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轴流通风机最佳结构设计与技术细节处理

吴秉礼 / 长春花园机械有限公司    

摘要:提出了轴流通风机最佳结构设计问题,着重对产品结构型式合理化和技术细节处理规范化进行了论述。
关键词:轴流通风机;最佳结构;设计;技术细节;处理
中图分类号:TH432  文献标识码:B
Optimal Structural Design and Technical Details Treatment of Axial Flow Fan
Abstract: This paper has pointed out the optimal structural design problems in axial flow fan. Especially, this paper has focused on the rationalization of product structure and technical details treatment standardization.
Key words: axial flow fan; optimal structure; design; technical details; treatment
0  引言
  轴流通风机气动设计计算完成之后要进行结构设计。气动设计解决的是产品性能的先进性,结构设计解决的是产品结构的合理性、使用的可靠性和维护的简便性等,并提供用于指导生产的设计图样。结构设计与气动设计密不可分并相互协调。以往,国内业界在轴流通风机气动设计与性能上研究论述较多,在结构设计上论述颇少。
  与离心通风机相比,轴流通风机研发不成功的机率较大[1] ,究其原因:一是结构设计与气动设计之间的协调处理不妥;二是结构设计最佳化及其技术细节处理不当。
  轴流通风机结构设计最佳化是产品结构设计的期望,通常是依据空气动力学、结构力学、材料学和工艺学等基础知识以及相关标准为指导,结合设计者的实践经验,进行具体设计实现的。轴流通风机结构设计最佳化应包含产品结构形式的合理化、产品结构组成的模块化、产品结构技术细节处理的规范化、产品寿命的最大化以及产品维护的简便化等内容。本文将着重对产品结构型式的合理化和技术细节处理规范化进行研讨。
1 关于结构型式的合理化
  轴流通风机产品结构型式是依据气动略图确定的。产品结构型式的合理化是结构设计的前提和依据。对于管道轴流通风机,按叶尖处的流速系数和压力高低可大致分为三类[1] 。叶尖处流速系数定义为:Λ=Va/ΩR=60Va/πDn,其中Va为轴向速度;Ω为叶轮旋转角速度;D=2R为叶轮直径、半径;n为叶转工作转速。
  1) Λ<0.2,此类风机压力较低,轮毂比较小(≤0.4),单级叶轮,无导叶。
  2) Λ≈0.2~0.4,此类风机压力较高,轮毂比较大,通常在0.5~0.7,单级叶轮常有导叶。
  3) Λ>0.4,由于单级叶轮的风机压力受到了限制,为进一步提高压力,此类风机采用了多级型式,如二级或三级等。
  上述三类风机,在进行具体结构设计时,可以有不同的结构安排或配置,从而有个合理性的问题,下面将分别加以论述。
1.1 单级叶轮风机(R级)
  国内有T35,T40轴流通风机系单叶轮,用于一般用途的通风换气。T35,T40的结构型式见图1和图2。

  由图1可知,T35风机带有头罩,电动机通过支承杆与风筒相连接。进口气流经过集流器和头罩后进入叶轮,确保了均直的入流条件。流出气流经支承杆和电动机后,较少加剧气流分离。由图2可知,T40的进口气流经过集流器后,首先遇到电动机及其支承板,致使进入叶轮的气流为旋流,均直气流受到破坏。必须指出的是,设计轴流通风机时,要求从进口壁面到叶轮处的气流应该是轴向的和不发生分离的;即稳定的、无旋转的和轴对称的进流是设计所必要的先决条件。对比图1和图2,T35的结构安排比T40更为合理,T35的压力损失要小于T40,T35的性能必定优于T40这里需要说明的是,T35、T40的性能初始都是按GB1236-1976标准,按环面积计算风机动压的。后来,风机行业将T35又按GB1236-85标准重新测试,采用出口圆面积计算风机动压,并按大、中、小三种机号分别给出全压效率值。而T40至今仍是以环面积计算动压的,其全压效率是偏高的。
1.2 叶轮+后导叶风机(R+S级)
  这种结构型式在电站锅炉鼓、引通风机和矿井主通风机上都有应用。目前这种结构大致有两种不同和安排,见图3和图4。

