軸流風(fēng)葉流固耦合強(qiáng)度分析

黃愉太 唐清生 吳雪良 唐柱才

（佛山市云米電器科技有限公司 順德 528000）

引言

軸流風(fēng)葉具有低壓大流量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空調(diào)、礦井、冶金、紡織、電站等各個(gè)領(lǐng)域。風(fēng)葉的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以CFD方法為主，結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[1]，設(shè)計(jì)過(guò)程中較少考慮風(fēng)葉強(qiáng)度及變形對(duì)性能的影響。但隨著長(zhǎng)期使用，風(fēng)葉難免產(chǎn)生不可逆的變形，如變形過(guò)大也將造成整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)性能的下降，從而影響設(shè)備功能。如文獻(xiàn)[2]即為設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)葉變形導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速下異?！拔宋寺暋?，最終通過(guò)改善流場(chǎng)腔體與風(fēng)葉葉尖之間的干涉得以解決。

對(duì)于空調(diào)室外機(jī)，軸流風(fēng)葉主要對(duì)換熱器進(jìn)行散熱，在夏天時(shí)空調(diào)外機(jī)內(nèi)部溫度將達(dá)到60 ℃以上，風(fēng)葉所運(yùn)行的環(huán)境溫度較高，長(zhǎng)期運(yùn)行下，風(fēng)葉將極易產(chǎn)生變形。對(duì)于風(fēng)葉變形研究，眾多科研技術(shù)人員提出了可行的研究方法，文獻(xiàn)[3]結(jié)合流固耦合仿真方法及高速三維成像變形測(cè)試法對(duì)軸流風(fēng)葉葉根的彎度進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的剛度以降低葉片變形量。對(duì)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)，李佳峰[4]采用流固耦合方法并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證做了振動(dòng)和強(qiáng)度的系統(tǒng)研究，指出該方法可有效提高軸流風(fēng)扇氣動(dòng)性能和振動(dòng)預(yù)測(cè)?？v覽所查文獻(xiàn)[5-8]以結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)為主，較少考慮風(fēng)葉材料對(duì)變形的作用，本文從材料角度進(jìn)行流固耦合強(qiáng)度分析，通過(guò)對(duì)比風(fēng)葉變形情況，為更合適快捷的選擇空調(diào)風(fēng)葉材料提供工程技術(shù)指導(dǎo)。

1 軸流風(fēng)葉受力仿真分析

1.1 建立流固耦合仿真模型

選用某空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)葉為研究對(duì)象，其直徑440 mm，葉高150 mm，通過(guò)三維軟件處理風(fēng)葉模型，去除風(fēng)葉不必要邊角，修整風(fēng)葉表面。同時(shí)建立包含進(jìn)風(fēng)域、出風(fēng)域及旋轉(zhuǎn)域的流場(chǎng)模型，如圖1所示。進(jìn)風(fēng)域和出風(fēng)域均為擴(kuò)口型圓筒，中間通過(guò)導(dǎo)風(fēng)圈連接，進(jìn)風(fēng)域長(zhǎng)度約為風(fēng)葉直徑2倍，出風(fēng)域長(zhǎng)度為風(fēng)葉直徑5倍，旋轉(zhuǎn)域包裹風(fēng)葉，流場(chǎng)模型設(shè)定為空氣。

圖1 風(fēng)葉流場(chǎng)模型示意圖

模型采用流固耦合算法，首先將風(fēng)葉和流場(chǎng)模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后使用流體求解器對(duì)流場(chǎng)模型做穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)求解器對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行受力計(jì)算，設(shè)定風(fēng)葉轉(zhuǎn)速為常用的800 rpm。當(dāng)流場(chǎng)計(jì)算達(dá)穩(wěn)定后，將所得的葉片表面壓力數(shù)據(jù)作為壓力荷載傳遞至結(jié)構(gòu)求解器的風(fēng)葉表面，在受到表面壓力的作用下，風(fēng)葉即產(chǎn)生形變，從而可知風(fēng)葉受力情況。

為研究風(fēng)葉不同材料變形情況，分別設(shè)定其材料為家電常用的PP（原風(fēng)葉）和GF20 %（即AS+20 %玻釬，優(yōu)化風(fēng)葉）兩種材料性能參數(shù)如表1。同時(shí)為便于數(shù)據(jù)對(duì)比，將風(fēng)葉沿徑向劃分為四部分，由前緣至尾緣選取30 %和70 %徑向曲線為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，如圖2所示，與外緣交點(diǎn)為a～d點(diǎn)。

表1 風(fēng)葉材料性能

圖2 葉片分區(qū)示意圖

1.2 流固耦合仿真分析

圖3為風(fēng)葉表面應(yīng)力分布，圖4和圖5分別為風(fēng)葉徑向70 %和30 %截面的應(yīng)力和軸向位移曲線。從云圖可看出，采用GF20 %材料，風(fēng)葉的最大應(yīng)力值為10.75 Mpa，略大于PP料的10.7 MPa，位于前緣靠近輪轂位置，均遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)曲線可知，葉片靠近輪轂處應(yīng)力出現(xiàn)峰值，且前緣峰值大于尾緣，GF20 %風(fēng)葉應(yīng)力大于PP風(fēng)葉。

