軸流通風機鏡像對稱葉片研究

董玉領，曾錦榮，邵家泉，鐘俊良，劉德軍，王琳琳，董偉

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2.南方風機股份有限公司，廣東 佛山 528000；3.中信國安化工有限公司，山東 菏澤 274500）

0 引言

軸流通風機具有流量大、壓力低、結構簡單緊湊等特點，廣泛應用在電力（包括核電）、冶金、化工、城市軌道交通、煤礦開采等行業。軸流通風機的葉片作為核心關鍵部件，在長時間使用后，部分葉片（材質為鋁、玻璃鋼、碳鋼）因自然老化、磨損、變形及銹蝕等問題而影響風機性能。為滿足因部分風機廠家停產或其他因素而無法采購原適配的備件對風機葉片進行更換，以及節能減排等要求而替代現有軸流通風機葉片[1]，有必要開展葉片設計成型研究。

目前軸流通風機葉片，隨著機翼技術和風力機葉片的進步，經過不斷發展，已經形成一系列的成熟葉片[2-3]。軸流通風機葉片的設計制造通常采用計算或試驗方式選擇或改進成熟應用的葉片[4-5]，并加以CFD（計算流體動力學）等輔助手段[6-7]檢驗。本文在提出采用鏡像對稱方法設計制造葉片后，通過對采用此方法設計制造的葉片進行研究，發現由此葉片組裝成的風機效能和葉片應力均在要求范圍內，但是左旋葉片的應力略小于右旋葉片。研究結論可供后續軸流風機及軸流泵等設計和替代借鑒。

1 鏡像葉片理論分析

1.1 風機概述

一臺軸流通風機采用皮帶傳動，型式為單葉輪、沒有前后導葉，主要參數如下：轉速為600 r/min，流量為12 600 m3/h，風機全壓為512～537.6 Pa，葉輪直徑為2.2 m，葉片數量為12片。

1.2 鏡像對稱方法

鏡像對稱方法即在葉片安裝中心位置不變的情況下，對左旋葉片或右旋葉片進行鏡像對稱而得到新葉片的方法。

大型軸流通風機的葉片，通常由葉柄和葉片主要工作區構成。為確保風機性能滿足要求，對葉片主要工作區的型線尺寸和葉片安裝角度有明確要求。大型軸流通風機葉片設計相對比較復雜，為快速實現葉片成型，通過對軸流通風機葉片模型進行分析可知，采用鏡像對稱方法可以實現葉片截面的快速成型，鏡像對稱葉片示意圖如圖1所示。

圖1 鏡像對稱葉片示意圖

1.3 鏡像對稱葉片分析

1.3.1 鏡像對稱葉片分析

采用鏡像對稱方法，分別設計制造左旋葉片和右旋葉片，其中左右旋葉片截面如圖2所示。

圖2 左右旋葉片截面示意圖

1.3.2 葉片強度分析計算

軸流通風機旋轉時，葉片在離心力作用下使葉片拉伸，在氣流壓力作用下發生扭曲。在離心力和氣流壓力共同作用下，葉片受到的應力由其頂端逐漸向葉柄增加，其中葉柄與葉片主要工作區連接處（葉片根部）的應力最大。左旋葉片和右旋葉片互為對稱鏡像葉片，在相同的設計條件下，葉片根部受力應基本相同，下面以圖3 和圖4為例校核葉片強度。

圖3 左旋葉片結構示意圖

圖4 左旋葉片受力分析

1）葉片根部拉伸應力計算。

由式（1）～式（3）[2]計算得σc=4512049 Pa。

式中：σc為葉片根部拉伸應力，Pa；Pc為葉片上的總離 心 力，N；S 為 葉柄的圓截面積，0.006 083 m2；m為葉片質量，11.05 kg；Rc為葉片重心到葉輪中心之距離，0.629 m；ω為葉輪角速度，rad/s；n為風機轉速，r/min。

2）葉片根部彎曲應力計算。

氣流流動壓力引起的荷載力Ph可以分解為切向力Pu和軸向力Pz，其中氣體流動產生彎矩在葉輪根部產生的彎曲應力最大，由式（4）～式（9）[2]計算得葉片根部彎曲應力σh=565022 Pa。

