張 揚(yáng)，李 濤

（1.南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473000；2.臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng) 473000）

0 引言

目前的局部通風(fēng)機(jī)產(chǎn)品難以滿足用戶要求，為進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)品覆蓋范圍，適應(yīng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，提升通風(fēng)機(jī)性能，本文開(kāi)發(fā)了對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，以滿足市場(chǎng)需求。本文按照“市場(chǎng)需求分析—?dú)鈩?dòng)方案設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)—有限元強(qiáng)度校核—試驗(yàn)”的思路，進(jìn)行對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在成本可控的條件下，確保對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)效率高、性能參數(shù)覆蓋范圍大，保證對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的噪聲符合行標(biāo)要求，進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足市場(chǎng)需求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，但受模型尺寸、測(cè)量精度等因素限制，不易得到通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)細(xì)節(jié)，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。利用ANSYSCFX 軟件可以準(zhǔn)確地給出氣體流動(dòng)細(xì)節(jié)，預(yù)測(cè)對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的整體性能，還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，減少或避免可能出現(xiàn)的負(fù)面影響[1]。

2 設(shè)計(jì)方案

本文采用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，可以省去中、后固定導(dǎo)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(diǎn)[2]。

2.1 參數(shù)要求

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，確定通風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)要求如表1 所示。

表1 低噪聲對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1.1 全壓限值核算

考慮送風(fēng)過(guò)程中存在拐角、分叉等損失，初步設(shè)定送風(fēng)距離為2200 m，選定在該送風(fēng)距離下送風(fēng)量為1000 m3/min；根據(jù)送風(fēng)距離計(jì)算公式，對(duì)滿足風(fēng)量需求的最小全壓進(jìn)行核算。

式中，Lmin為最小送風(fēng)距離，PTmin為最小全壓，Qmin為最小流量，D 為送風(fēng)管直徑。

計(jì)算可得，滿足以上送風(fēng)距離和送風(fēng)量要求時(shí)的最小全壓PTmin=4621.3 Pa，此時(shí)風(fēng)量為1000 m3/min=16.7 m3/s。

2.1.2 設(shè)計(jì)工況參數(shù)確定

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算以及工況參數(shù)差異，初步確定設(shè)計(jì)工況點(diǎn)：風(fēng)量Q 為15 m3/s，全壓P 為5000 Pa。

2.1.3 配套電機(jī)選型

根據(jù)以上工況參數(shù)，核算對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)功率：

風(fēng)機(jī)效率η 按0.75 計(jì)算，Q、P 為工況點(diǎn)的風(fēng)量、負(fù)壓，K 為功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.25。根據(jù)以上計(jì)算，風(fēng)機(jī)功率為125 kW，初步確定選配2 臺(tái)YBF3-280S 型75 kW，380/660 V 電機(jī)。

2.2 總體方案

對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)由葉輪、一級(jí)主風(fēng)筒、二級(jí)主風(fēng)筒、擴(kuò)散器、集流器等部件組成，配套電機(jī)按獨(dú)立電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。葉輪由輪轂和葉片組成。葉輪和軸固定在一起形成對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子支承在軸承上[3]。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相對(duì)的氣流通過(guò)每個(gè)葉片。

她真羨慕他，起碼他還有愛(ài)，而且他愛(ài)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(duì)怨偶，可是她不在了，這樣他的愛(ài)才得以永生。

3 氣動(dòng)分析與設(shè)計(jì)

對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出滿足性能要求的葉片[4]。氣體在葉輪中流動(dòng)時(shí)，氣流參數(shù)隨空間坐標(biāo)變化而變化，利用ANSYS CFX 軟件預(yù)測(cè)氣體的流動(dòng)，分析氣體的機(jī)械性能。在氣動(dòng)分析中，通過(guò)CFX—Pre 流體分析前處理，設(shè)計(jì)并選取對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 氣動(dòng)模型的計(jì)算與建立

設(shè)置系統(tǒng)入口全壓為0，出口風(fēng)量Q 為14 m3/s，全壓為6800 Pa，功率為2×75 kW。通過(guò)CFX 軟件對(duì)不同氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行流場(chǎng)分析，驗(yàn)證氣動(dòng)設(shè)計(jì)是否滿足通風(fēng)功能，設(shè)置基礎(chǔ)安裝角為34.13°，一級(jí)葉片、二級(jí)葉片依次增加0.5°，對(duì)應(yīng)調(diào)整Cur分布以及落后角，確定了8 組方案（表2）。

