常 超 王賢震 王 梟 王 弼 饒 杰 朱曉農(nóng)

（1.合肥通用機(jī)械研究院；2.安徽安風(fēng)風(fēng)機(jī)有限公司）

軸流風(fēng)機(jī)葉片輕量化及耐磨性研究?

常 超1王賢震2王 梟1王 弼1饒 杰1朱曉農(nóng)1

（1.合肥通用機(jī)械研究院；2.安徽安風(fēng)風(fēng)機(jī)有限公司）

軸流風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)機(jī)最重要的部件，其輕量化和耐磨性也逐漸成為重要的研究方向。本文根據(jù)某項(xiàng)目軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)從選材、成型工藝、強(qiáng)度計(jì)算等方面對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片的輕量化和耐磨性綜合地進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：采用鋁合金或碳纖維復(fù)合材料，通過一定的工藝制備的葉片可以達(dá)到輕量化和耐磨性的要求。從有限元計(jì)算結(jié)果來看，兩種材料制備的葉片均可滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

軸流風(fēng)機(jī)；葉片；有限元；輕量化；耐磨性

0 引言

軸流風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于通風(fēng)換氣、紡織、礦井、冶金及電站等各個(gè)領(lǐng)域中，是空氣調(diào)節(jié)及通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備。相對(duì)于離心風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)具有流量大、壓頭低等特點(diǎn)。葉片作為軸流風(fēng)機(jī)核心關(guān)鍵部件[1]，其輕量化和耐磨性也逐漸成為重要的研究方向。

當(dāng)前，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片的輕量化和耐磨性研究較少，蘇炳超等[2]用PP-GF28替代原來的AS-GF20材料，從材料力學(xué)性能、軸流風(fēng)機(jī)葉片單體性能、整機(jī)風(fēng)量、整機(jī)噪聲等方面驗(yàn)證了PP-GF28在室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)用的可行性。張鑫[3]利用Solidworks對(duì)風(fēng)機(jī)(1.5MW，NACA-4412翼型)葉片進(jìn)行三維建模，然后利用MATLAB對(duì)葉片展向的弦長以及扭角進(jìn)行擬合改進(jìn)，得到擬合公式，對(duì)擬合改進(jìn)后的葉片進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，重新建模，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。趙輝[4]針對(duì)燃煤鍋爐軸流式引風(fēng)機(jī)葉片的磨損機(jī)理，設(shè)計(jì)并制備了多種噴涂層，研究分析了不同噴涂層的組織結(jié)構(gòu)、硬度及抗沖蝕磨損性能。從上述文獻(xiàn)可以看出，新材料和新工藝已經(jīng)逐漸應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)輕量化和耐磨性的需求，但多數(shù)研究只是針對(duì)單一的新材料或新工藝，很少有學(xué)者針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片的輕量化和耐磨性來進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的綜合研究。本文根據(jù)某項(xiàng)目軸流風(fēng)機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求，從選材、成型工藝、強(qiáng)度計(jì)算等方面對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片的輕量化和耐磨性進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)研究。

1 設(shè)計(jì)要求

軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：流量300m3/s，全壓12 200Pa，轉(zhuǎn)速1 320r/min，單片葉片質(zhì)量不大于37.5kg，由于風(fēng)機(jī)會(huì)工作在含砂礫的環(huán)境中，因此葉片必須具備一定的耐磨性。

2 葉片選材

從設(shè)計(jì)要求可以看出，該項(xiàng)目最大的難點(diǎn)是葉片質(zhì)量和工作環(huán)境，葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相關(guān)選型計(jì)算，得到葉片初步的三維圖，如圖1所示，設(shè)計(jì)要求單片葉片質(zhì)量不大于37.5kg，經(jīng)計(jì)算，葉片的平均密度不大于1.85g/cm3。，現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)葉片材料主要分為金屬和非金屬。

圖1 葉片三維造型圖Fig.1 Blade three-dimensional model

金屬材料中，運(yùn)用較多是鈦和鋁，鈦的密度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，必須做成中空結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致壁厚很薄，強(qiáng)度勢必會(huì)受到影響。鋁的密度為2.7g/cm3，也需要設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，但由于鋁材的密度較接近設(shè)計(jì)要求，壁厚可達(dá)到10mm，強(qiáng)度和耐磨性都有一定的保證，金屬材料可選用鋁材。

非金屬材料密度相對(duì)較小，葉片質(zhì)量基本可以滿足要求。在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用較多的是復(fù)合材料葉片，所謂復(fù)合材料，一般指熱固性基體樹脂（環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基樹脂）和增強(qiáng)材料（碳纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維），采用開模手工鋪放預(yù)浸料或閉模樹脂真空導(dǎo)入預(yù)浸料等工藝復(fù)合而成的材料[5]。非金屬材料可選用復(fù)合材料。

