;Centrifugal fan;Design

TM301.4

B

1674-8646（2015）09-0024-02

2015-06-19

宋德江（1988-），男，山東齊河人，學(xué)士，助理工程師，從事高壓電機(jī)設(shè)計與研發(fā)工作。