高效節能型工業吊扇研發與應用

浙江省新昌縣三新空調風機有限公司□潘旭光

1 概述

隨著工業技術的發展及生活水平的提高，人們對工作環境的舒適性追求越來越高，選擇宜人的工作環境是人們將來擇業擇崗向往和考慮的一大因素，而改善工作條件和環境是社會發展科技進步的一個體現，也是工業現代化產生的一種新需求。我國工業吊扇是近幾年開始新興的工業風扇種類，產品特征轉速低，風速慢，高效節能，吊扇直徑大，如一臺直徑為7300mm，功率為1.5kW工業吊扇覆蓋面積達800m2，可代替數臺工業排風扇或民用吊扇，能夠顯著地提高工業吊扇的效率，降低噪聲，達到高效、節能、減排的效果。工業吊扇主要應用在大型廠房、商場、體育館、車站、物流倉庫等，也可應用大型牧場、卵化場等領域。

2 主要技術指標

工業吊扇主要技術指標如下：

1）功率：0.25kW～1.5kW；

2） 轉速： 56r/min～211r/min；

3）風量： 156860m3/h～860000m3/h；

4）直徑：2000mm～7300mm；

5）噪聲：60dB以下；

6）平均風速有效覆蓋面積內0.5m/s以上；

7）交流永磁同步電機驅動；

8）表面耐蝕性，120h耐鹽霧試驗無嚴重銹蝕現象；

9）變頻控制吊扇轉速實現無級調速。

3 工業吊扇主要結構

工業吊扇主要由交流永磁同步電機、風葉、吊桿、吊板、防墜安全環、調速控制器等零部件組成，詳見圖1工業吊扇結構示意圖。

圖1 工業吊扇結構示意圖

4 工業吊扇翼型的研發與應用

（1）翼型研發思路

吊扇的葉片是決定吊扇性能的主要部件，而葉片的橫剖面形狀 （翼型）又是決定葉片性能的關鍵。現有資料文獻中已有多種翼型，其中最先進的翼型莫過于航空工業中使用的飛機機翼型，在工業領域一般情況下均采用現有的航空翼型技術，而對翼型的研究投入很少。但由于使用場合運行工況的差異，采用航空翼型做吊扇葉片橫剖面形狀，并不能充分發揮翼型最佳效果，另外對吊扇、空調風扇等低轉速風扇，為了簡化制造工藝，降低生產成本，往往選用現有航空翼型或平板翼型，而不是針對具體實際運行工況來設計翼型。導致現有翼型與實際工況匹配性不好，限制了吊扇效率的提升，一定程度上造成了資源的浪費。

針對現有的低轉速吊扇葉片所使用的翼型與實際工況匹配性不佳的問題，研究開發一種高性能的吊扇翼型，能夠很好地匹配低轉速吊扇工作雷諾數小的特殊工況，并且在應用到實際吊扇葉片上后，能夠顯著地提高吊扇效率，降低吊扇的噪聲。為實現上述技術目的，采用技術研發方案見下文。

從機翼型研究出發，開發高性能等厚板翼型。首先結合低轉速吊扇的使用工況，采用航空工業氣動分析技術，設計出與吊扇實際工況匹配高性能的吊扇專用翼型 （非航空翼型或等厚板翼型）。由于翼型的主要性能很大程度上取決于其上、下表面或中弧線的形狀，尤其是低速翼型。因此經過理論分析、數值模擬、試驗驗證及吊扇實際應用，設計出一種吊扇專用高性能翼型。

（2）翼型分析、設計及安裝技術

1）翼型結構

研發吊扇翼型示意圖見圖2。

圖2

2）翼型的氣動參數

翼型的基本氣動特性包括阻力系數、力矩系數、空氣動力中心和壓力中心等參數。設翼型具有單位寬度，其阻力為D，力矩為MF。阻力系數Cd見公式 （1）， 俯仰力矩系數Cm見公式 （2）。

氣動中心 （焦點）xa.,c繞該點的俯仰力矩在任何迎角下均保持常數，由前緣量起；壓力中心xp.c壓力合力作用點距前緣的距離。

3）阻力系數與幾何參數的關系

翼型阻力主要由表面摩擦阻力、附面層位移厚度及部分表面氣流分離引起的形狀阻力和可能存在的激波阻力形成。在分離區不大的情形下，通過在尾跡中使用附面層動量積分方程并設摩擦阻力等于零，Squire和Young導出了翼型阻力的計算公式， 見式 （3）。