3 成型工藝

從葉片的三維圖可以看出，該葉片的弦長、厚度、扭角和翼型在葉片的不同半徑處都不相同，屬于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于金屬材料，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型優(yōu)先選用鑄造方式。鋁合金主要分為Al-Cu系和Al-Si系[6]，Al-Cu系具有良好的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和切削加工性能，但是鑄造性能差、氣密性低、耐蝕性差。Al-Si系合金鑄造性能良好，是鑄造鋁合金中品種最多，應(yīng)用最廣的。Al-Si系中ZL114A具有較好的鑄造性能，具有較高的強(qiáng)度且具有較好的塑性，可焊性較好，在航天航空和軍工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。選材優(yōu)先選用ZL114A。

在鑄造工藝方面，鋁合金的低壓鑄造工藝由于成分簡單，鑄造性能高，氣密性好，容易熔煉和鑄造等優(yōu)點(diǎn)使其得到越來越廣泛的應(yīng)用[7]，低壓鑄造工藝可應(yīng)用于金屬型及砂型鑄件的鑄造，但金屬型鑄造透氣性不好，需要開專門的排氣槽，而且成本較高，鑄型優(yōu)先選用砂型，宜選擇透氣性較好的砂型，比如呋喃樹脂砂。

對(duì)于非金屬復(fù)合材料，碳纖維作為一種高性能纖維，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、耐輻射、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能而越來越廣泛應(yīng)用于國防軍工領(lǐng)域，應(yīng)用較廣泛的碳纖維復(fù)合材料是T700碳纖維+環(huán)氧復(fù)合材料，可作為本次葉片設(shè)計(jì)的選材。

在制備工藝上，一般先制備金屬模具，再采用一定的成型方式使復(fù)合材料固化成需要的形狀。傳統(tǒng)復(fù)合材料葉片制作多采用人工手糊工藝，廢品率較高，且每個(gè)葉片的質(zhì)量偏差難以控制在合理的范圍，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的殘余不平衡量過大，很難達(dá)到預(yù)期的平衡精度等級(jí)。因此，目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預(yù)浸料／熱壓工藝制造，但上述這些工藝適用于中等批量和大批量的葉片生產(chǎn)。真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM／SCRIMP)適用于質(zhì)量要求高、小批量和尺寸較大的制品[8]。它和傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝相比，具有模具成本低、樹脂室溫固化以及幾乎不受限制的制品尺寸等突出特點(diǎn)，可作為本次葉片的成型工藝。

與鋁合金材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（以下簡稱“碳纖維材料”）制成的葉片成型工藝相對(duì)簡單，只要有模具保證即可，而且制成的葉片具有表面光滑、葉型精確等優(yōu)點(diǎn)[9]。但碳纖維材料的模具成本和材料成本都極大高于鋁合金材料，特別是對(duì)于大批量的生產(chǎn)，碳纖維材料和鋁合金材料的成本差距會(huì)更大。

4 葉片強(qiáng)度計(jì)算

為了確保設(shè)計(jì)出的葉片安全可靠，無論使用哪一種材料，葉片的應(yīng)力不能大于材料的屈服強(qiáng)度，因此必須對(duì)葉片進(jìn)行有限元計(jì)算[10]，以下是葉片的強(qiáng)度計(jì)算過程。

4.1 網(wǎng)格劃分

首先對(duì)葉片的三維模型在有限元軟件中劃分網(wǎng)格，其網(wǎng)格模型如圖2所示，共83 383個(gè)四面體單元，共計(jì)149 256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 葉片網(wǎng)格模型Fig.2 The mesh model of fan

4.2 應(yīng)力計(jì)算[11]

對(duì)鋁合金葉片施加葉根固定約束和離心力載荷，計(jì)算葉片的應(yīng)力。等效Von-Mises應(yīng)力分布如圖3所示，最大應(yīng)力為284MPa，但是該最大應(yīng)力點(diǎn)屬于應(yīng)力畸變點(diǎn)，99%的區(qū)域應(yīng)力在220MPa以下，可以認(rèn)為該葉片的最大應(yīng)力為220MPa，ZL114的屈服強(qiáng)度為290MPa，安全系數(shù)1.32，鋁合金葉片的強(qiáng)度滿足要求。

