對旋軸流局部通風機結構研究和設計

張 揚，李 濤

（1.南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，河南南陽 473000；2.臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽 473000）

0 引言

目前的局部通風機產(chǎn)品難以滿足用戶要求，為進一步擴展產(chǎn)品覆蓋范圍，適應國內(nèi)外市場需求，提升通風機性能，本文開發(fā)了對旋軸流局部通風機，以滿足市場需求。本文按照“市場需求分析—氣動方案設計—結構優(yōu)化設計—有限元強度校核—試驗”的思路，進行對旋軸流局部通風機結構設計。在成本可控的條件下，確保對旋軸流局部通風機效率高、性能參數(shù)覆蓋范圍大，保證對旋軸流局部通風機的噪聲符合行標要求，進一步增強產(chǎn)品市場競爭力，滿足市場需求。

1 結構設計特點

傳統(tǒng)的對旋軸流局部通風機設計是以試驗為基礎，但受模型尺寸、測量精度等因素限制，不易得到通風機內(nèi)部的氣體流動細節(jié)，而且試驗周期長、費用高。利用ANSYSCFX 軟件可以準確地給出氣體流動細節(jié)，預測對旋軸流局部通風機的整體性能，還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設計中的問題，減少或避免可能出現(xiàn)的負面影響[1]。

2 設計方案

本文采用對旋軸流局部通風機結構，可以省去中、后固定導葉，具有壓力高、渦流損耗小、傳輸損耗小、效率高、范圍廣等特點[2]。

2.1 參數(shù)要求

通過市場調(diào)研，確定通風機的技術參數(shù)要求如表1 所示。

表1 低噪聲對旋軸流局部通風機技術參數(shù)

2.1.1 全壓限值核算

考慮送風過程中存在拐角、分叉等損失，初步設定送風距離為2200 m，選定在該送風距離下送風量為1000 m3/min；根據(jù)送風距離計算公式，對滿足風量需求的最小全壓進行核算。

式中，Lmin為最小送風距離，PTmin為最小全壓，Qmin為最小流量，D 為送風管直徑。

計算可得，滿足以上送風距離和送風量要求時的最小全壓PTmin=4621.3 Pa，此時風量為1000 m3/min=16.7 m3/s。

2.1.2 設計工況參數(shù)確定

根據(jù)以上參數(shù)計算以及工況參數(shù)差異，初步確定設計工況點：風量Q 為15 m3/s，全壓P 為5000 Pa。

2.1.3 配套電機選型

根據(jù)以上工況參數(shù)，核算對旋軸流局部通風機功率：

風機效率η 按0.75 計算，Q、P 為工況點的風量、負壓，K 為功率儲備系數(shù)，取1.25。根據(jù)以上計算，風機功率為125 kW，初步確定選配2 臺YBF3-280S 型75 kW，380/660 V 電機。

2.2 總體方案

對旋軸流局部通風機由葉輪、一級主風筒、二級主風筒、擴散器、集流器等部件組成，配套電機按獨立電機結構設計。葉輪由輪轂和葉片組成。葉輪和軸固定在一起形成對旋軸流局部通風機的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子支承在軸承上[3]。當電機驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)時，有相對的氣流通過每個葉片。

她真羨慕他，起碼他還有愛，而且他愛的人已經(jīng)不在。如果她還在，可能他們現(xiàn)在也成為了一對怨偶，可是她不在了，這樣他的愛才得以永生。

3 氣動分析與設計

對旋軸流局部通風機設計的主要任務是設計出滿足性能要求的葉片[4]。氣體在葉輪中流動時，氣流參數(shù)隨空間坐標變化而變化，利用ANSYS CFX 軟件預測氣體的流動，分析氣體的機械性能。在氣動分析中，通過CFX—Pre 流體分析前處理，設計并選取對旋軸流局部通風機的總體結構參數(shù)。

3.1 氣動模型的計算與建立

設置系統(tǒng)入口全壓為0，出口風量Q 為14 m3/s，全壓為6800 Pa，功率為2×75 kW。通過CFX 軟件對不同氣動設計方案進行流場分析，驗證氣動設計是否滿足通風功能，設置基礎安裝角為34.13°，一級葉片、二級葉片依次增加0.5°，對應調(diào)整Cur分布以及落后角，確定了8 組方案（表2）。

通過對比，確定方案8 為最佳氣動設計方案。通過DesignModeler 建立流道幾何模型（圖1）。

圖1 流道幾何模型

3.2 氣動分析結果

將SolidWorks 建立的模型導入到網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分。采用自動體網(wǎng)格生成技術和網(wǎng)格自適應技術，得到風機速度流線圖（圖2）。

圖2 風機速度流線圖

通過CFX 流場仿真分析可知，對旋軸流局部通風機的全壓為7613 Pa，靜壓為7332 Pa，靜壓效率為74.84%，全壓效率為77.71%，軸功率為137.159 kW，輪轂比為0.65，葉片數(shù)為17/15。

