軸流通風(fēng)機(jī)鏡像對(duì)稱葉片研究

董玉領(lǐng)，曾錦榮，邵家泉，鐘俊良，劉德軍，王琳琳，董偉

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2.南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東 佛山 528000；3.中信國安化工有限公司，山東 菏澤 274500）

0 引言

軸流通風(fēng)機(jī)具有流量大、壓力低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電力（包括核電）、冶金、化工、城市軌道交通、煤礦開采等行業(yè)。軸流通風(fēng)機(jī)的葉片作為核心關(guān)鍵部件，在長時(shí)間使用后，部分葉片（材質(zhì)為鋁、玻璃鋼、碳鋼）因自然老化、磨損、變形及銹蝕等問題而影響風(fēng)機(jī)性能。為滿足因部分風(fēng)機(jī)廠家停產(chǎn)或其他因素而無法采購原適配的備件對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行更換，以及節(jié)能減排等要求而替代現(xiàn)有軸流通風(fēng)機(jī)葉片[1]，有必要開展葉片設(shè)計(jì)成型研究。

目前軸流通風(fēng)機(jī)葉片，隨著機(jī)翼技術(shù)和風(fēng)力機(jī)葉片的進(jìn)步，經(jīng)過不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一系列的成熟葉片[2-3]。軸流通風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)制造通常采用計(jì)算或試驗(yàn)方式選擇或改進(jìn)成熟應(yīng)用的葉片[4-5]，并加以CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）等輔助手段[6-7]檢驗(yàn)。本文在提出采用鏡像對(duì)稱方法設(shè)計(jì)制造葉片后，通過對(duì)采用此方法設(shè)計(jì)制造的葉片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由此葉片組裝成的風(fēng)機(jī)效能和葉片應(yīng)力均在要求范圍內(nèi)，但是左旋葉片的應(yīng)力略小于右旋葉片。研究結(jié)論可供后續(xù)軸流風(fēng)機(jī)及軸流泵等設(shè)計(jì)和替代借鑒。

1 鏡像葉片理論分析

1.1 風(fēng)機(jī)概述

一臺(tái)軸流通風(fēng)機(jī)采用皮帶傳動(dòng)，型式為單葉輪、沒有前后導(dǎo)葉，主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速為600 r/min，流量為12 600 m3/h，風(fēng)機(jī)全壓為512～537.6 Pa，葉輪直徑為2.2 m，葉片數(shù)量為12片。

1.2 鏡像對(duì)稱方法

鏡像對(duì)稱方法即在葉片安裝中心位置不變的情況下，對(duì)左旋葉片或右旋葉片進(jìn)行鏡像對(duì)稱而得到新葉片的方法。

大型軸流通風(fēng)機(jī)的葉片，通常由葉柄和葉片主要工作區(qū)構(gòu)成。為確保風(fēng)機(jī)性能滿足要求，對(duì)葉片主要工作區(qū)的型線尺寸和葉片安裝角度有明確要求。大型軸流通風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，為快速實(shí)現(xiàn)葉片成型，通過對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)葉片模型進(jìn)行分析可知，采用鏡像對(duì)稱方法可以實(shí)現(xiàn)葉片截面的快速成型，鏡像對(duì)稱葉片示意圖如圖1所示。

圖1 鏡像對(duì)稱葉片示意圖

1.3 鏡像對(duì)稱葉片分析

1.3.1 鏡像對(duì)稱葉片分析

采用鏡像對(duì)稱方法，分別設(shè)計(jì)制造左旋葉片和右旋葉片，其中左右旋葉片截面如圖2所示。

圖2 左右旋葉片截面示意圖

1.3.2 葉片強(qiáng)度分析計(jì)算

軸流通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力作用下使葉片拉伸，在氣流壓力作用下發(fā)生扭曲。在離心力和氣流壓力共同作用下，葉片受到的應(yīng)力由其頂端逐漸向葉柄增加，其中葉柄與葉片主要工作區(qū)連接處（葉片根部）的應(yīng)力最大。左旋葉片和右旋葉片互為對(duì)稱鏡像葉片，在相同的設(shè)計(jì)條件下，葉片根部受力應(yīng)基本相同，下面以圖3 和圖4為例校核葉片強(qiáng)度。

圖3 左旋葉片結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 左旋葉片受力分析

1）葉片根部拉伸應(yīng)力計(jì)算。

由式（1）～式（3）[2]計(jì)算得σc=4512049 Pa。

式中：σc為葉片根部拉伸應(yīng)力，Pa；Pc為葉片上的總離 心 力，N；S 為 葉柄的圓截面積，0.006 083 m2；m為葉片質(zhì)量，11.05 kg；Rc為葉片重心到葉輪中心之距離，0.629 m；ω為葉輪角速度，rad/s；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

2）葉片根部彎曲應(yīng)力計(jì)算。

氣流流動(dòng)壓力引起的荷載力Ph可以分解為切向力Pu和軸向力Pz，其中氣體流動(dòng)產(chǎn)生彎矩在葉輪根部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，由式（4）～式（9）[2]計(jì)算得葉片根部彎曲應(yīng)力σh=565022 Pa。

