ANSYS流固耦合離心風扇的強度計算

楊 帆,鄧春志

(1.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054;2.西門子(中國)有限公司西安分公司，陜西 西安 710000)

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ANSYS流固耦合離心風扇的強度計算

楊 帆1,鄧春志2

(1.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054;2.西門子(中國)有限公司西安分公司，陜西 西安 710000)

離心風扇是電機上的重要旋轉部件，必須具有足夠的強度和剛度，才能保證電機持續有效的安全運轉。傳統的電機設計中，對離心風扇的設計主要考慮其風壓和風量的計算，對風扇的強度和剛度一般僅限于理論計算，隨著目前單機容量的不斷增大，風扇的直徑也隨之增大，對其強度和剛度提出更高的要求，傳統的計算方法已經不能滿足其使用要求，有限元法應用于機械結構的強度和剛度設計，對于離心風扇如此重要的旋轉部件，除了離心力對其強度和剛度的影響，風扇運行時，葉片承受較高風壓，此均布載荷的作用，也會對風扇的強度和剛度產生重要影響，本文基于ANSYS流固耦合的基礎上，先后對風扇進行結構、流場分析，采用順序耦合的方式，對離心風扇進行強度和剛度分析，具體以某變速恒頻1.5 MW風力發電發電機組，雙饋風力發電機離心風扇為例，對其進行流固耦合設計，并將計算結果作了詳細比較。結果表明，流場對離心風扇的強度和剛度有較大影響，該結果將對電機離心風扇強度和剛度設計提供理論依據。

離心風扇；強度；流固耦合；有限元

0 引 言

風扇作為電機轉子中重要的旋轉部件，其安全性關乎到產品的全生命周期，在進行設計時，不僅僅要考慮其風壓風量，更要關注到強度、剛度等每個細節。尤其對于風電這個特殊的行業，在塔筒的狹小空間內，其安裝和維護非常不易，若因風扇問題而導致需更換電機，其成本更是毀滅性的。誠然，也存在業主在旺季為了多發電，電機長時超速、超負荷運行的狀況，在后續故障原因分析上，業主、整機廠商、零部件供應商等多方關系較復雜，很難去確定具體故障原因，雖然目前采用MATLAB，PLC等控制仿真手段在電機設計中越來越廣泛運用[1-4]，但是針對風電的雙饋機型，在電機控制上還存在很多待解決的問題，也會造成電機失速[5]，因此，對于前期旋轉件，如風扇的設計上，更顯得非常重要。

傳統的針對離心式風扇設計，主要采用路算的方法，更多的關注是其風壓和風量，從而直接影響電機溫升和可靠運行，隨著單機容量逐漸增大，風扇的結構和大小也越來越復雜，有限元方法在風扇設計中也越來越廣泛，但是針對離心式風扇來說，單一的結構分析已不能滿足要求，因為在風扇受力分析上，其葉片承受的實際壓強較大，傳統的方法很難計算準確，從而影響計算結果，在目前1.5 MW雙饋電機中，已經出現較多風扇葉片斷裂飛出等故障，造成重大經濟損失。鐘步青[6]通過對電機風扇流體相關性能計算，給出了風扇在電機設計中風壓、風量、損耗等計算方法，并未涉及風扇強度計算；李志常[7]等通過ANSYS結構場，計算了離心風扇的強度和剛度，并依據經典的方法進行了比較，但未考慮流體壓力的影響；李賢明[8]通過對風扇設計中風壓、風量、損耗、以及噪音等因素的設計，給出了一定經驗計算公式，對風扇的結構及強度和剛度闡述不多；鄔向東等[9]通過對大中型變頻調速電動機風扇的設計研究，給出了提高熱效率和損耗的一系列經驗公式，對風扇的強度和剛度關注較少；宗榮珍等[10]通過對隔爆電機風扇的設計研究，解決了隔爆電機中風扇的散熱及特殊工作環境的問題，對關乎風扇的強度和剛度的設計上，也僅僅是給出了一些計算公式；趙文輝等[11]通過材料力學的經典等效計算方法，給出了路算的計算方法，并未考慮流場的影響。因此，基于流固耦合的基礎上，先用FLUENT軟件計算風扇葉片上的實際風壓，然后順序耦合到結構計算中，從而更可靠的確保風扇的強度和剛度要求。

由于風力發電機機組的高維護成本和高可靠性的特殊要求，必須確保各個部件都能正常有效運轉，其中雙饋風力發電機，是其中能量轉換的重要組成部件，更不能出現重大故障，因此，離心風扇作為電機中重要的旋轉部件，其強度和剛度，顯得尤為重要。目前有限元分析手段日趨成熟，非常適合于電機中多場耦合的計算，磁場、電場、流場、結構場等都在電機實際運行中相互作用，運用好多場耦合設計，才能使后續產品故障率大幅降低。筆者基于ANSYS流固耦合的基礎上，分別對離心風扇進行了強度和剛度分析，并將計算結果作了詳細比較。

1 計算模型及參數

文中模型離心式風扇扇葉與前、后盤采用焊接工藝，結構分析中等效為一體結構，風扇輪轂和后盤采用螺栓擰緊，接觸關系等效為綁定，因風扇的應力最大值一般位于扇葉連接部位，這種等效模式對風扇的強度和剛度分析影響較小。風扇材料選用Q235A，材料屬性見表1.