3.3 總體設計計算

根據(jù)氣動分析可得對旋軸流局部通風機外徑D 為0.9 m，內(nèi)徑d=0.905×0.65=0.588 m，取d 為0.6 m。集流器長度l=（0.2～0.4）D，長度取0.3 m，進口直徑取1.12 m，進口流速為14.21 m/s。擴散器設計主要考慮擴散角和出口流速，因此長度取0.86 m，出口流速為21.76 m/s。

4 對旋軸流局部通風機結構組成

圖3 對旋軸流局部通風機內(nèi)部結構

為承受在高轉(zhuǎn)速下金屬葉片所產(chǎn)生的較大離心力，葉輪采用整體壓鑄成型，葉片表面光滑，形狀為機翼型，葉片與輪轂之間采用螺栓連接，一、二級葉輪分別與電機軸伸端直接連接，兩級葉輪反旋，中間無導葉[5]。

為加速對旋軸流局部通風機入口的氣體，并形成均勻的流速場，集流器設計為球頭與錐筒拼接型式，外筒直徑與主風筒內(nèi)筒直徑保持一致，錐筒后端直徑與輪轂直徑保持一致，形成平滑的漸縮型流道，可使對旋軸流局部通風機的效率提高10%～15%。

保護筒與主風筒設計為一體，主風筒的內(nèi)筒通過圓周均布的筋板與外筒連接，支架底部為可拆卸的爬犁式底座[6]。

擴散器芯為漸縮型，進口直徑等于輪轂直徑，其等值張開角取10°～15°。配套的專用電機采用F 級絕緣，B5 臥式安裝，軸伸端和非軸伸端均為法蘭端蓋，非軸伸端軸承外蓋為悶蓋結構，軸伸端通過法蘭加止口與主風筒內(nèi)筒聯(lián)接，螺栓緊固。非軸伸端通過在電機機座上加鑄支撐凸臺，風筒中增加可拆卸撐板等措施有效保證電機可靠固定，并且方便電機拆裝檢修。

5 主體結構有限元分析

5.1 模型建立

對實體模型作如下簡化[7]：

（1）刪去功能件和非承載構件。集流器、電機、擴散器等構件對對旋軸流局部通風機的內(nèi)力分布和變形影響較小，所以建模時都可忽略。

（2）為提高劃分網(wǎng)格的精度和建模速度，構件上的圓弧過渡簡化為直角過渡，刪去工藝上要求的拔模斜度和倒角等。

（3）對于構件上部分的凹槽、孔等結構在截面形狀特性等效的基礎上盡量簡化，對截面特性影響不大的特征可直接忽略。

建立的對旋軸流局部通風機主體結構有限元模型如圖4所示。

圖4 主體結構有限元模型

5.2 材料選擇

葉片材料為ZL101 A 鋁合金，屈服極限為275 MPa，輪轂材料為ZG 270-500 鑄鋼，抗拉強度為270 ～500 MPa，主風筒材料選用Q 235 結構鋼。邊界條件設置為葉輪轉(zhuǎn)速2970 r/min，螺栓預緊力21000N。主風筒分析所用單元通過ANSYS meshing 完成，節(jié)點數(shù)631060，單元數(shù)306709。

5.3 分析結果

根據(jù)有限元分析結果，葉輪采用單輻板結構，葉片所受最大應力值為89.101 MPa，位于葉片與輪轂結合圓角處，安全系數(shù)為3.08；輪轂所受最大應力值為86.757 MPa，安全系數(shù)為3.11 ～5.76，葉片與輪轂的聯(lián)接處利用止口結構配合，止口配合尖角處倒圓角以分散應力。葉片表面光滑，流動損失小，葉片的做功能力比較強，可以使風機獲得更高的壓力，效率可提高2%～3%。滿足設計要求，優(yōu)化后的葉輪結構滿足強度要求，最大應力降低（圖5）。

圖5 主體結構有限元分析

主風筒整體最大變形量為0.06 mm，應力最大值為30.7 MPa，位于地腳螺栓孔位置。最大應力點低于材料屈服極限，且具有足夠的安全系數(shù)，滿足設計要求。

6 對旋軸流局部通風機試驗分析

對旋軸流局部通風機樣機按GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》的規(guī)定進行空氣動力性能試驗，主要要求為測量風機風量、全壓、效率、電流、功率等參數(shù)，符合Q/N F 268 技術條件要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項測試符合設計要求（圖6）。

圖6 對旋軸流局部通風機樣機

7 結束語

通過ANSYSCFX 有限元分析軟件進行流場分析及結構優(yōu)化設計，對旋軸流局部通風機的各項性能指標均達到設計目標。通過樣機的試驗，結果顯示系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到項目預期目標，證明本項目設計方案可行。進行工業(yè)運行實踐后批量生產(chǎn)。根據(jù)成本核算，與市場同類產(chǎn)品售價相比利潤率為39%，市場前景廣闊，經(jīng)濟效益可觀，對新市場的開拓及對現(xiàn)有用戶群體的鞏固具有重要意義。