電動輪冷卻風機的葉片設計與優化

曹毅杰

（赤峰工業職業技術學院，赤峰 024005）

0 引言

電動輪自卸車具有工作效率高、安全性能好及使用壽命長等優點，現已在世界上近半的煤礦得到廣泛的應用。其電動輪采用高功率密度電機進行驅動，存在發熱嚴重的問題，同時電動輪放置在較為封閉的空間內，驅動電機散熱十分困難，從而優良的冷卻系統是電動輪自卸車穩定運行的重要保證[1,2]。風機作為電機冷卻系統的重要部件，其性能優劣直接影響著冷卻系統的冷卻效果，但是礦車狹小的安裝空間對風機尺寸有嚴格限制，需要在滿足冷卻系統基本需求的前提下對風機進行結構優化設計。

以礦用電動輪自卸車為應用背景，對電動輪冷卻風機進行了再設計，重點是對風機葉片的安裝角、葉片數目與內外徑之比等參數進行了優化設計。完成冷卻風機整體設計及幾何建模后，通過Fluent仿真軟件研究葉片安裝角、葉片數目及葉片厚度等主要參數的變化對風機氣動性能的影響。風機的性能是葉片多個參數共同作用的結果，因此將葉片的參數作為實驗因子，通過設計正交試驗對葉片參數進行優化組合研究，得到了能夠使風機具有良好氣動性能的葉片優化組合。

1 電動輪冷卻風機設計

所研究的礦用電動輪自卸車的冷卻系統采用強迫式通風冷卻的方式，其冷卻系統主要由離心風機、通風管道和驅動電機組成。離心風機通過通風管道將冷卻空氣吹入電動輪驅動電機一端的入口，然后冷卻空氣流經電機內部與轉子、定子和繞組等發熱元件實現熱交換，而后再經電機另一端的出口將空氣排出。

冷卻風機在達到冷卻電動輪所需要冷量要求下，還需要風機蝸殼尺寸不大于1000mm以便可以安置在車廂與控制室中間下方的有限空間里。基于控制速度分布的原則，在減小二次流和流動分離的前提下，結合傳統方法進行離心風機葉輪的設計，而風機的進風出風口、蝸殼大小及厚度等其他結構及其參數則采用傳統基于經驗和公式的方法加以設計。

驗證所設計風機的合理性，基于SolidWorks軟件建立了其幾何建模，再通過Gambit和Fluent仿真軟件進行了仿真計算。風機葉輪以及蝸殼區域是空氣流動十分復雜的區域，所以進行網格劃分時該區域采用小尺寸的四面體網格，而在兩段加長管道和風機流動相對穩定的進風口區域則采用稀疏的大尺寸四面體及六面體網格，這樣不但縮短了計算時間而且也大大提高了計算效率。求解時為了更好的再現離心風機內部的復雜流場，采用了標準 k-e湍流模型，風機的進出口則采用壓力邊界條件，速度與壓力的耦合方式則為SIMPLE，方程離散采用一階迎風格式，葉片轉動與周圍流體區域采用MRF耦合條件。

模擬得到風機的流量與功率分別為3.64m3/s和29.4kw，與設計目標流量4m3/s與功率29.92kw間的誤差較小。風機內部壓力與速度流場數值模擬表明，風機內部多處存在二次流和尾流-射流現象，風機的靜壓從進口到出口是一個逐漸增大的過程，風機全壓在葉道內先升高又逐漸降低，風機氣流速度從進口到出口逐漸增大，而從葉輪邊緣流出后逐漸降低。

2 葉片參數的影響分析

葉片作為風機的核心部件結構，其設計對風機的整體性能有直接的影響，通過對葉片的參數進行優化可以極大地改善風機的氣動性能。將葉片的安裝角、葉片數目、內外徑之比和葉片厚度作為葉片的可變參數，而以功率和流量兩個為風機主要性能指標，通過Fluent軟件研究葉片各參數對風機性能的影響，仿真時風機轉速仍為3000rpm。

將風機模型的葉片安裝角設定為135°、140°、145°和150°，而保持其他參數不變，進行CFD仿真分析，結果如圖一所示。可見葉片安裝角對風機功率和流量的影響較大且變化趨勢一致，安裝角由135°增加到145°，風機流量減小了16.3%，功率則減小了34.3%，但繼續增加安裝角對流量和功率基本沒有影響，說明過于傾斜的葉片對風機性能的提升不大。

圖1 葉片安裝角與風機流量和功率關系圖

取風機模型葉片數目為10、12、14與16，而保持其它參數不變，CFD仿真結果如圖2所示。當葉片數目從10增加到12時，曲線斜率很大，說明流量和功率的值都有較大程度的提高，而后再將葉片數目增加到16時，流量和功率曲線幾乎平直沒有發生明顯變化。理論分析也表明，一定的范圍內增加葉輪的葉片數可以減少相對渦流的影響，提高風機葉輪理論壓力，但是葉片數過多將增加葉輪通道的摩擦損失，增加能耗。