式中：Psh為軸功率，37 kW；Z為葉片數，12；Um為葉片平均半徑處圓周速度，22.23 m/s；ΔPst為葉輪產生的靜壓差，461 Pa；L為葉片全長，0.785 m；T為葉片平均半徑圓周上的節距，0.37 m；θh為葉片根部截面的法線與圓周切線之間的夾角，76°；θp為荷載力與圓周切線之間的夾角，44°；W為葉片根部斷面的彎曲斷面系數，m3；d為葉片根部截面直徑，0.088 m。

3）葉片根部總應力。

葉片根部總應力σy為拉伸應力σc和彎曲應力σh之和[2]，根據式（10）[2]計算，σy=5.08 MPa。

4）葉片強度驗算。

根據式（11）[2]對葉片進行強度校核，其中葉片材質為ZL101（T6），其屈服強度σs=225 MPa，計算安全系數n=44.29，大于許用安全系數。

式中：σs為屈服強度，MPa；σy為葉片所受總應力，MPa；許用安全系數［n］=5。

5）小結。

通過對左旋葉片強度分析計算可知，葉片強度滿足設計要求。

2 鏡像葉片仿真分析

軸流風機葉片長期運行在應力作用下，當葉片與機殼發生碰撞或被激振時，葉片將出現裂紋甚至斷裂[8-10]。為減少葉片類似故障，現使用三維軟件進行仿真分析。其中在對葉輪組件進行有限元網格劃分時，刪除了幾何模型中的小面（如導角、溝槽），對各零件進行非結構化網格劃分，除平鍵上網格類型為六面體外，其余零件上均為四面體網格。網格大小控制在0.05～0.01 m范圍內，最大網格控制在0.015 m 以下，并對關鍵部位進行細化。各零件接觸面設置為接觸對，接觸類型設為Bonded。對于軸與軸承接觸的地方設置為Remote Displacement邊界條件，轉動軸方向的自由度設為自由，其余自由度均限制為0。對有限元模型施加載荷，分別是自重、旋轉慣性力（超速試驗時的轉速為660 r/min）、氣動載荷、熱應力（極限溫度為-15 ℃和+90 ℃）、OBE地震載荷（運行基準地震工況），以及SSE地震載荷（安全停堆地震工況），并進行分析。

2.1 右旋葉片分析

2.1.1 自重、旋轉慣性、氣體壓力作用下靜力分析

在施加重力及葉輪旋轉慣性載荷的同時，在葉輪的壓力面側施加風機全壓的作用，進行靜力分析。經分析，葉輪的最大變形量為0.000 5 m，小于要求值0.002 7 m。葉輪所受的最大應力為7.609 2 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2.1.2 熱應力分析

1）-15 ℃+自重及旋轉慣性的工況組合分析。

在-15 ℃溫度+自重及旋轉慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 m，小于要求值0.002 7 m。由應力分析得出最大應力分布在葉柄處，應力值為23.292 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2）90 ℃+自重及旋轉慣性的工況組合分析。

在90 ℃溫度+自重及旋轉慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 8 m左右，小于要求值0.002 7 m。由應力分析得出最大應力分布在葉柄處，應力值為53.085 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2.1.3 地震譜分析

在葉輪模型的支撐處（即轉軸與軸承接觸）施加地震加速度譜，進行單點譜分析，模態組合類型使用SRSS。對葉輪組件分別選擇+20 m標高樓層反應譜，并在OBE地震工況和SSE地震工況進行分析，其中葉輪組件變形量為0.000 04 m（OBE）和0.000 06 m（SSE），與葉輪旋轉慣性、自重、氣動壓力及熱應力產生的葉輪變形線性疊加，葉片最大的位移徑向小于0.002 7 m。同時應力為2.6 MPa和3.9 MPa，疊加熱應力等后也遠小于屈服強度225 MPa，也不會發生葉片損壞。

2.2 左旋葉片分析

2.2.1 自重、旋轉慣性、氣體壓力作用下靜力分析

施加重力及葉輪旋轉慣性載荷的同時，在葉輪的壓力面側施加風機全壓的作用，進行靜力分析。經分析，葉輪的最大變形量為0.000 48 m，小于要求值0.002 7 m。葉輪所受的最大應力為6.957 4 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2.2.2 熱應力分析

