龔興龍 陸偉 陸峰/上海通用風(fēng)機(jī)股份有限公司

新模型系列風(fēng)機(jī)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)

龔興龍 陸偉 陸峰/上海通用風(fēng)機(jī)股份有限公司

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及國家對環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的要求，近年來風(fēng)機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)、各大院校研究所、風(fēng)機(jī)專業(yè)制造廠家都在積極研發(fā)新型節(jié)能高效低噪環(huán)保的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)模型，并取得了相當(dāng)?shù)某煽?，與此同時(shí)，也存在著重理論氣動(dòng)模型的研發(fā)，對與工廠制造銜接的產(chǎn)品系列化規(guī)劃和部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)重視不夠，使研發(fā)的新模型風(fēng)機(jī)，特別是在工業(yè)領(lǐng)域風(fēng)機(jī)，無論在研發(fā)進(jìn)度、研發(fā)質(zhì)量及使用可靠性上，都未真正體現(xiàn)新模型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能研發(fā)價(jià)值。筆者在風(fēng)機(jī)行業(yè)從業(yè)多年，已有多個(gè)新模型系列風(fēng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)成功，并成為公司主導(dǎo)產(chǎn)品?，F(xiàn)對新模型系列風(fēng)機(jī)用電子表格計(jì)算（Excel）的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法予以闡述。

1 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)新模型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能樣機(jī)經(jīng)實(shí)測達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就需轉(zhuǎn)入到系列優(yōu)化設(shè)計(jì)與部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)等具體工作中。系列產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)中要確定風(fēng)機(jī)機(jī)號、性能參數(shù)流量壓力的取值（流量、壓力為在最高轉(zhuǎn)速下的取值）與以下各個(gè)參數(shù)的匹配關(guān)系：與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命的匹配關(guān)系；與風(fēng)機(jī)葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系；與電機(jī)功率安全系數(shù)、電機(jī)極數(shù)匹配關(guān)系等。上述系列規(guī)劃設(shè)計(jì)完成以后，就可轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計(jì)。本文以CF51新模型風(fēng)機(jī)系列規(guī)劃用電子表格計(jì)算為例，進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 風(fēng)機(jī)機(jī)號、性能流量壓力的分布取值范圍

CF51風(fēng)機(jī)葉輪采用強(qiáng)后向多圓弧板式葉片，葉輪直徑800mm時(shí),樣機(jī)最高效率為79.5％，全壓系數(shù)為0.512，比轉(zhuǎn)速為27.4。

CF51風(fēng)機(jī)機(jī)號葉輪直徑尺寸按GB/T 17774-1999工業(yè)通風(fēng)機(jī)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，取為315，355，400，450，500，560，710，800，900，1000，1120，1250，1400，1600，1800，2000共十六個(gè)機(jī)號。

CF51性能參數(shù)流量壓力的取值需經(jīng)前期市場調(diào)研，彌補(bǔ)本公司選型的空白，并對本公司有史以來生產(chǎn)的較多非標(biāo)定制產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初步確定流量壓力的取值。對中小型工業(yè)風(fēng)機(jī)而言，在全壓系數(shù)、比轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)機(jī)號確定的情況下確定性能參數(shù)，一般指最高轉(zhuǎn)速確定后的最高壓力取值。

CF51機(jī)號500風(fēng)機(jī)葉輪直徑0.5m，出口面積0.027 86m2，密度1.2kg/m3，原始參數(shù)轉(zhuǎn)速2 900 r/min，設(shè)計(jì)參數(shù)最高轉(zhuǎn)速4 200r/min。其它參數(shù)見表1。

CF51機(jī)號800風(fēng)機(jī)葉輪直徑0.8m，出口面積0.070 3m2，密度1.2kg/m3，原始轉(zhuǎn)速1 450r/min初定設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為2 900r/min，最高全壓為10 447Pa，見表2。

CF51機(jī)號1250風(fēng)機(jī)葉輪直徑1.25m，密度1.2kg/m3，出口面積0.171 64m2，原始設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1 450r/min，初定設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為1 860r/min，最高全壓為10 700Pa，其它參數(shù)見表3。

表1 CF51 500風(fēng)機(jī)性能變換計(jì)算表

表2 CF51 800風(fēng)機(jī)性能變換計(jì)算表

CF51機(jī)號2000風(fēng)機(jī)葉輪直徑2m，密度1.2kg/m3，出口面積0.439 39m2，原始設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速960r/min初定設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為1 090r/min，最高全壓為9 789Pa，見表4。