圖3 鋁合金葉片等效（Von-Mises）應(yīng)力Fig.3 The Von-mises stress of aluminium alloy blade

對(duì)碳纖維葉片施加相同的約束和載荷，等效Von-Mises應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力為167MPa，而T700的屈服強(qiáng)度高達(dá)1 000MPa，安全系數(shù)5.99，碳纖維葉片的強(qiáng)度完全可以滿足要求。

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來看，兩者的強(qiáng)度都可以滿足要求，但碳纖維葉片的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金葉片，從使用角度來說，碳纖維葉片安全性更好。

圖4 碳纖維葉片等效（Von-Mises）應(yīng)力Fig.4 The Von-mises stress of carbon fiber blade

4.3 葉片的模態(tài)計(jì)算

據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸流風(fēng)機(jī)失效主要模式之一是葉片疲勞損傷，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)使用環(huán)境的特殊性，擬開展葉片模態(tài)分析，以期共振頻率避開風(fēng)機(jī)自身的固有頻率，確保使用的安全可靠。

對(duì)兩種材料葉片的葉根施加相同的固定約束，利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)求解計(jì)算，并提取出前六階固有頻率，如表1和表2所示。

表1 鋁合金葉片前六階固有頻率Tab.1 The inherent frequency of the first six stages of the aluminium alloy blade

表2 碳纖維葉片前六階固有頻率Tab.2 The inherent frequency of the first six stages of the carbon fiber blade

風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為1 320r/min，共振頻率為22Hz，從表1和表2的結(jié)果來看，兩種材料的固有頻率都高于風(fēng)機(jī)共振頻率，可認(rèn)為葉片是剛性葉片，模態(tài)計(jì)算結(jié)果滿足要求，從使用角度來說，碳纖維葉片固有頻率離共振頻率更遠(yuǎn)，安全性更高。

5 葉片的耐磨性研究

由于風(fēng)機(jī)偶爾工作在含砂礫的環(huán)境中，因此葉片必須具備一定的耐磨性[12-13]。

鋁合金本身的硬度較低，很難滿足耐磨要求，而提高鋁合金耐磨性的根本是在鋁合金表面形成硬化層，比如鍍硬氧化鋁膜、鍍硬鉻或者鍍陶瓷膜[14]，從硬度方面來看，鍍鉻是最好的選擇，但是鍍鉻容易形成硬化層而產(chǎn)生裂紋，葉片又屬于旋轉(zhuǎn)件，很容易使硬化層脫落影響耐磨效果，一般還是以鍍陶瓷膜為主。

碳纖維本身具有一定的耐磨性，可以適應(yīng)該工作環(huán)境，但為了確保葉片有更高的耐磨性，可采用電鍍法在碳纖維葉片表面鍍上金屬、合金或復(fù)合鍍層[15]。

6 結(jié)論

1）軸流風(fēng)機(jī)葉片若想實(shí)現(xiàn)輕量化，從選材上來看，鋁合金和碳纖維材料都是很好的選擇，從成型工藝上來說，碳纖維葉片成型工藝相對(duì)簡單，而且制成的葉片具有表面光滑、葉型精確等優(yōu)點(diǎn)，但是碳纖維葉片的成本大大高于鋁合金葉片；

2）鋁合金葉片和碳纖維葉片的強(qiáng)度均滿足此次設(shè)計(jì)要求，從計(jì)算結(jié)果來看，碳纖維葉片的安全性更高；

3）鋁合金葉片的耐磨性達(dá)不到要求，可以在表面鍍陶瓷膜增加其耐磨性；碳纖維葉片的耐磨性可以滿足要求，可以鍍金屬、合金或復(fù)合鍍層使耐磨性更佳。

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Research of Light Weight and Abrasion Resistance for Axial Fan Blades

Chao Chang1Xian-zhen Wang2Xiao Wang1Bi Wang1Jie Rao1Xiao-nong Zhu1
（1.Anhui Key Laboratory of Composite Technology for General Machinery；2.Anhui Anfeng Fan Co.,Ltd）

The blades as the most important of axial fans which light weight and abrasion resistance are the important research direction in the future.In this paper investigations are performed with respect to the material,molding process and strength calculation,to achieve light weight and abrasion resistance of axial fan blades according to the design requirements of an axial fan.The results and the finite element strength calculations show that blades manufactured from both aluminium alloy or a carbon fiber composite material with a certain preparation process can meet those design requirements.

axial flow fan,blade,finite elements,light weight,abrasion resistance

合肥通用機(jī)械研究院青年基金項(xiàng)目（2016010478）

2017-08-15 安徽 合肥 230031

TH432.1；TK05

1006-8155-(2017)06-0062-04

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0011