  图3和图4均为电动机内置与叶轮直联。图3的进口气流经由集流器和头罩再进入叶轮和后导叶,均直的入流条件得到保证。为减少流道内气流的压力损失,电动机被封闭的外筒包围,并外包筒的直径与轮毂直径相同。后导叶焊接在外包筒与主风筒之间。电动机采用B3安装形式,其外露支承板可视为后导叶的一部分。可见,图3的叶轮的均直入流条件较好。气流经由后导叶均直地流入扩压器的流动状况亦较好。图4的进口气流经由头罩和集流器后,再流经电动机的外包筒和外露的支承板,然后再流入叶轮,叶轮均匀的入流条件必将受到影响。而将后导叶焊于扩压器的芯筒与外筒之间,不仅影响后导叶的功效,扩压器的扩压作用亦将受到影响。对比图3和图4可知,图4的结构安排是不合理的。
  目前,国内有些生产企业就是生产如图4的矿用主通风机。这种主通风机的效率较低甚至很低,一个重要原因就是与这种不合理的结构安排有关。
1.3 对旋风机(R+R级)
  对旋风机是两级轴流通风机的一种,其目的是提高压力。对旋风机的两级叶轮互为导叶,与叶轮+后导叶的两级轴流通风机相比,其压力特性最佳而并非效率最高,这正是对旋风机推广应用的价值所在[2]
  对旋轴流通风机有以下三种结构安排:
  1) 电动机-叶轮/叶轮-电动机;
  2) 叶轮-电动机/电动机-叶轮;
  3) 叶轮-电动机/叶轮-电动机。
  其中第一种配置应用较多,但由于叶轮的间距较近,噪声最大。
  由于对旋风机主要用于提高压力,通常其轮毂比亦较大,其中0.6轮毂比使用较多。然而,自对旋风机在煤矿应用以来,一些企业竟然设计、制造了一种小轮毂比(0.4)的对旋风机。
  小于等于0.4的轮毂比,通常是用来设计、制造低风压大流量轴流通风机的,如前述的T35,T40以及冷却塔风机、空冷器风机和射流风机等专用轴流通风机。把小轮毂比用于对旋上,从根本上背离了开发、应用对旋风机的初衷。这种为对旋而对旋的作法,实属不当,很不可取。事实表明,市场上根本无法选用0.4轮毂比的对旋主通风机。这种对旋只能作为稀有品种保留在样本之中。笔者深信,这种毫无意义的对旋,迟早会退出历史舞台。
2 关于结构设计中的技术细节处理
  “细节决定成败”的理念,同样适用于轴流通风机的设计。把结构设计中的技术细节处理得好,不仅有利于风机性能的改善,而且有利于提高使用的可靠性,延长风机寿命。根据笔者的设计实践,以下的技术细节处理应引起人们的关注和重视。
2.1 叶根的修型处理
  由于结构和强度的需要,往往要对机翼型叶片根部或根部附近的切面(即过渡切面)进行修型。修型原则:将标准翼型修改成非标准翼型后,应具有良好的光滑的外形,以尽量减少对风机性能的不利影响。常用的修型方法有:改变翼型厚度;改变翼型宽度和改变前、后缘半径。具体方法见文献[3]。
2.2 机翼型叶片的防腐、耐磨处理
  大型电站锅炉轴流引风机,工作在高温、磨损的环境条件下;煤矿的抽出式轴流主通风机在潮湿、含尘的气流中工作;带水的气流对冷却塔轴流通风机叶片前缘造成冲蚀作用,等等。这些风机叶片都有或防腐蚀或防磨损或防腐、防磨的处理问题。
  对于铸造或锻造的铝合金叶片,可采用表面处理(如铬酸阳极化)的方法防腐蚀;采用增置不锈钢前缘包边的方法解决磨损问题。
  玻璃钢叶片抗腐蚀而不耐磨损,通常采用耐磨橡胶制作的前缘包边的方法防磨损。
  对于煤矿至今仍使用的铆焊结构的钢质空心叶片,可在叶片外表面采用热喷涂不锈钢合金的方法提高抗腐蚀性;在迎风面喷涂镍铬合金以增加耐磨性能。
  对于普通钢质空心叶片,尚可采用简便的抗磨损方法,这就是从旋转线速度90m/s的叶片半径处开始直至叶尖处,在叶片前缘补焊耐磨尖楔,此尖楔长度从起始半径处向叶尖逐渐增大到弦长的3%,然后再将翼型上、下表面延伸焊接至尖楔的顶端,并使头部的半径变得很小,见图5。这种耐磨尖楔在一定程度上延长了叶片的寿命而可不计对性能的影响。此方法适用于叶尖线速度不大于110m/s时。
2.3 弯板叶片的补强处理
  弯板叶片的最佳厚度为叶片宽度的2%。由于某种原因,当需要增补叶片强度和刚度时,可在叶片下表面焊接尖削的连接板,此板要与凹面的曲率相一致,见图6。对于弯板叶片,这种补强方法对气动性能的影响是很小的。