通過(guò)對(duì)比，確定方案8 為最佳氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)DesignModeler 建立流道幾何模型（圖1）。

圖1 流道幾何模型

3.2 氣動(dòng)分析結(jié)果

將SolidWorks 建立的模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自動(dòng)體網(wǎng)格生成技術(shù)和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，得到風(fēng)機(jī)速度流線圖（圖2）。

圖2 風(fēng)機(jī)速度流線圖

通過(guò)CFX 流場(chǎng)仿真分析可知，對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)氣動(dòng)分析可得對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)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(zhǎng)度l=（0.2～0.4）D，長(zhǎng)度取0.3 m，進(jìn)口直徑取1.12 m，進(jìn)口流速為14.21 m/s。擴(kuò)散器設(shè)計(jì)主要考慮擴(kuò)散角和出口流速，因此長(zhǎng)度取0.86 m，出口流速為21.76 m/s。

4 對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

圖3 對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(jī)翼型，葉片與輪轂之間采用螺栓連接，一、二級(jí)葉輪分別與電機(jī)軸伸端直接連接，兩級(jí)葉輪反旋，中間無(wú)導(dǎo)葉[5]。

為加速對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)入口的氣體，并形成均勻的流速場(chǎng)，集流器設(shè)計(jì)為球頭與錐筒拼接型式，外筒直徑與主風(fēng)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(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的效率提高10%～15%。

保護(hù)筒與主風(fēng)筒設(shè)計(jì)為一體，主風(fēng)筒的內(nèi)筒通過(guò)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(kuò)散器芯為漸縮型，進(jìn)口直徑等于輪轂直徑，其等值張開(kāi)角取10°～15°。配套的專用電機(jī)采用F 級(jí)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(jié)構(gòu)，軸伸端通過(guò)法蘭加止口與主風(fēng)筒內(nèi)筒聯(lián)接，螺栓緊固。非軸伸端通過(guò)在電機(jī)機(jī)座上加鑄支撐凸臺(tái)，風(fēng)筒中增加可拆卸撐板等措施有效保證電機(jī)可靠固定，并且方便電機(jī)拆裝檢修。

5 主體結(jié)構(gòu)有限元分析

5.1 模型建立

對(duì)實(shí)體模型作如下簡(jiǎn)化[7]：

（1）刪去功能件和非承載構(gòu)件。集流器、電機(jī)、擴(kuò)散器等構(gòu)件對(duì)對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的內(nèi)力分布和變形影響較小，所以建模時(shí)都可忽略。

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

（3）對(duì)于構(gòu)件上部分的凹槽、孔等結(jié)構(gòu)在截面形狀特性等效的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化，對(duì)截面特性影響不大的特征可直接忽略。

建立的對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

圖4 主體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度為270 ～500 MPa，主風(fēng)筒材料選用Q 235 結(jié)構(gòu)鋼。邊界條件設(shè)置為葉輪轉(zhuǎn)速2970 r/min，螺栓預(yù)緊力21000N。主風(fēng)筒分析所用單元通過(guò)ANSYS meshing 完成，節(jié)點(diǎn)數(shù)631060，單元數(shù)306709。

5.3 分析結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果，葉輪采用單輻板結(jié)構(gòu)，葉片所受最大應(yīng)力值為89.101 MPa，位于葉片與輪轂結(jié)合圓角處，安全系數(shù)為3.08；輪轂所受最大應(yīng)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(jié)構(gòu)配合，止口配合尖角處倒圓角以分散應(yīng)力。葉片表面光滑，流動(dòng)損失小，葉片的做功能力比較強(qiáng)，可以使風(fēng)機(jī)獲得更高的壓力，效率可提高2%～3%。滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的葉輪結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力降低（圖5）。

圖5 主體結(jié)構(gòu)有限元分析

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

6 對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)試驗(yàn)分析

對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)樣機(jī)按GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)，主要要求為測(cè)量風(fēng)機(jī)風(fēng)量、全壓、效率、電流、功率等參數(shù)，符合Q/N F 268 技術(shù)條件要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)測(cè)試符合設(shè)計(jì)要求（圖6）。

圖6 對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)樣機(jī)

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)ANSYSCFX 有限元分析軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，證明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案可行。進(jìn)行工業(yè)運(yùn)行實(shí)踐后批量生產(chǎn)。根據(jù)成本核算，與市場(chǎng)同類產(chǎn)品售價(jià)相比利潤(rùn)率為39%，市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益可觀，對(duì)新市場(chǎng)的開(kāi)拓及對(duì)現(xiàn)有用戶群體的鞏固具有重要意義。