式中：Psh為軸功率，37 kW；Z為葉片數(shù)，12；Um為葉片平均半徑處圓周速度，22.23 m/s；ΔPst為葉輪產(chǎn)生的靜壓差，461 Pa；L為葉片全長，0.785 m；T為葉片平均半徑圓周上的節(jié)距，0.37 m；θh為葉片根部截面的法線與圓周切線之間的夾角，76°；θp為荷載力與圓周切線之間的夾角，44°；W為葉片根部斷面的彎曲斷面系數(shù)，m3；d為葉片根部截面直徑，0.088 m。

3）葉片根部總應(yīng)力。

葉片根部總應(yīng)力σy為拉伸應(yīng)力σc和彎曲應(yīng)力σh之和[2]，根據(jù)式（10）[2]計(jì)算，σy=5.08 MPa。

4）葉片強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)式（11）[2]對(duì)葉片進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中葉片材質(zhì)為ZL101（T6），其屈服強(qiáng)度σs=225 MPa，計(jì)算安全系數(shù)n=44.29，大于許用安全系數(shù)。

式中：σs為屈服強(qiáng)度，MPa；σy為葉片所受總應(yīng)力，MPa；許用安全系數(shù)［n］=5。

5）小結(jié)。

通過對(duì)左旋葉片強(qiáng)度分析計(jì)算可知，葉片強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2 鏡像葉片仿真分析

軸流風(fēng)機(jī)葉片長期運(yùn)行在應(yīng)力作用下，當(dāng)葉片與機(jī)殼發(fā)生碰撞或被激振時(shí)，葉片將出現(xiàn)裂紋甚至斷裂[8-10]。為減少葉片類似故障，現(xiàn)使用三維軟件進(jìn)行仿真分析。其中在對(duì)葉輪組件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，刪除了幾何模型中的小面（如導(dǎo)角、溝槽），對(duì)各零件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，除平鍵上網(wǎng)格類型為六面體外，其余零件上均為四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格大小控制在0.05～0.01 m范圍內(nèi)，最大網(wǎng)格控制在0.015 m 以下，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行細(xì)化。各零件接觸面設(shè)置為接觸對(duì)，接觸類型設(shè)為Bonded。對(duì)于軸與軸承接觸的地方設(shè)置為Remote Displacement邊界條件，轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向的自由度設(shè)為自由，其余自由度均限制為0。對(duì)有限元模型施加載荷，分別是自重、旋轉(zhuǎn)慣性力（超速試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速為660 r/min）、氣動(dòng)載荷、熱應(yīng)力（極限溫度為-15 ℃和+90 ℃）、OBE地震載荷（運(yùn)行基準(zhǔn)地震工況），以及SSE地震載荷（安全停堆地震工況），并進(jìn)行分析。

2.1 右旋葉片分析

2.1.1 自重、旋轉(zhuǎn)慣性、氣體壓力作用下靜力分析

在施加重力及葉輪旋轉(zhuǎn)慣性載荷的同時(shí)，在葉輪的壓力面?zhèn)仁┘语L(fēng)機(jī)全壓的作用，進(jìn)行靜力分析。經(jīng)分析，葉輪的最大變形量為0.000 5 m，小于要求值0.002 7 m。葉輪所受的最大應(yīng)力為7.609 2 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2.1.2 熱應(yīng)力分析

1）-15 ℃+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析。

在-15 ℃溫度+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 m，小于要求值0.002 7 m。由應(yīng)力分析得出最大應(yīng)力分布在葉柄處，應(yīng)力值為23.292 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2）90 ℃+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析。

在90 ℃溫度+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 8 m左右，小于要求值0.002 7 m。由應(yīng)力分析得出最大應(yīng)力分布在葉柄處，應(yīng)力值為53.085 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2.1.3 地震譜分析

在葉輪模型的支撐處（即轉(zhuǎn)軸與軸承接觸）施加地震加速度譜，進(jìn)行單點(diǎn)譜分析，模態(tài)組合類型使用SRSS。對(duì)葉輪組件分別選擇+20 m標(biāo)高樓層反應(yīng)譜，并在OBE地震工況和SSE地震工況進(jìn)行分析，其中葉輪組件變形量為0.000 04 m（OBE）和0.000 06 m（SSE），與葉輪旋轉(zhuǎn)慣性、自重、氣動(dòng)壓力及熱應(yīng)力產(chǎn)生的葉輪變形線性疊加，葉片最大的位移徑向小于0.002 7 m。同時(shí)應(yīng)力為2.6 MPa和3.9 MPa，疊加熱應(yīng)力等后也遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度225 MPa，也不會(huì)發(fā)生葉片損壞。