表1～表4中用電子表格計(jì)算方式，原始參數(shù)為CF51樣機(jī)測試值，改變設(shè)計(jì)參數(shù)值中的機(jī)號/葉輪直徑D1、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1、進(jìn)氣介質(zhì)密度ρ1，即可進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能的變換計(jì)算。

表3 CF51 1250風(fēng)機(jī)性能變換計(jì)算表

表4 CF51 2000風(fēng)機(jī)性能變換計(jì)算表

3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命

當(dāng)初步的性能參數(shù)流量壓力的取值和最高轉(zhuǎn)速確定以后，需進(jìn)行轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命等的計(jì)算[1-4]。CF51風(fēng)機(jī)均按C式三角帶傳動(dòng)進(jìn)行配置計(jì)算，對其中CF51機(jī)號500，800，1250，2000風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命初定設(shè)計(jì)配置計(jì)算見圖1和表5。

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命[1-2]電子表格計(jì)算方式見表6，以CF51機(jī)號800風(fēng)機(jī)為例。CF51機(jī)號800風(fēng)機(jī)初定設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為2 900r/min，計(jì)算結(jié)果如下。

主軸強(qiáng)度：RB處最大復(fù)合應(yīng)力σ＜[σ-1]w，主軸（一般碳素鋼）許用彎曲應(yīng)力20.38MPa＜ 40～65MPa，主軸強(qiáng)度滿足安全要求。

圖1 CF51 C式離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組計(jì)算用圖

主軸臨界轉(zhuǎn)速：主軸計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速nc= 5 745r/min，800風(fēng)機(jī)初定設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，計(jì)算的安全系數(shù)nc/n=5 745/2 900=1.98，nc＆gt;1.3n主軸臨界轉(zhuǎn)速滿足安全要求。

以nc＆gt;1.3n為安全系數(shù)反算，主軸最大可運(yùn)行轉(zhuǎn)速n≈4 419r/min。

軸承壽命：CF51機(jī)號800風(fēng)機(jī)最高全壓10 447Pa，必須考慮軸向力Fa對軸承壽命的影響，以RA或RB取較大受力支點(diǎn)計(jì)算（非相同型號軸承需都算一下），計(jì)算的軸承壽命為107 160h≈12.23年，滿足壽命要求。

表5 CF51離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組計(jì)算結(jié)果表

表6 CF51 800C轉(zhuǎn)子組主軸的強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命計(jì)算表

注意序號8帶輪直徑D尺寸對主軸RA或RB的受力及軸承壽命影響，需反復(fù)核算。

在軸承壽命計(jì)算時(shí)，必須計(jì)入離心通風(fēng)機(jī)的軸向推力[4]。單吸入風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的軸向推力對軸承壽命影響，如采用深溝球軸承計(jì)算壽命通不過時(shí)，可采用球面滾子、角接觸球等不同類型軸承反復(fù)核算，達(dá)到100 000h以上壽命為妥，采用不同類型軸承時(shí)，需注意軸承極限轉(zhuǎn)速對風(fēng)機(jī)最高允許運(yùn)行轉(zhuǎn)速的限制。

表6的電子表格計(jì)算方式，可通過改變設(shè)計(jì)原始參數(shù)值中序號1～12風(fēng)機(jī)葉輪重量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、軸承箱主軸、功率、帶輪直徑等設(shè)計(jì)參數(shù)值，即可進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組的變換計(jì)算。

4 與風(fēng)機(jī)葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系

CF51風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速為27.4，屬中低比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，葉輪葉片出口寬度較窄。一般工廠內(nèi)部都有規(guī)格化的軸盤尺寸系列。按以上方法初定好轉(zhuǎn)子組規(guī)格，其主軸直徑、軸承型號、對應(yīng)軸盤外徑及軸盤內(nèi)孔基本確定。為防止葉輪軸盤搭子對葉片進(jìn)口流道堵塞，需對葉輪輪蓋進(jìn)口與軸盤搭子的截面積之比進(jìn)行校核，見表7。

表7 葉輪輪蓋進(jìn)口與軸盤搭子的圓環(huán)截面積之比計(jì)算表

表7中的A值，文獻(xiàn)[5-6]給出了設(shè)計(jì)理論參數(shù)，考慮滿足系列規(guī)劃設(shè)計(jì)及軸盤“三化”要求，筆者認(rèn)為A和B，滿足或接近模型樣機(jī)系數(shù)值，且盡量保證軸盤搭子與進(jìn)氣氣流流通面為弧形圓滑過渡，是可以滿足相似設(shè)計(jì)條件的。

