基于CFD的自冷高速電主軸風扇葉片性能研究

黃棟，郭偉科，劉輝，林祿生，吳智恒*

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基于CFD的自冷高速電主軸風扇葉片性能研究

黃棟1，郭偉科1，劉輝1，林祿生2，吳智恒1*

（1.廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070；2.廣州市昊志機電股份有限公司，廣東 廣州 511356）

以葉片安裝型式和葉片型線為設計因素對6種高速電主軸自冷風扇葉片進行了CFD模擬，得到了風扇內(nèi)部的流場情況。研究發(fā)現(xiàn)，冷卻風量和全壓隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，風扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變；軸功率主要受葉片安裝方式的影響，葉片型線的影響不大；弧線徑向式葉片和弧線前向式葉片的冷卻風量和效率最高，但弧線前向式葉片需要消耗更多的軸功率；風扇內(nèi)部氣流受電主軸端面和風罩的阻礙，容易在葉片根部和風罩處產(chǎn)生漩渦，造成流動損失。

自冷；高速電主軸；風扇葉片；CFD

高速電主軸是高速加工中心的核心部件，實現(xiàn)了“零傳動”[1]，具有慣性小、加工精度高、動態(tài)特性好等諸多優(yōu)點。電主軸在高速運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)熱，導致主軸在徑向和軸向都產(chǎn)生一定的熱應變，影響高速加工的精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、機床的承載力以及軸承使用壽命。因此，冷卻一直是高速電主軸的關(guān)鍵問題之一。

目前，木工機床用高速電主軸的冷卻方式主要采取強制風冷[2-3]，一般是通過在電主軸后端外裝軸流風扇，將電主軸產(chǎn)生的熱量帶走，從而達到電主軸的熱平衡效果。軸流風扇風量大，冷卻效果較好，然而外裝軸流風扇，使整個電主軸結(jié)構(gòu)變得復雜，而且成本很高。因此，將外裝軸流風扇更改為在電主軸后端直接固定連接扇葉，形成自扇風冷電主軸。電主軸轉(zhuǎn)速較普通電機高很多，葉片受力較大，所以需采取離心葉片，如圖1所示。葉片的安裝方式和型線對冷卻風量有重要影響[4]，本文采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對6種不同的葉片進行仿真與分析，對高速電主軸自冷風扇葉片的設計提供了參考依據(jù)。近年來，許多學者都采用CFD方法對流體機械的內(nèi)部流場進行了仿真分析并取得了一些研究成果[5-6]。

1 葉片型式的設計

冷卻風扇葉片對風道內(nèi)的實際流動情況起主要作用，合理優(yōu)化設計葉片型式和葉片型線，可有效提升冷卻風量和其它綜合性能。本文根據(jù)葉片出口安裝角的大小將葉片分為前向式、后向式和徑向式三種，根據(jù)葉片型線分為直線型和弧線型，如圖2所示。

圖1 自扇風冷電主軸示意簡圖

圖2 不同型式葉片的示意圖

2 數(shù)學模型和網(wǎng)格劃分

本文所求解的控制方程組是三維不可壓縮雷諾時均Navier－Stokes方程組。湍流模型采用考慮了旋轉(zhuǎn)效應的RNG－湍流模型，為湍動能，是湍流耗散率；壁面邊界條件為無滑移邊界條件，近壁區(qū)采取標準壁面函數(shù)[7]；進口邊界條件為大氣壓入口，出口邊界條件為大氣壓出口。由于葉片旋轉(zhuǎn)，模型中存在動靜結(jié)合面，采用Fluent軟件中的MRF（Moving Reference Frame）模型，這是把風道內(nèi)流場簡化為葉片在某一位置的瞬時流場，將非定常問題用定常方法計算。轉(zhuǎn)動區(qū)域的網(wǎng)格在計算時保持靜止，在慣性坐標系中以作用的科氏力和離心力進行定常計算；而固定區(qū)域是在慣性坐標系里進行定常計算。在兩個區(qū)域的交界面處交換慣性坐標系下的流體參數(shù)，保證了交界面的連續(xù)性。