2.2 左旋葉片分析

2.2.1 自重、旋轉(zhuǎn)慣性、氣體壓力作用下靜力分析

施加重力及葉輪旋轉(zhuǎn)慣性載荷的同時(shí)，在葉輪的壓力面?zhèn)仁┘语L(fēng)機(jī)全壓的作用，進(jìn)行靜力分析。經(jīng)分析，葉輪的最大變形量為0.000 48 m，小于要求值0.002 7 m。葉輪所受的最大應(yīng)力為6.957 4 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2.2.2 熱應(yīng)力分析

1）-15 ℃+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析。

在-15 ℃溫度+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 m，小于要求值0.002 7 m。由應(yīng)力分析得出最大應(yīng)力分布在葉柄處，應(yīng)力值為17.27 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2）90 ℃+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析。

在90 ℃溫度+自重及旋轉(zhuǎn)慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 8 m左右，小于要求值0.002 7 m。由應(yīng)力分析得出最大應(yīng)力分布在葉柄處，應(yīng)力值為36.197 MPa，小于鑄鋁合金屈服強(qiáng)度225 MPa。

2.2.3 地震譜分析

同理在葉輪模型的支撐處（即轉(zhuǎn)軸與軸承接觸)施加地震加速度譜，進(jìn)行單點(diǎn)譜分析，模態(tài)組合類型使用SRSS。對(duì)葉輪組件分別選擇+20 m標(biāo)高樓層反應(yīng)譜并在OBE地震工況和SSE地震工況進(jìn)行分析，其中葉輪組件變形量約為0.000 04 m（OBE）和0.000 07 m（SSE），與葉輪旋轉(zhuǎn)慣性、自重、氣動(dòng)壓力及熱應(yīng)力產(chǎn)生的葉輪變形線性疊加，葉片最大的位移徑向小于0.002 7 m。同時(shí)應(yīng)力約為1.8 MPa和3.3 MPa，疊加熱應(yīng)力等載荷后也遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度225 MPa，也不會(huì)發(fā)生葉片損壞。

2.3 小結(jié)

通過在自重、正常運(yùn)行載荷、熱應(yīng)力、地震載荷（包括OBE地震工況和SSE地震工況）作用下仿真分析，得到的結(jié)論如下：

1）兩種葉片上最大應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度225 MPa，且左旋葉片應(yīng)力相對(duì)略小，均滿足設(shè)計(jì)要求；2）兩種葉片構(gòu)成的葉輪組件的最大徑向位移均小于葉片與風(fēng)筒最小徑向間隙0.002 7 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 動(dòng)力性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

將左旋葉片和右旋葉片分別組裝在同一輪轂上，在兩種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡試驗(yàn)后，按照GB/T 1236《通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)。為了控制風(fēng)機(jī)在額定流量和風(fēng)壓下偏差的影響，其中額定流量和風(fēng)壓下的允許偏差為0～+5%。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)條件

換算后大氣壓力為101 325 Pa，環(huán)境溫度為20.0 ℃，相對(duì)濕度為0.40%，空氣密度為1.200 kg/m3。其中葉輪直徑為2.20 m，輪轂直徑為0.63 m，轉(zhuǎn)速為600 r/min。

3.2.2 試驗(yàn)測(cè)量

采用相同試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)量右旋葉片和左旋葉片的流量、全壓、靜壓、軸功率和效率等參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 右旋葉片風(fēng)機(jī)主要參數(shù)表

表2 左旋葉片風(fēng)機(jī)主要參數(shù)表

3.2.3 結(jié)果分析

分析試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)左旋葉輪風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)的容積流量為128 296.2 m3/h，風(fēng)機(jī)全壓為524 Pa，葉輪效率為60.51%；右旋葉輪風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)的容積流量為126 946.9 m3/h，風(fēng)機(jī)全壓為516.8 Pa，葉輪效率為63.01%，均滿足目標(biāo)要求。

根據(jù)表1和表2中左右旋葉片主要參數(shù)表繪制流量與全壓、靜壓、軸功率和效率關(guān)系對(duì)比圖，分別如圖5～圖8所示，通過分析可知目標(biāo)參數(shù)工況下，在誤差范圍內(nèi)，右旋葉輪組件風(fēng)機(jī)的效能與左旋葉輪組件風(fēng)機(jī)效能相差不大，均滿足要求。

圖5 流量與全壓曲線對(duì)比

圖6 流量與靜壓曲線對(duì)比

圖7 流量與軸功率曲線對(duì)比

圖8 流量與效率曲線對(duì)比

4 結(jié)論

1）鏡像對(duì)稱前后的葉片應(yīng)力均遠(yuǎn)小于允許值225 MPa，且左旋葉片應(yīng)力相對(duì)略?。煌瑫r(shí)葉片變形在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在誤差允許的范圍內(nèi)，鏡像對(duì)稱前后的葉片效能均滿足設(shè)計(jì)需要。

3）鏡像對(duì)稱法設(shè)計(jì)制造葉片是可行的，且此項(xiàng)研究可供同類軸流通風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)和快速制造參考，同時(shí)也可供其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)借鑒。