5 與電機(jī)功率安全系數(shù)、極數(shù)匹配關(guān)系

表8 電機(jī)安全系數(shù)、軸功率計(jì)算表

表8中的允許最大軸功率值，與表1～表4中用電子表格計(jì)算，改變設(shè)計(jì)參數(shù)值中的機(jī)號/葉輪直徑D1、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1、進(jìn)氣介質(zhì)密度ρ1得出的N1內(nèi)功率相匹配校核，在保證電機(jī)安全系數(shù)的情況下，得到最大的性能參數(shù)流量壓力值，并最終確定電機(jī)規(guī)格。

續(xù)表

6 結(jié)論

近些年，我公司在新模型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能研發(fā)、樣機(jī)測試完成以后，通過不斷總結(jié)在開發(fā)系列產(chǎn)品優(yōu)化與部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)等具體問題[5-6]，逐步摸索出采用電子表格計(jì)算的方法，掌握了一套快速準(zhǔn)確完成系列產(chǎn)品優(yōu)化的實(shí)用方法。該方法對離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)、工業(yè)風(fēng)機(jī)、單進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)均適用。建議如下。

1）為滿足系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的“三化”要求，建議有實(shí)力的風(fēng)機(jī)廠在新模型風(fēng)機(jī)研發(fā)前期準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)考慮對轉(zhuǎn)子組傳動(dòng)箱、軸盤等工廠內(nèi)部基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行整理完善，來滿足與研發(fā)風(fēng)機(jī)全系列機(jī)號的合理匹配，為轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計(jì)帶來方便。

2）本文的CF51新模型風(fēng)機(jī)系列優(yōu)化規(guī)劃的快速設(shè)計(jì)，所有的表格內(nèi)容數(shù)據(jù)均為計(jì)算最終稿，實(shí)際需運(yùn)用電子表格進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命、葉輪軸盤尺寸、電機(jī)功率匹配等參數(shù)的聯(lián)動(dòng)變換計(jì)算，并熟悉掌握其變化規(guī)律，提高計(jì)算準(zhǔn)確度與工作效率。

3）采用上述CF51新模型風(fēng)機(jī)系列優(yōu)化規(guī)劃的快速設(shè)計(jì)方法，同樣也適用于結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計(jì)，將另文論述。

[1]周開勤，唐蓉城，楊景惠.機(jī)械設(shè)計(jì)師實(shí)用手冊[M].天津科學(xué)出版社，2008.

[2]陳瀚.通風(fēng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng)[M].西安交通大學(xué)風(fēng)機(jī)專業(yè)教材，2001.

[3]滾動(dòng)軸承綜合樣本[M].日本精工株式會(huì)社，1992.

[4]劉義福，王文邦，富敏謙.離心通風(fēng)機(jī)的軸向推力[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，1993（6）：12-15.

[5]吳玉林，陳慶光，劉樹紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[6]李銳，許敏，陳雷.通用離心風(fēng)機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014(1)：43-46，50.

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介紹了新模型系列風(fēng)機(jī)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為簡化設(shè)計(jì)計(jì)算及方便實(shí)踐應(yīng)用，采用了電子表格（Excel）進(jìn)行風(fēng)機(jī)機(jī)號、性能參數(shù)流量壓力的取值來確定匹配關(guān)系：與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命的匹配關(guān)系；與風(fēng)機(jī)葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系；與電機(jī)功率安全系數(shù)、電機(jī)極數(shù)匹配關(guān)系的應(yīng)用計(jì)算。并以CF51新模型系列風(fēng)機(jī)采用電子表格設(shè)計(jì)計(jì)算方法為例，進(jìn)行詳細(xì)說明。

新模型風(fēng)機(jī)；性能轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子組主軸強(qiáng)度；臨界轉(zhuǎn)速；軸承壽命；軸盤；電機(jī)功率；電機(jī)級數(shù)

Rapid Optimization Design for New Series Fans in New Model

Gong Xinglong,Lu Wei,Lu Feng/Shanghai General Fan Co.,Ltd.

fan in new model;performance revolving speed;spindle intensity of fan rotor set;critical revolving speed;life-span of bearings;shaft disc;motor power;motor series

TH432；TK05

A

1006-8155（2015）02-0048-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.027

2014-02-25上海201400

Abstract:This paper introduces calculation methods for the rapid optimization design of the series fan in new model,and applies the Excel to take the value of the device number of fan and the flowing pressure of performance parameter for the purpose of simplifying design calculations and facilitating the practical applications, which means the determination of matching relation including the matching relation with the spindle intensity of fan rotor set, critical speed and the life-span of bearings,the matching relation with the size of fan impeller disc,and the matching relation with the security coefficient of motor power and motor series.In order to explain in detail,this paper exemplifies the CF51 series fan in new model that uses the spreadsheet for the design calculation.