1）-15 ℃+自重及旋轉慣性的工況組合分析。

在-15 ℃溫度+自重及旋轉慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 m，小于要求值0.002 7 m。由應力分析得出最大應力分布在葉柄處，應力值為17.27 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2）90 ℃+自重及旋轉慣性的工況組合分析。

在90 ℃溫度+自重及旋轉慣性的工況組合分析，葉輪的最大變形量為0.001 8 m左右，小于要求值0.002 7 m。由應力分析得出最大應力分布在葉柄處，應力值為36.197 MPa，小于鑄鋁合金屈服強度225 MPa。

2.2.3 地震譜分析

同理在葉輪模型的支撐處（即轉軸與軸承接觸)施加地震加速度譜，進行單點譜分析，模態組合類型使用SRSS。對葉輪組件分別選擇+20 m標高樓層反應譜并在OBE地震工況和SSE地震工況進行分析，其中葉輪組件變形量約為0.000 04 m（OBE）和0.000 07 m（SSE），與葉輪旋轉慣性、自重、氣動壓力及熱應力產生的葉輪變形線性疊加，葉片最大的位移徑向小于0.002 7 m。同時應力約為1.8 MPa和3.3 MPa，疊加熱應力等載荷后也遠小于屈服強度225 MPa，也不會發生葉片損壞。

2.3 小結

通過在自重、正常運行載荷、熱應力、地震載荷（包括OBE地震工況和SSE地震工況）作用下仿真分析，得到的結論如下：

1）兩種葉片上最大應力均遠低于材料的抗拉強度225 MPa，且左旋葉片應力相對略小，均滿足設計要求；2）兩種葉片構成的葉輪組件的最大徑向位移均小于葉片與風筒最小徑向間隙0.002 7 m，滿足設計要求。

3 動力性能試驗

3.1 試驗方案

將左旋葉片和右旋葉片分別組裝在同一輪轂上，在兩種風機轉子平衡試驗后，按照GB/T 1236《通風機空氣動力性能試驗方法》進行空氣動力性能試驗。為了控制風機在額定流量和風壓下偏差的影響，其中額定流量和風壓下的允許偏差為0～+5%。

3.2 試驗驗證

3.2.1 試驗條件

換算后大氣壓力為101 325 Pa，環境溫度為20.0 ℃，相對濕度為0.40%，空氣密度為1.200 kg/m3。其中葉輪直徑為2.20 m，輪轂直徑為0.63 m，轉速為600 r/min。

3.2.2 試驗測量

采用相同試驗平臺進行試驗，分別測量右旋葉片和左旋葉片的流量、全壓、靜壓、軸功率和效率等參數，如表1和表2所示。

表1 右旋葉片風機主要參數表

表2 左旋葉片風機主要參數表

3.2.3 結果分析

分析試驗測量結果，發現左旋葉輪風機的工況點的容積流量為128 296.2 m3/h，風機全壓為524 Pa，葉輪效率為60.51%；右旋葉輪風機的工況點的容積流量為126 946.9 m3/h，風機全壓為516.8 Pa，葉輪效率為63.01%，均滿足目標要求。

根據表1和表2中左右旋葉片主要參數表繪制流量與全壓、靜壓、軸功率和效率關系對比圖，分別如圖5～圖8所示，通過分析可知目標參數工況下，在誤差范圍內，右旋葉輪組件風機的效能與左旋葉輪組件風機效能相差不大，均滿足要求。

圖5 流量與全壓曲線對比

圖6 流量與靜壓曲線對比

圖7 流量與軸功率曲線對比

圖8 流量與效率曲線對比

4 結論

1）鏡像對稱前后的葉片應力均遠小于允許值225 MPa，且左旋葉片應力相對略小；同時葉片變形在要求范圍內，滿足設計要求。

2）在誤差允許的范圍內，鏡像對稱前后的葉片效能均滿足設計需要。

3）鏡像對稱法設計制造葉片是可行的，且此項研究可供同類軸流通風機葉片設計和快速制造參考，同時也可供其他旋轉設備的設計借鑒。