軸流風機模塊化設計的若干技術研究

軸流風機整體鑄造加工精度低,易產生缺陷。本文基于模塊化思想,將軸流風機葉輪根據功能不同分為葉片和輪轂兩個模塊,并將葉片作為通用模塊,利用原準葉片設計不同尺寸系列的模塊化軸流風機。本文針對軸流風機模塊化設計中輪轂比、原準葉片安裝角確定和原準葉片設計壓力選擇進行了研究。

本文首先對改進的變環量設計進行了介紹,利用改進的變環量設計方法在不同設計參數和結構參數條件下,進行了風機設計,并對所設計風機進行了氣動性能模擬和對比。通過性能對比可知,利用改進的變環量設計方法設計的風機,壓力和效率呈現反相關關系,所以在模塊化設計高壓頭軸流風機時需犧牲一部分風機效率。在模塊化設計風機過程中,原準葉片需在不同輪轂比的風機中工作,經過模擬發現,當輪轂比過大時,風機的效率會下降,所以設計原準風機時需要在兼顧風機結構和氣動性能時選擇盡可能小的輪轂比。

在原準葉片與輪轂匹配組成特定尺寸的模塊化風機時,需要確定原準葉片的安裝角,本文提出了基于幾何尋優方法。另外,本文對原準風機設計壓力的選擇進行了研究,分別選擇低壓和中壓作為設計壓力,兩者800mm風機的性能相近,但是在大尺寸風機中,中設計壓力組成的風機性能更優。最終,在所設計原準葉片的基礎上,本文給出了模塊化風機的性能譜圖。

關鍵詞:軸流風機,數值計算,模塊化設計,改進的變環量設計

Abstract

The precision of manufacturing is low when the whole impeller of axial fan is cast and

this method is also easy to produce flaws.According to different functions,this

dissertation divides the axial fan into two parts:the blade and the hub,and makes the

blade as the general module,using the standard blade to design axial fan.And I do some

reaches on the hub ratio,the determination of the standard blade angle and the design

pressure of the standard blade.

At first,this dissertation introduces the improved variable circulation designing method,

Using this method,I design some axial fans basing on different design parameters and

structure parameters and then simulate the performances of these axial fans.By

comparison,we find that there is an inverse correlation between pressure and efficiency

of axial fan.Therefore we have to make some sacrifice on the fan efficiency when we

design axial fan with high pressure.During the modular design of fan,the standard has

to work in axial fans with different hub ratios.And we find that the fan efficiency gets

low when the hub ratio is oversize.Therefore,considering the fan structure and

aerodynamic performance,we should choose the small hub ratio.

We need determine the blade angle when the standard blade matches the hub.We

propose a method to determine blade angle using geometry optimization.In

addition,this dissertation does some researches on the design pressure of the standard

fan and selects low pressure and medium pressure as the design pressure to design

blades.Two blades have close performances in the fan with the diameter of 800mm,but

the medium-pressure blade has better performance in the larger size fan.Finally,we get

the performance spectrum of the modular fans basing the standard blade we design.

Keywords:Axial flow fan,Numerical simulation,Modular design,Improved variable

circulation design

第1章緒論

1.1研究背景及意義

近些年來中國的風機制造行業呈現快速發展的趨勢,無論在數量還是品種上都有了很大的突破。我國風機制造業迅速的成長可以在總產值上體現出來,下表給出了近幾年中國風機、風扇制造行業實現的累計工業總產值[1][2][3】:軸流風機葉輪主要由輪轂和葉片組成>一般通過整體鑄造生產。鑄造過程中所釆用的模樣對鑄造產品的質量影響很大[4]。現在廣泛使用的模樣主要有金屬模樣和木模。木模的優點有:質量輕,價格低廉,容易加工,制作周期短等但木模尺寸精度差,因木模本身強度的原因,會使得在燒筑過程中變形量較大,影響成型后的質量,且木模壽命比較短,容易損壞。金屬模具采用鑄件的毛述加工制作而成,其表面的粗糙度和尺寸精度能夠得到嚴格的控制。金屬模具一般適用于零件表面要求高或者大批量生產的場合。對于已經設計成型的產品,可以采用金屬模具,重復使用,進而在保證鎮件質量的前提下減少反復制模的麻煩就價格而言,對于直徑為800mm的葉輪,國內木模的價格約為1萬元人民幣,

金屬模具的價格為5~8萬元。許多廠商在風機的設計和研發過程中傾向于選用木模。但是,除了木模本身燒筑過程中變形量大外,在葉輪整體鑄造過程中,輪轂和葉片連接處厚薄不均勻,會導致金屬收縮得不均勻,進而會影響葉輪鑄件的質量,甚至造成鑄造的熱裂缺陷,導致產品質量的不合格。另外,風機的葉片是其主要做功部件,而輪轂對軸流風機的性能影響相對較小,當輪穀和汁片整體鑄造時,由于結構相對復雜,會導致整體鑄造的質量水平降低,進而影響葉輪葉片的加工精度。

模塊化設計方法是指根據功能和作用的不同,將產品劃分為一系列不同的模塊,將各個模塊分開設計和加工[9】[1Q】[11】,然后通過選擇各個模塊進行組合,構成不同的產品,從而滿足市場上不同需求的設計方法【12】【13][14】。葉片是風機做功的主要部件,一般呈三維扭曲狀,葉片翼型形狀對軸流風機的氣動性能影響很大,在加工時要求加工精度高。輪穀主要起連接和傳動的作用,其加工精度可以降低。基于模塊化設計思想,本文將風機葉輪根據作用和加工要求不同分成兩個模塊:葉片和輪穀,將葉片作為通用模塊,模塊化設計軸流風機。通過將軸流風機模塊化方法設計,不僅可以減少風機制造廠商加工模具的成本,還可以使葉片和輪轂分開鑄造,從而完全避免熱裂現象,提高葉片模具的加工精度,進而提髙風機產品的加工質量。