2.4 流线化处理
  1) 弯板叶片的流线化处理
  文献[4]对T40-№.6A轴流通风机的弯板叶片前缘打圆和后缘打薄进地了实验研究,结果表明:与原有叶片相比,叶片前缘打圆、后缘打薄明显地提高了风机的气动性能(全压提高最大值为9.3%,效率提高最大值为5%)和声学性能(噪声下降约1.5dB(A))。对此,笔者建议,对弯板叶片进行前缘打圆、后缘打薄的流线化处理是必要的,有益的。
  2) 支承结构件的流线化处理
  对于电动机内置的大型专用轴流通风机,为减少流道内的压力损失,电动机外径与轮毂直径保持相同或相近是必要的。当电动机外径小于轮毂直径时,应将电动机用与轮毂直径相同的圆筒包裹,以防止流道内的气流发生畸变。该圆筒还可用来焊接后导叶片。若有隔爆要求时,防爆电动机应安装于密闭的圆筒(即通常所说的隔流腔室)内。圆筒内的非防爆电动机与防爆电动机的冷却方式是不同的,见图7和图8。

  对于头罩支承件、扩压器内筒支承件以及内置电动机支承板等,在满足强度、刚度要求的情况下,数量易少不易多,材料易薄不易厚。对着气流方向的支承件的前缘打圆、后缘打薄为好,以尽量减少旋流的发生。
2.5 动静叶片轴向间距的安排
  轴流通风机动静叶片的轴向距离对气动性能、噪声特性及结构紧凑均有影响,应予以权衡考虑。

  图9给出了轴向间距,其中:
  a1=(0.25~0.50)·Cp
  a2=(0.25~0.50)·C
  文献[1]指出,从气动性能考虑,a1、a2的上述范围不会改变风机的压升;从降低噪声上考虑应取大者,甚至增加到各自的弦长;从结构紧凑性考虑应取小者。
4  结论
  综上所述,轴流通风机合理的结构型式是产品结构设计的前提和依据,结构设计中技术细节的处理有利于风机性能的改善。然而,合理的结构型式的确定和技术细节的规范处理又是与空气动力学联系在一起的。因此,对于结构设计者来说,学习、了解空气动力学基础知识是必要的、有益的。

                参 考 文 献

[1] R.ALLAN WALLiS. Axial Flow Fans and Ducts[M].New York:John Wiley&Sone,1983.
[2] 吴秉礼,对旋式轴流通风机性能的分析研究[J].通用机械,2010(2):29-34.
[3] 吴秉礼,李文洲. 轴流通风机的工程设计方法[M]. 吉林大学出版社,2007.
[4] 韩会明,陆亚钧.叶片前缘打圆后缘打薄对风机气动性能影响的实验研究[J]. 风机技术,1987(3):22-24.

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  评论人:Owen   打分:85 分  发表时间:2015-9-3 8:30:11
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