光滑機翼翼型的最小阻力系數主要取決于雷諾數和層流附面層的弦向范圍，也受到翼型相對厚度和彎度的影響。

在低的或中等升力系數下 （無明顯氣流分離），其升致阻力是來自升力系數的變化對摩擦阻力和形狀阻力的影響。其中摩阻的增加主要是由于升力系數增加時，翼型上表面有利于壓力梯度減少和最小壓力點前移使翼面上層流附面層范圍減少所致。其次是當升力系數增加時，翼型上表面附面層厚度增加引起表面法向壓力重新分布導致的形狀阻力，它實質上是一種壓差阻力。

最大厚度位置的影響：最大厚度位置后移，阻力降低。

4）力矩系數與幾何參數的關系

相對彎度的影響：翼型繞1/4弦點的力矩系數隨彎度增加而有絕對值更大的負值。

迎角的影響：翼型繞1/4弦點的力矩系數隨迎角增加而有絕對值更大的負值。

相對厚度的影響：相對厚度對力矩系數的影響很小。

5）安裝角主要參數分析

當氣流流過葉型時，由于葉型表面的附面層影響，會造成能量損失。下面以單獨冀剖面的靜壓分布來分析這種影響。當氣流以迎角為0的狀態流過翼剖面時，前緣的靜壓增大，在翼面中部壓力減小，到后緣，壓力又增加，下翼面的壓力大于上翼面，由此產生升力。前緣氣流受到翼面的阻擾，速度降低，故壓力增高。在后緣，由于氣流的分離，在后緣產生分離渦，在繞翼面的尾渦與沿翼面流動的氣體不同運動狀態的共同作用下，導致速度損失，從而壓力增加。

α增大時，升力增加，但前緣阻力增大，后緣分離現象進一步明顯。當α增加到一定程度，翼表面的速度因為阻力而遭到破壞，導致升力系數迅速下降，而阻力系數迅速增加，從而使氣流的能量損失很大，導致通風機效率下降。當α較小時，則翼型的特性還沒有得到充分利用，因此通風機效率不能達到最佳狀態。

當安裝角變化為例， 在 α=1°和 α=4°， βm=39°，轉速n=65rpm的條件下通過數值計算得到圖3。

由上述分析可知，在計算葉型安裝角時，應選取合適飛的迎角，減小由于葉型損失造成的性能下降。

圖3 翼面靜壓分布圖

（3）風葉強化處理分析與新工藝應用

6063鋁合金具有中等強度、良好的沖擊韌性、良好的熱塑性、良好的拋光性、良好的陽極氧化著色性與涂漆性能以及優良的焊接性能與抗蝕性，因而在工程結構中得到應用，為提高風葉其基體材料的強度，現對材料的強化方法進行分析。

1）鋁合金的強化方法

鋁合金在常溫下的塑性變形主要是由合金中位錯的移動來實現的，在高溫下受力時產生的塑性形變主要是因為合金晶界的蠕動來實現的，而合金晶界的蠕動是由晶界處位錯的移動來完成。故不論在何種情況下，合金塑性變形均是通過合金內位錯移動來完成，提高合金內位錯的移動阻力，即可提高合金的變形抗力，使合金強化。現代工業對合金的強度有了更高的要求，根據合金強化理論和工藝來提高合金的強度，以滿足現代工業的需求。

①加工強化

加工強化是指對合金進行一定的塑性變形，使合金內位錯密度增加，合金內位錯數量增加，許多位錯會纏繞在一起，形成固定位錯，位錯移動的阻力增加，合金的強度增髙。不可經過熱處理強化的鋁合金，在進行熱軋、冷軋加工處理后，合金的顯微組織變為加工組織，合金的強度增加，在隨后的退火處理過程中要避免使合金發生再結晶行為，以保持合金的加工組織；可時效強化的鋁合金，在時效前進行一定的塑性變形，使鋁合金產生加工硬化，同時也有利于鋁合金隨后的時效析出過程，加強鋁合金時效強化效應。但對鋁合金進行加工強化處理，鋁合金進行塑性變形，合金型材的尺寸也發生了一定的改變，對尺寸要求精準的型材，加工強化往往不是最佳的選擇。