表1 Q235A材料屬性Tab.1 Material properties of Q235A

扇葉厚度為3 mm，扇葉數為20，應用于1.5 MW四極雙饋風力發電機，額定轉速1 800 RPM(圖1).

在網格劃分上、結構上采用全六面體網格劃分方式，以保證網格質量，因流體計算采用的有限體積法，不注重網格質量，更注重網格數量，在有限的體積中，填入更多的網格(圖2)，因此，采用四面體結構，加大網格數量。

圖1 風扇結構

圖2 網格

2 流固耦合分析與結果

流固耦合問題是流體力學和固體力學交叉而生成的一門力學分支，它是研究固體變形在流場作用下的各種行為和固體形變對流場的影響以及這二者相互作用的一門學科[12-13]。文中采用的耦合機理是耦合作用僅僅發生在兩相交界面上，在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協調方程來引入的。求解方式上，采用兩場交叉迭代，在流場和結構場上分別求解，在各個時間步之間耦合迭代，收斂后再向前推進(圖3)。

圖3 流固耦合界面

2.1 結構場分析

僅考慮風扇在轉速1 800 RPM轉速下，其強度和剛度，經過有限元分析，結果如下

圖4 結構場變形云圖

圖5 結構場應力云圖

未考慮流場的影響，風扇最大變形為0.119 89 mm，最大應力為69.483 MPa，最不利位置位于葉片根部(圖4，5)。

2.2 流場分析

流場分析中，采用專門針對旋轉機械的RNG湍流模型來進行流場分析，通過分析，風扇各部位壓力云圖如圖6所示。

圖6 風扇壓力云圖

通過對風扇在高轉速下的流場分析，可以看出，作用于風扇的流體壓力最大值也位于風扇葉片上，這和實際情況非常吻合。

2.3 耦合場分析

針對2.2分析中的流體壁面壓力，根據節點對應原則，傳遞到風扇結構分析中，考慮轉速1 800 RPM，結構的強度和剛度結構如下

圖7 耦合場變形云圖

圖8 耦合場應力云圖

從云圖可以看出，在耦合場分析中，結構的最不利位于也位于葉片的根部(圖7，8)，將其和結構場對比見表2.

表2 結構場和耦合場對比Tab.2 Structure of field VS coupling field

3 結 論

基于ANSYS流固耦合的基礎上，分別對離心風扇進行了強度和剛度分析，具體以某變速恒頻1.5 MW風力發電發電機組中，雙饋風力發電機離心風扇為例，進行對其流固耦合設計，并將計算結果作了詳細比較。計算結果表明風扇的最大應力仍發生在葉片根部區域，但是流場使得離心風扇的最大變形和最大應力值增加，提高了風扇的強度和剛度。這一研究結果將對電機離心風扇的設計和使用提供重要的理論依據。

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Strength calculation of the centrifugal fan based onANSYS fluid-structure interaction

YANG Fan1,DENG Chun-zhi2

(1.CollegeofSciences,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.Siemens(China)LTDXi’anBranch,Xi’an710000,China)

The centrifugal fan is an important rotation part on the motor,which must have sufficient strength and rigidity to ensure the safe operation of the motor sustained and effective.With the increasing of capacity and the diameters of the fan,the fan needs higher requirements on its strength and stiffness.The traditional calculation method cannot have satisfied the requirements.Besides centrifugal force the fan blade high wind pressure which plays an important role on strengthe and stiffness of fan when the fan runs.Base on ANSYS fluid-structure interaction,the present paper analysis the centrifugal fan strength and stiffness respectively and made a detailed comparison of the results to prove the improtance of fluid-structure interaction in fan strength as well as stiffness desgin,and take a centrifugal fan of a certain variable speed constant frequency 1.5 MW wind power generator as an example.The results show that the flow field of centrifugal fan has a great influence on the strength and stiffness.This study is helpful for the design f centrifugal fan and for characterization of the strength and stiffness properties of centrifugal fan.

centrifugal fan;strength; fluid-structure interaction; finite element

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0117

1672-9315(2015)01-0100-05

2014-10-10責任編輯:李克永

西安科技大學科研啟動項目(A5031221)；西安科技大學培育

基金項目(201346)

楊 帆(1981-)，女，四川資中人，博士，講師，E-mail:yangfan0832@163.com

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