離心式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

馮培軍

（陽煤集團(tuán)山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045008）

引言

離心通風(fēng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并依靠葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的壓力差來吸、排流體的一種廣泛應(yīng)用在車間、煤礦、發(fā)電、建筑物上的機(jī)械設(shè)備。隨著國民經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，越來越多的通風(fēng)機(jī)也開始朝著大型化、集成化、高速化的方向發(fā)展，但目前離心式通風(fēng)機(jī)普遍存在著振動(dòng)強(qiáng)、噪聲大、耗電量高的缺點(diǎn)，極大地限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用[1]，因此如何降低風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，并在降低葉輪質(zhì)量的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)度，提高其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性便成了工程設(shè)計(jì)人員迫切需要解決的問題。

1 離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

離心式通風(fēng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并依靠葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的壓力差來吸、排流體的設(shè)備，其主要由葉輪、機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口及傳動(dòng)部分等四部分組成，典型的離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

離心式通風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，由電網(wǎng)系統(tǒng)給電機(jī)提供電源，帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)葉輪進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于葉輪特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)周圍的流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在蝸殼內(nèi)部導(dǎo)流的作用下將流體推出蝸殼的出口。在葉輪旋轉(zhuǎn)的過程中，由于其氣動(dòng)布局的特點(diǎn)，造成葉輪內(nèi)部的壓力小于外界的壓力，這樣前后在壓差作用下便形成了連續(xù)不斷的空氣流動(dòng)。

圖1 離心式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 離心式通風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度的計(jì)算方法

離心式通風(fēng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，葉片除了受到離心力的作用外還會(huì)受到氣流與蝸殼作用所產(chǎn)生的附加的應(yīng)力，但這個(gè)附加應(yīng)力和葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力相比較小，因此為了便于對(duì)通風(fēng)機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，忽略氣流與蝸殼作用所產(chǎn)生的附加的應(yīng)力對(duì)葉片的作用。

將葉片簡化為一個(gè)固定梁，對(duì)于固化梁結(jié)構(gòu)來說，其在工作時(shí)的最大力矩主要產(chǎn)生在梁的兩端位置，其值應(yīng)為式中，q為均布載荷在單位長度上的大??；I為固定梁的長度。

對(duì)于平板直葉輪，其葉片在工作中的受力如圖2所示[2]。

葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)其角速度為ω，因此其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力P可表示為：

式中：ρ為葉輪的材料密度；b為葉輪的葉片長度；ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度；δ為葉輪的壁厚；I為葉輪葉片的平均寬度；R為葉輪中心到葉片重心的距離；c為輔助計(jì)算系數(shù)，取86.8。

圖2 平板直葉輪受力分析簡圖

如上頁圖2所示，在計(jì)算時(shí)，假設(shè)葉片的重心位于O點(diǎn)，則其在工作過程中的離心力可分解為法向力P1和切向力P2，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)在這兩個(gè)力的作用下發(fā)生形變，同時(shí)在葉片內(nèi)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，因葉片的結(jié)構(gòu)形狀決定了其在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的正應(yīng)力的數(shù)值要遠(yuǎn)大于切應(yīng)力的數(shù)值，因此在分析時(shí)，只考慮產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力，該正應(yīng)力可表示為：

式中：φ為P方向和P2的夾角。因?yàn)槿~片的最大彎矩為，因此葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中的最大彎曲應(yīng)力為：

式中：e為葉片中心到葉片迎風(fēng)面的垂直距離；W為抗彎截面模數(shù)。

3 離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的有限元建模

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，被廣泛地應(yīng)用于設(shè)備的靜力學(xué)分析[3]。

為了對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，首先利用Creo軟件建立了通風(fēng)機(jī)葉輪的三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS仿真軟件中，并劃分網(wǎng)格單元，因?yàn)閷?duì)葉輪仿真分析結(jié)果的可靠性主要取決于對(duì)葉輪劃分網(wǎng)格的數(shù)量和方法，根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)ANSYS仿真的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用的是將自由網(wǎng)格劃分法和映射劃分的方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在葉輪葉片與外沿結(jié)合的三級(jí)位置采用自由網(wǎng)格劃分的方法，在葉輪其他相對(duì)平整的位置采用映射劃分網(wǎng)格的方法，在完成全部網(wǎng)格后其網(wǎng)格總數(shù)約有5 678個(gè)單元，6 104個(gè)節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示[4]。

在劃分網(wǎng)格后，為了對(duì)其進(jìn)行仿真分析，還需要在各模型連接部分建立起數(shù)學(xué)聯(lián)系，并施加約束和載荷，對(duì)其施加約束和載荷后的受力如圖4所示。

4 離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的有限元分析

應(yīng)用求解后，主要對(duì)葉輪節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖3 葉輪的有限元分析模型

圖4 葉輪施加約束和載荷后的示意圖

圖5 葉輪的等效應(yīng)力（MPa）云圖1

圖6 葉輪的等效應(yīng)力（MPa）云圖2

由圖5和圖6的葉輪仿真分析的等效應(yīng)力云圖可知，離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪在運(yùn)行過程中的最大應(yīng)力約為105.6 MPa，其位于葉輪的出口位置，在葉輪的進(jìn)口位置其工作時(shí)應(yīng)力的最大值約70 MPa，且其應(yīng)力均集中在葉輪的葉片與輪沿焊接處的過渡位置。因此為了確保葉輪在高速運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性，需要采取一定的措施對(duì)葉輪在運(yùn)行過程中應(yīng)力集中的位置進(jìn)行加強(qiáng)處理，對(duì)應(yīng)力分散的位置可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行減薄處理。通過仿真分析結(jié)果可以確保葉輪在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工作要求的前提下，優(yōu)化布局，減小質(zhì)量，減少電機(jī)在運(yùn)行過程中的電能的消耗。

5 結(jié)論

結(jié)合仿真結(jié)果分析，葉輪在運(yùn)行過程中的應(yīng)力主要集中在葉片與輪沿結(jié)合處的位置，因此為了確保葉輪在高速運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性，需要采取一定的措施對(duì)葉輪在運(yùn)行過程中應(yīng)力集中的位置進(jìn)行加強(qiáng)處理，對(duì)應(yīng)力分散的位置可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行減薄處理。這一舉措對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論和技術(shù)支持，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。