某船用進口通風系統的改進分析

胡 卓

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某船用進口通風系統的改進分析

胡 卓

（中船重工環境工程有限公司，武漢 430064)

針對一種船用進口通風系統，提出了改進思路，并進行了原理樣機研究，使新型通風系統具有轉速高、風量大、噪聲低、振動小的優點，值得我國船用通風系統的推廣應用。

船用通風系統 改進分析 性能參數

0 引言

對于某引進船而言，由于使用年限較長，已到中修時期，面臨諸多設備的更換維修。本文對其通風系統利用中修時間，進行系列改進設計而面臨的問題進行分析。

船用通風系統一般有直流通風機組和交流通風機組，主要用于電機等發熱設備的通風冷卻。一般經常采用交流通風機組，或將直流通風機組進行交流化改進設計。但有時由于船用電源的原因，直流通風機組無法進行交流化改進，只能進行通風性能和減振降噪方面的改進研制。

1 原通風系統存在的突出問題

原通風系統改進前存在的突出問題有：

1)通風機的葉輪為鉚接結構，長時間運行后，由于應力集中的原因，導致鉚釘容易脫落，造成通風機振動噪聲增大，嚴重時會導致鉚釘和葉片甩進電機內部，造成嚴重后果；

2)采用開式通風，電機風路與艙室直接相通，且通風機的進風口無空氣過濾器，艙內空氣中的油霧、鹽霧、霉菌、灰塵等直接進入電機內部，電機內部環境變差，導致電機的絕緣電阻值降低；

3)通風管開裂、螺釘松動、密封條老化，造成漏風和噪聲偏大；

由于上述原因造成電機的保養周期縮短，影響在航率。基于上述情況，為保證電機能長期穩定的運行，有必要在中修時對電機的通風系統進行改造，替代目前的通風系統。

設計指導思想是：

1)通風機組的設計以安全性、可靠性放在首位，充分利用現有技術成果和成熟的先進技術，確保滿足原技術性能的要求，改善電機運行環境；

2)貫徹維修方便的原則，對通風系統需要維護保養的部件提供維修性與可達性，力求使船上維修工作量與工作難度降至最低；

3)通風機組和冷卻器在原安裝位置進行改造時，盡量減小牽連工程的工作量。

2 改進分析

經過前期的現場勘驗和上述通風機組的初步性能試驗可知，原通風機組的振動噪聲指標處于我國同類通風機組的較低水平，我國對該同類通風機組基本上沒有應用典例，所以對原通風機組進行改造設計很有必要，也非常迫切。對于新研制的通風機組，其振動噪聲指標必須處于我國同類通風機組的先進水平，在同類通風機組中還沒有實現，設計制造的難度非同一般。

對于新研制的通風機組，結合三維仿真計算軟件對整個電機通風系統進行建模和仿真分析，得到電機的整體阻力性能與流量分布，溫度場分布，根據計算結果，在保證電機滿足溫升限值的條件下，合理選取和優化通風機組的參數。

2.1新型通風機研制方案

本電機通風機的風量、風壓與船上通常的通風機相比，葉輪尺寸基本一致，但是轉速較高（3000 r/min > 2000 r/min)，蝸殼尺寸較小，使振動噪聲要求更高，研制難度較大。總的來說，通風機是采用后傾式圓弧型空心葉片、圓弧形進風口、小渦殼寬葉片，進行模擬樣機研究。

一般通風機蝸殼的長寬比，為葉輪直徑2的1.92×1.62~2.12×1.72。對于本通風機，最佳尺寸應為988×832 mm～1092×884 mm之間。但是本通風機因外形尺寸受到實船安裝尺寸的限制，不可能按上述最佳蝸殼尺寸設計，長寬比尺寸只能為：1.562×1.542，完全超出了設計的最佳尺寸。對于同等大小的葉輪，蝸殼尺寸越大，越有利于降低噪聲，因此這增加了降噪的難度。為此，我們開展了多方案的模擬樣機試驗研究工作，共設計制做了十余種不同葉片數、或葉片形狀的葉輪、或多種不同的降低噪聲措施的蝸殼、或不同曲線形狀的進風口，對上述葉輪、進風口、蝸殼進行了有針對性的排列組合，進行了大量空氣動力性能試驗，繪制出各種風機的無因次曲線，比較各方案的噪聲、流量、風壓、效率的綜合性能，最后得到最佳設計方案。模擬樣機的工作點接近理想最優點，在滿足風量、風壓的同時，A聲壓級為93 dB以下，最后通過通風機的性能核算，各項性能指標可以滿足研制要求。