②固溶強化

合金元素溶入基體中，置換基體原子，占據基體原子的位置，由于合金原子與基體原子尺寸等有差別，引起基體晶格畸變，晶格應變場與位錯應變場產生交互作用，固溶溶質原子釘扎在位錯線上，阻礙位錯線的移動，使合金的強度升高。固溶強化的大小主要由以下幾個因素來決定：第一，合金元素的溶解度，溶質原子溶解度越大，合金基體晶格畸變程度越大，合金固溶強化效果越好；第二，溶質原子與基體原子尺寸的差別，兩類原子尺寸差別越大，產生的晶格畸變越大，合金的固溶強度越高；第三，合金元素與基體元素的價電子差，原子間價電子差別越大，原子間排斥力越大，合金晶格畸變越嚴重，合金的強度越高；第四，合金原子與基體原子的彈性模量的差錯度，原子間差錯度越大，合金固溶強化效果越好。單一的固溶強化對合金的強度提高不大，但合金的塑性損失比其他方法要小。

③細晶強化

合金發生塑性變形，合金晶內的位錯移動到合金晶界處，合金晶界為各種缺陷和位錯聚集區，合金原子和雜質原子聚集在合金晶界上，位錯線移動到合金晶界處，合金原子和雜質原子會釘扎在位錯線上，阻礙位錯線的移動，使位錯移動難以傳遞到相鄰的晶粒上，同時，相鄰晶粒間相同晶面的取向往往不同，這也阻礙了相鄰晶粒位錯線移動的傳遞，使合金塑性形變難以進行，合金強度升高。合金晶粒細化，合金內晶界增加，合金的強度增加。合金在鑄造過程中往往加入一些變質劑，使合金凝固過程中形核率增加，細化合金鑄態晶粒。但合金用于高溫環境時，盡量避免合金晶粒細化，因為在高溫環境下，合金的晶界強度明顯低于合金晶內的強度，合金的塑性變形主要由合金晶界的動來完成，合金晶界增多，合金的強度下降更多。

根據上述強化的方法分析，對風機采用工藝穩定、強化效果好、性能穩定可靠的固溶強化工藝技術。

2）固溶-時效對6063鋁合金性能的影響

固溶溫度對合金時效后強度、硬度、伸長率和固溶態電導率的影響見圖4。

圖4 固溶溫度對6063鋁合金性能的影響圖

在515℃～555℃范圍內，隨著固溶溫度的升高，時效態合金的強度和硬度先升后降，并在545℃時達到峰值，延伸率變化不大，而合金固溶態的電導率則單調下降。綜合考慮合金各項性能數據可知，545℃/50min是合金適宜的固溶處理制度。545℃/50min固溶，180℃時效溫度下，時效時間對合金強度、硬度、伸長率和電導率的影響見圖5。

圖5 時效時間對6063鋁合金性能的影響

由圖5可知，隨著時效時間延長，合金強度、硬度也出現先升后降的趨勢，并在時效8h時達到峰值；合金伸長率單調降低，電導率則單調升高，但二者都在時效8h后基本趨于穩定。

3）固溶對合金組織性能的影響

針對Al-Mg-Si合金是典型的時效強化合金，主要強化相為亞穩相β″。為了在時效過程中獲得更多彌散析出的β″強化相，必須對合金進行合適的固溶處理。在不過燒的前提下獲得高過飽和度的固溶體，提高時效過程中強化相析出的驅動力，從而獲得較好的時效強化效果。合金經545℃固溶50min，擠壓態合金中Mg2Si平衡相幾乎完全溶入基體，合金的強度、硬度也達到最大值，伸長率適中。

（4）工業吊扇檢測與試用

樣機完成后，按 《工業通風機風扇》企業標準要求，經浙江省機電產品質量檢測所全面檢測試驗各項指數指標完全符合設計要求及企業標準的規定。該研發項目于2014年12月順利通過浙江省新產品鑒定，鑒定專家組認為，該產品的開發是成功的，技術處國內同類產品領先水平。

產品經浙江雙陽風機有限公司、浙江浙風科技有限公司、浙江省新昌三雄軸承有限公司等上百家企業使用后，得到客戶的認可和好評，該吊扇近三年銷售1022萬，新增利潤251萬元，新增稅129萬元，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

5 結論

高效節能型吊扇是最近幾年從國外引進技術研發新產品，該產品模擬自然風，風速在1m/s～3m/s范圍內，吊扇轉速56r/min實現無級變頻調速控制風速柔緩穩定，清涼舒適宜人，改變了傳統工礦企業目前在使用的小型風扇風速高、風壓大、宜人性差、覆蓋范圍小、通風耗用功率大的落后通風方式，達到工業大吊扇高效節能的目的。