圖2 葉片數目與風機流量和功率關系圖

圖3 葉片內外徑之比與風機流量和功率關系圖

對葉片內外徑之比與風機性能指標的關系進行分析時，仍然保持其他因素不變，而使風機模型的內外徑之比分別取0.70、0.65、0.6與0.55。仿真分析結果（如圖3所示）表明，一定范圍內，增加內外徑之比，流量和功率也隨之增加，但超過該比值后，流量和功率反而隨著內外徑之比的增大而降低。過小的內徑比使得葉片長度過長，增加了生產制造的難度，而過大的內徑又使得流量和功率不能滿足需求，可見每個風機都有一個最優的內外徑之比。

金屬風機具有流量較大、功耗低及效率高等優點，其顯著特點是厚度小。取風機葉片厚度為3mm、5mm、7mm和9mm進行仿真分析。仿真結果整理如圖4所示，可見厚度增加的過程中，流量和軸功率均呈現線性下降趨勢，當厚度從3mm增加到9mm，風機流量和功率分別減小了10.8%與19.6%。保證強度要求的前提下，應盡量選取薄的葉片以提高風機的性能，后續分析將金屬葉片厚度取為3mm。

圖4 葉片厚度與風機流量和功率關系圖

葉輪的葉片安裝角、葉片數目、內外徑之比和葉片厚度都對風機的流量和功率具有不同程度的影響，其中風機流量和功率幾乎隨葉片厚度線性遞減，而其他三者表現出拐點，可通過一定的方法進行參數的優化設計。

表1 葉片參數對流量和功率的影響對比

3 葉片參數的正交試驗優化

正交試驗設計方法（Orthogonal Experimental Design，ODE）一種快速、經濟、高效的試驗設計方法，它利用規格化的正交表合理地安排多因素試驗，然后結合數理統計對試驗結果進行科學地分析[3]。全面試驗雖然可獲得大量信息，但進行全面試驗所耗費的人力、物力和時間現實情況下是難以承受的。通過ODE有規則的安排各因素的組合進行試驗可大幅度減少試驗次數，得到接近最好結果的方案，同時也能為下一步的優化提供指向性依據。

通過正交試驗設計方法對影響風機性能的葉片參數進行優化組合設計時，將葉片安裝角、葉片內外徑之比、葉片數目3個主要參數作為試驗因子，分別記為因子A、因子B與因子C；而以冷卻風機外徑 500mm情況下，風機風量達到4m3/s而功率消耗盡量小為優化目標。正交表設計時，三個因子均取三個水平，即因子A取A1（135°）、A2（140°）、A3（145°）；B1（0.60）、B2（0.65）、B3（0.70）；C1（10）、C2（12）、C3（14）。忽略設計因子之間的相互作用，則依照正交試驗設計原理，要進行共9組試驗。通過Solidworks軟件完成上述九個風機模型的建模,再通過Gambit進行前處理和Fluent軟件進行仿真分析，得到的各組試驗的風機流量和功率，最后借助SPSS軟件對風機葉片正交試驗結果進行統計分析。

對仿真結果的統計分析表明（如表1所示），顯著性水平取0.05時，對風機流量而言只有因子A（葉片安裝角）的影響比較突出，而對風機功率來說三個因子的影響都比較突出。以風機流量和功率為評價指標，則可得到三個設計因子的最優組合為A1B3C2（優化模型1）或者A2B3C2（優化模型2），優化模型葉片參數具體取值如表2所示。

風機兩個優化模型與理論模設計型的數值模擬結果對比如表二，可知兩個優化模型的風機性能指標均大于原始設計模型指標。其中優化模型2的流量和功率分別增加了19.8%與16.3%，風機的氣動性能獲得了明顯的改善，消耗較少功率即可獲得明顯的流量提升。經過優化設計后的冷卻風機現已安裝在某170t礦用自卸車上，獲得了良好的現場應用效果。

表2 葉片參數優化前后對比

4 結束語

針對礦用電動輪電機冷卻的問題，設計了一種新的離心式風機，主要通過數值模擬方法和正交試驗對影響風機性能的葉片參數進行了優化設計研究。Fluent仿真結果表明葉片安裝角、葉片數目、內外徑之比及軸向高度等參數對風機的流量和功率都有影響。以葉片主要參數為正交因子設計正交試驗，得到了兩組葉片參數的優化組合，優化模型能使風機消耗較少功率而獲得明顯的流量提升。優化設計的風機在某170t礦用自卸車電動輪冷卻系統中取得了良好的應用效果。

[1]張艷,申焱華,張文明,等.礦用自卸車電動輪冷卻系統研究 [J].煤礦機械,2012,33(3)：60-62.

[2]劉強,張耀斌,孟有平,等.新型電動輪礦用車冷卻系統[J].煤礦機械,2013,34(12)：131-133.

[3]徐仲安,王天保,李常英,等.正交試驗設計法簡介[J].科技情報開發與經濟,2002,12(5)：148-150.