由于船上的安裝空間有限，在對通風機進行改進優化設計時，前提是不影響船上的安裝。為提高空氣流量和風壓，只能對蝸殼和葉輪尺寸作少量調整，擬將蝸殼尺寸300 mm調整到350 mm。將葉輪外徑從原來的Φ505擬提高到Φ510～Φ520 mm，厚度約增加約20 mm左右，提高空氣流量和壓力，并優化葉輪結構形式和葉片數量等，提高制造工藝。葉輪擬采用鍛鋁件或離心鑄鋁件整體加工而成。降低葉輪重量，減輕對風機電機軸承的載荷，同時對軸盤進行優化設計。

另外，通風機本體的噪聲與振動主要與兩點有關，一是通風機的轉速、葉片數等氣動參數，葉輪擬采用機翼型葉片與導流式進風口，優化葉輪與進風口的軸向和徑向間隙，以改善流動損失，降低渦流噪聲；二是通風機葉輪的動平衡精度。改造后的通風機葉輪動平衡精度提高到1級，降低通風機轉頻振動和噪聲。

通風機葉輪的動平衡精度提高后，其振動值將降低，改造后的通風機要求風機葉輪和風機電機轉子先單獨校動平衡，再將風機電機轉子與風機葉輪組合后一起再次校動平衡，從而確保其動平衡精度。

該葉輪在前盤、后盤上進行焊接時，一般采用45°，根據試驗情況進行微小的調整。焊接質量按照我國標準執行，葉輪焊接成型（見圖1)后，在精度符合要求的動平衡儀上進行動平衡校正。動平衡校正時，根據試驗測量情況，將合適大小和質量的平衡塊在前盤、后盤上焊接牢固。

葉輪的寬度根據試驗情況進行調整，擬在130～140 mm之間。其他要求，例如葉輪與風機電動機的接口尺寸，在整個研制過程中一直保持不變。

圖1 焊接式葉輪結構示意圖

通風機進風口的設計采用整體式鑄鋁結構，并適當考慮在這種材料中增加鈦合金，這種結構的優點是重量輕、聲學流線型好。進風口與葉輪前盤的配合間隙至關重要，一般控制在5 mm左右。

在進行焊接式葉輪通風機性能試驗時，通風機軸盤也采用整體式鋼結構，以確保機械傳動性能。

這樣，新型通風機除蝸殼以外，基本上都是采用整體式鑄鋁結構，而蝸殼采用鋼板結構，主要是考慮到振動噪聲的高指標要求，而且通風機組的整體重量可以做到與原引俄通風機組相當。通風性能見圖2。

圖2 通風機風量、壓力、轉速三者關系曲線

經過試驗驗證后，分析確定整體式葉輪的結構尺寸，整體式葉輪的結構如圖3所示。為了保證通風性能和振動噪聲指標要求，在進行鑄造整體式葉輪設計、制造與試驗時，采取了如下措施：

圖3 整體式葉輪的結構示意圖

1） 利用聲學設計計算，合理設計葉輪直徑、葉片數量、葉片傾角、葉片立體形態等結構參數；

2） 葉輪前盤、葉片進行流線型設計；

3） 為了保證葉輪與風機電動機轉軸的機械連接可靠性，在鑄造時提前放置一個強度合適的鋼套，代替軸盤結構部分；

4） 在葉輪后盤適當部位，沿圓周方向設計供校正動平衡所用的減重凸臺，以方便于噪聲指標的校正；

5） 采用鑄造技術，使整體式葉輪質地緊密而不會出現疏松、氣孔等不良現象；

6） 葉輪的材質，用Ansys軟件進行仿真計算其機械強度來確定，并適當考慮在這種材料中增加鈦合金，使結構更輕；

7） 葉輪制成后，進行120 %的額定轉速的超速試驗；

8） 葉輪超速試驗后，利用高精度動平衡校正設備，先單獨進行動平衡校正，在風機電動機轉子單獨完成了動平衡校正之后，再將葉輪與風機電動機的轉子一起進行動平衡校正，同時利用轉子上的加重和葉輪的減重技術，保證噪聲指標滿足研制要求；