由于電主軸幾何結(jié)構(gòu)較復雜，并有旋轉(zhuǎn)部件，網(wǎng)格劃分時將電主軸分為三塊：入口段、旋轉(zhuǎn)葉片和風道。入口段和旋轉(zhuǎn)葉片采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；風道部分較規(guī)則，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 電主軸網(wǎng)格模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 葉片性能比較

電主軸的最高轉(zhuǎn)速為24000 r/min，因此在12000～24000 r/min這一區(qū)間內(nèi)取5個工況點，分別對6種不同的葉片進行模擬仿真。圖4、圖5給出了不同葉片的轉(zhuǎn)速－風量、轉(zhuǎn)速－效率對比曲線，其中風扇效率為：

式中：N為有效功率，W；為軸功率，W；為全壓，Pa；為風量，m3/h；為葉片扭矩，N·m；為葉片轉(zhuǎn)速，r/min。

由圖4可知，冷卻風量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加；在相同轉(zhuǎn)速下，相比直線型葉片，弧線型葉片的冷卻風量更大，其中弧線徑向式葉片的風量最大，直線前向式葉片的風量最小。由圖5可知，一旦葉片的結(jié)構(gòu)型式確定，風扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變，因此葉片的前期設計就顯得尤為重要。其中，弧線徑向式和弧線前向式葉片的風扇效率最高，達到52%，而直線前向式葉片的效率最低，只有32%左右。

圖4 轉(zhuǎn)速－流量曲線圖

圖5 轉(zhuǎn)速－效率曲線圖

圖6和圖7分別給出了6種葉片在不同轉(zhuǎn)速下的全壓對比曲線和軸功率對比曲線。風扇全壓隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，其中前向式葉片的全壓最大，徑向式葉片其次，后向式葉片最小。然而，前向式葉片所消耗的軸功率也是最大的，徑向式葉片次之，后向式葉片最小。前向式葉片比后向式葉片所消耗的軸功率多一倍。由圖7還可以看出，軸功率主要受葉片安裝型式影響，葉片型線對軸功率的影響很小。

圖6 轉(zhuǎn)速－全壓曲線圖

圖7 轉(zhuǎn)速－軸功率曲線圖

表1綜合了6種葉片型式在轉(zhuǎn)速12000 r/min時主要性能參數(shù)的對比結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，弧線徑向式葉片和弧線前向式葉片的風量和效率變化很小，且在所有葉片中表現(xiàn)最優(yōu)；弧線前向式葉片的全壓雖然比弧線徑向式葉片高，但是其軸功率消耗也增大了，在轉(zhuǎn)速12000 r/min時多消耗了33.4%的軸功率。另外，前向式葉片動能頭所占比較大，而實際希望得到較高的靜能頭以克服冷卻風道的阻力。

表1 6種葉片在12000 r/min時的性能參數(shù)

3.2 風扇內(nèi)流場情況

由圖8可看出，弧線后向式葉片周圍的速度分布比較均勻，流動損失較小，直線后向式葉片在葉片的一側(cè)存在一個較大的低速區(qū)域即尾跡區(qū)域，流動損失較大。徑向式和前向式葉片的末端有一個高速區(qū)域，因為此處氣流受到葉片的作用力最大。

圖8 葉片半高處的速度云圖

圖9為風扇特征截面流場情況，在進口處氣流流場較為均勻，靠近葉片區(qū)域后受葉片作用則氣流速度迅速增大并沿葉片根部到葉片末端逐漸增大，經(jīng)過葉片后受風罩阻礙作用則氣流被迫大角度改變方向，使得流動損失增大，同時也容易導致回流和漩渦的產(chǎn)生，如圖10所示。在葉片根部，氣流被前方的電主軸端面阻擋，也導致了漩渦的產(chǎn)生。通過數(shù)值模擬得到了高速電主軸自冷風扇內(nèi)部的流場特征，為進一步優(yōu)化設計風扇結(jié)構(gòu)提供了有力參考依據(jù)。