圖3 風(fēng)葉表面應(yīng)力分布

圖4 風(fēng)葉沿徑向截面應(yīng)力曲線

圖5 風(fēng)葉沿徑向截面軸向位移曲線

由位移曲線看出風(fēng)葉前緣為負(fù)值，尾緣為正值，說(shuō)明風(fēng)葉運(yùn)行時(shí)主要受慣性力作用，使前緣向壓力面扭轉(zhuǎn)，而尾緣向吸力面扭轉(zhuǎn)。GF20 %風(fēng)葉尾緣軸向位移與PP風(fēng)葉基本相同，可見風(fēng)葉尾緣雖為主要做功區(qū)域，但變形量不大。但GF20 %風(fēng)葉前緣軸向位移為0.8 mm，而PP風(fēng)葉為2.9 mm，遠(yuǎn)大于GF20 %風(fēng)葉，這主要是因?yàn)槲簿壗Y(jié)構(gòu)較為平整，變形較小，靠前緣位置呈懸臂結(jié)構(gòu)，變形較大，且PP材料較GF20 %材料更軟，在同樣壓力荷載作用下產(chǎn)生更大形變。因此可預(yù)見對(duì)于長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境運(yùn)行的空調(diào)風(fēng)葉，選擇GF20 %材料對(duì)風(fēng)葉變形的影響較小。

1.3 風(fēng)葉模態(tài)仿真分析

為研究?jī)煞N材料運(yùn)行過(guò)程中是否與電機(jī)產(chǎn)生共振，從而造成異音，將GF20 %風(fēng)葉風(fēng)葉和PP風(fēng)葉分別進(jìn)行模態(tài)仿真分析，由于葉片在軸上完全固定，因此對(duì)軸孔施加完全約束，提取前6階固有頻率如表2所示。從表中可看出，GF20 %風(fēng)葉第1階頻率比PP風(fēng)葉大2.4 Hz，第2～4階大1 Hz，而5～6階小8.3 Hz。對(duì)于空調(diào)室外機(jī)，其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍一般為（700～800）rpm，對(duì)于3葉片結(jié)構(gòu)，可算得風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)頻率范圍為（35～40）Hz，結(jié)合優(yōu)化風(fēng)葉計(jì)算結(jié)果，前3階頻率為（27.27～29.46）Hz，后3階頻率為（50.55～58.77）Hz，GF20 %風(fēng)葉風(fēng)葉前四階頻率略高于PP風(fēng)葉，而后兩階低于PP風(fēng)葉，但兩種風(fēng)葉固有頻率均與旋轉(zhuǎn)頻率相差較大，因此不會(huì)發(fā)生共振。

表2 風(fēng)葉前6階固有頻率

2 風(fēng)葉變形實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證仿真模擬的準(zhǔn)確性，將同一型號(hào)的風(fēng)葉分別采用GF20 %和PP材料制作成品，測(cè)量葉片初始狀態(tài)時(shí)a～d點(diǎn)（如圖1）葉片高度，并安裝在兩臺(tái)空調(diào)室外機(jī)上，在環(huán)境溫度35 ℃和相對(duì)濕度（65±10）%的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，將空調(diào)室外機(jī)同時(shí)開啟，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速按800 rpm長(zhǎng)期運(yùn)行七天，結(jié)束后取下風(fēng)葉，再次測(cè)量a～d點(diǎn)葉片高度，將前后數(shù)據(jù)做差即得其變形量，如表3。從表中看出其70 %與30 %截面的最大變形量與仿真數(shù)值基本相當(dāng)，發(fā)展趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明仿真結(jié)果具有參考意義。此外PP風(fēng)葉變形量明顯大于GF20 %風(fēng)葉，對(duì)于空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用中，選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大的GF20 %作為風(fēng)葉材料更能確保產(chǎn)品在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持風(fēng)葉性能的穩(wěn)定性。

表3 風(fēng)葉變形量對(duì)比

3 結(jié)論

家用空調(diào)室外機(jī)風(fēng)葉采用不同材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生差異顯著的不可逆變形，為減小風(fēng)葉變形而影響整機(jī)換熱性能，宜在結(jié)構(gòu)合理的情況下進(jìn)一步選擇變形較小的材料。因此本文基于相同風(fēng)葉結(jié)構(gòu)，首先建立風(fēng)葉運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值仿真模型，并采用流固耦合技術(shù)對(duì)兩種材料的風(fēng)葉進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和模態(tài)分析，結(jié)果表明：

1）在正常運(yùn)行情況下，所對(duì)比的兩種材料的應(yīng)力峰值均小于材料屈服強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面可滿足安全使用要求。

2）對(duì)比風(fēng)葉常規(guī)使用的各轉(zhuǎn)速段旋轉(zhuǎn)頻率，兩種材料風(fēng)葉的固有頻率與之相距較大，不會(huì)發(fā)生共振，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)異音概率較小。

3）結(jié)合仿真和長(zhǎng)運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比風(fēng)葉兩種材料變形情況，PP材料相比GF20 %材料變形明顯增大，為降低空調(diào)的長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)風(fēng)葉變形導(dǎo)致性能減弱風(fēng)險(xiǎn)，宜采用強(qiáng)度較大的GF20 %作為風(fēng)葉材料。

4）綜合來(lái)看，采用流固耦合進(jìn)行風(fēng)葉變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明采用該仿真方法預(yù)測(cè)變形和材料選型具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。