9） 葉輪與風機電動機轉子利用鍵槽按照標準要求，進行機械連接配合設計相關尺寸；

10） 葉輪制成后，進行專業的外觀尺寸檢查，并進行超聲波探傷檢查，對于加工前對材質已進行探傷檢查合格的，可以不再進行探傷檢查；

11） 在通風機組進行噪聲測試時，必要時，對葉輪與轉子進行反復動平衡校正，以達到最佳動平衡狀態；

12） 由于整體式葉輪的缺點是質地比鋼制要脆，在葉輪旋轉過程中，不能有異物觸碰，因此試驗時，盡量注意通風機內部情況的仔細檢查。

在進行通風機其他結構設計、制造與試驗時，采取了如下措施：

1） 在確保上船安裝的可行性，確定蝸殼尺寸不變；

2） 在蝸殼上進行多次聲學設計與試驗，在蝸殼噪聲較大的輻射面上，粘貼吸聲材料，將該輻射面設計成雙層隔振結構；

3） 在渦舌處進行多次微穿孔板聲學設計與試驗，在確保通風性能的前提下，變換微穿孔板結構，使輻射噪聲得到最大程度的吸收；

4） 多次尋求不同結構尺寸葉輪與不同聲學設計的蝸殼的最佳組合。

2.2風機電動機方案

風機電動機仍為直流電動機，中心高與原風機電動機一致，安裝接口保持不變。為了保證通風冷卻裝置的整體性能，同時考慮風機電動機的運行環境要求，風機電動機方案主要通過兩方面開展，一方面通過多方案多目標優化電磁設計來滿足要求，適當降低電密，降低熱負荷；另一方面，工藝上嚴格質量和加工精度控制，要求動平衡精度為1級。

利用我國小型直流電機成熟的工藝技術，比較來說，仍然存在關鍵工藝。本電機采用的關鍵工藝體現在：電樞斜槽沖片疊壓、電樞斜槽波繞組、電樞真空壓力浸漆和烘焙、轉子熱套、主磁極線圈的直接繞制、真空壓力浸漆和烘焙、換向器灌膠、主體絕緣結構、軸帶風扇結構等，這些主要工藝，均已成功應用。但是，由于減振降噪的更高要求，還必須采取有效措施，主要體現在：

1)在保證電機接口不變的情況下，合理設計布置電機底腳的中心位置，盡量使電機的質量重心處于該中心線上，并適當考慮通風機的質量；

2）合理設計軸帶風扇的通風性能，優化設計風扇葉輪的直徑和片數，合理設計風扇底座等；

3）選擇低振動的SKF進口滾動軸承，并注意優中選優進行挑選合適的軸承，合理設計軸承的安裝結構；

4）合理設計機座的結構形式，采用鋼板疊壓結構，既考慮電機磁路的合理需要，有考慮電機散熱的優越性，并且整體性好；

5）提高轉子動平衡精度，合理設計布置電樞繞組的端部結構，使電樞繞組的端部結構質量盡量均勻分布。

6）同時進行風機電動機的起動電阻及其相關校算，以確保控制系統的匹配性。

2.3進風過濾器

通風機進風過濾器可以直接加在蝸殼上，過濾器的大小約為Φ450 mm×200 mm，選用風阻為200 Pa左右的濾料。濾料的選取，要求既有效地攔截塵埃粒子，又不對氣流形成過大的阻力。本濾料采用的非織造纖維材料符合這一要求，雜亂交織的纖維形成對粒子的無數道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流通過。目前國內船用電機用空氣濾料普遍采用這種材料，厚度為3～5 mm，一般能過濾0.2～0.5 μm的塵埃粒子和油污顆粒。這種材料應用于船內的效果較好，阻力也比較適宜，在配套試驗中得到驗證。

2.4通風管路方案

原通風系統的風道存在開裂、螺栓松動等問題，需要重新制造風管，為減小噪音，風管上建議敷設阻尼材料。對于完好無損的通風管路經確認可以利用。

3 結論

改造前后性能參數對照表見表1。船用通風冷卻裝置是極其重要的設備，關系著電機電器的長期安全地運行。設計過程中優先采用成熟的設計計算技術，追求運行可靠和技術先進的兩者統一。在產品設計、結構、材料、工藝等方面不采用不成熟的新技術。新技術的采用必須有良好的預研基礎或進行嚴格的試驗和鑒定，確保風險可控。新型通風機組具有轉速高、風量大、噪聲低、振動小的優點，值得我國船用大型電機各種通風冷卻系統的推廣應用。

表1 改造前后性能參數對照表

[1] 機械工程手冊、電機工程手冊編輯委員會編. 電機工程手冊第四卷[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982年8月.

[2] 魏士貴等. 理論力學解題方法[M]. 天津:天津科學技術出版社, 1986年12月.

[3] 華紹曾等. 實用流體阻力手冊[M]. 北京: 國防工業出版社, 1985年.

[4] 丁舜年著. 大型電機的發熱與冷卻[M]. 北京: 科學出版社, 1992年.

Analysis on the Improvement for a Marine Import Ventilation System

Hu Zhuo

( CSIC Environment Engineering Co. Ltd, Wuhan 430064, China )

This paper puts forward the improvement idea, and researches principle sample machine for a marine import ventilation system actually. The new type of ventilation system is provided with merits of high rotational speed, high amount of wind, low noise level and low vibration level, which is worth popularization for marine ventilation system.

marine ventilation system; the Improvement Analysis; function parameter

U672

A

1003-4862（2016)04-0057-04

2015-12-07

胡卓（1990-)，男。研究方向：電機與電氣自動化及其通風冷卻工程。