圖9 風扇內(nèi)部特征截面的速度流線圖

圖10 風扇內(nèi)局部速度流線圖

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對6種高速電主軸自冷風扇葉片進行仿真模擬，得到了風扇內(nèi)部的流場情況。對計算結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明：

（1）冷卻風量和全壓隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，風扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變，其主要取決于葉片的幾何結(jié)構(gòu)型式；軸功率主要受葉片安裝方式的影響，葉片型線的影響不大。

（2）不同葉片的性能表現(xiàn)也各不相同，其中前向式葉片的全壓和軸功率最大，徑向式葉片次之，后向式葉片最??；弧線徑向式葉片和弧線前向式葉片的冷卻風量和效率最高，但是弧線前向式葉片需要消耗更多的軸功率，在轉(zhuǎn)速12000 r/min時多消耗33.4%的軸功率。

（3）從風扇內(nèi)部流場情況可知，由于氣流受電主軸端面的阻礙，在葉片根部產(chǎn)生了漩渦，造成流動損失；風扇葉片為徑流式葉片，氣流經(jīng)過葉片后在風罩處發(fā)生急劇轉(zhuǎn)彎，容易導致漩渦產(chǎn)生，進一步增大了流動損失。

[1]張柏霖，張志潤，肖曙紅. 超高速加工與機床的零傳動[J]. 中國機械工程，1996，7（5）：37-40.

[2]馬大國，姜新波，馬巖. 木工機械用高速電主軸的設計及動力學分析[J]. 木材加工機械，2012（3）：33-36.

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[4]吳讓利，吳沛佳，秦國良. 葉片型線對離心風機性能影響的研究[J]. 風機技術(shù)，2014（1）：31-36.

[5]宋冬梅，廖功磊，劉雪垠，等. 基于湍流數(shù)值模擬的雙吸離心泵性能預測[J]. 機械，2017，44（8）：18-21.

[6]劉雪銀，廖功磊，肖夏，等. 離心泵流場仿真有限元分析優(yōu)化[J]. 機械，2016，43（12）：6-9.

[7]王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

Performance Research of Self-Cooled Fan Blade in High-Speed Motorized Spindle Based on CFD

HUANG Dong1，GUO Weike1，LIU Hui1，LIN Lusheng2，WU Zhiheng1

( 1.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing, Guangzhou 510070, China;2.Guangzhou Haozhi Industrial Co., Ltd., Guangzhou 511356, China )

Simulations of six types of self-cooled fan blades in high-speed motorized spindle were carried out based on blade mounting type and blade profile. The flow field inside the fan was obtained. The results show that the cooling air volume and the total pressure grows with the increase of rotational speed, while the efficiency basically stay the same. The shaft power is mainly affected by blade installation, while the blade profile has little influence on it. The cooling air volume and efficiency are highest in the arc radial blade and the arc forward blade, but the arc forward blade consumes more shaft power. The internal flow of the fan is hindered by the end face of the motorized spindle and the wind shield, which tends to create a vortex and cause the flow loss.

self-cooled；high-speed motorized spindle；fan blade；CFD

TS642；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.009

1006－0316 (2018) 11－0037－05

2018－02－08

廣州市科技計劃項目（201508010019、201604016130）；廣東省科技計劃項目（2015B010136005、2016B090918121）

黃棟（1988－），男，廣西玉林人，碩士，工程師，主要研究方向為機械裝備可靠性數(shù)值模擬。

通訊作者：吳智恒（1970－），男，廣西南寧人，碩士，教授級高工，主要研究方向為先進制造技術(shù)。