離心式通風機結構優化研究

馮培軍

（陽煤集團山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045008）

引言

離心通風機是將電能轉化為機械能，并依靠葉片旋轉時形成的壓力差來吸、排流體的一種廣泛應用在車間、煤礦、發電、建筑物上的機械設備。隨著國民經濟和科技的發展，越來越多的通風機也開始朝著大型化、集成化、高速化的方向發展，但目前離心式通風機普遍存在著振動強、噪聲大、耗電量高的缺點，極大地限制了其進一步的應用[1]，因此如何降低風機在運行時的振動和噪聲，并在降低葉輪質量的前提下優化結構、提高強度，提高其工作時的穩定性和可靠性便成了工程設計人員迫切需要解決的問題。

1 離心式通風機的結構及工作原理

離心式通風機是將電能轉化為機械能，并依靠葉片旋轉時形成的壓力差來吸、排流體的設備，其主要由葉輪、機殼、進風口及傳動部分等四部分組成，典型的離心式通風機的結構如圖1所示。

離心式通風機在工作時，由電網系統給電機提供電源，帶動電機旋轉，然后電機通過聯軸器帶動葉輪進行高速轉動，由于葉輪特殊的結構特點，其在轉動過程中帶動周圍的流體進行旋轉，在蝸殼內部導流的作用下將流體推出蝸殼的出口。在葉輪旋轉的過程中，由于其氣動布局的特點，造成葉輪內部的壓力小于外界的壓力，這樣前后在壓差作用下便形成了連續不斷的空氣流動。

圖1 離心式通風機結構示意圖

2 離心式通風機葉片強度的計算方法

離心式通風機在高速旋轉的過程中，葉片除了受到離心力的作用外還會受到氣流與蝸殼作用所產生的附加的應力，但這個附加應力和葉片在高速旋轉過程中產生的離心力相比較小，因此為了便于對通風機葉片在高速旋轉時的強度進行計算，忽略氣流與蝸殼作用所產生的附加的應力對葉片的作用。

將葉片簡化為一個固定梁，對于固化梁結構來說，其在工作時的最大力矩主要產生在梁的兩端位置，其值應為式中，q為均布載荷在單位長度上的大小；I為固定梁的長度。

對于平板直葉輪，其葉片在工作中的受力如圖2所示[2]。

葉輪在高速旋轉時，設其角速度為ω，因此其在高速旋轉時產生的離心力P可表示為：

式中：ρ為葉輪的材料密度；b為葉輪的葉片長度；ω為葉輪的旋轉角速度；δ為葉輪的壁厚；I為葉輪葉片的平均寬度；R為葉輪中心到葉片重心的距離；c為輔助計算系數，取86.8。

圖2 平板直葉輪受力分析簡圖

如上頁圖2所示，在計算時，假設葉片的重心位于O點，則其在工作過程中的離心力可分解為法向力P1和切向力P2，葉片旋轉時在這兩個力的作用下發生形變，同時在葉片內產生彎曲應力，因葉片的結構形狀決定了其在旋轉時產生的正應力的數值要遠大于切應力的數值，因此在分析時，只考慮產生的彎曲正應力，該正應力可表示為：

式中：φ為P方向和P2的夾角。因為葉片的最大彎矩為，因此葉片在高速旋轉過程中的最大彎曲應力為：

式中：e為葉片中心到葉片迎風面的垂直距離；W為抗彎截面模數。

3 離心式通風機葉輪的有限元建模

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，被廣泛地應用于設備的靜力學分析[3]。

為了對離心式通風機的葉輪在旋轉時的受力情況進行分析，首先利用Creo軟件建立了通風機葉輪的三維模型，將其導入到ANSYS仿真軟件中，并劃分網格單元，因為對葉輪仿真分析結果的可靠性主要取決于對葉輪劃分網格的數量和方法，根據葉輪的結構特點及對ANSYS仿真的應用經驗，在劃分網格時采用的是將自由網格劃分法和映射劃分的方法進行有機結合，在葉輪葉片與外沿結合的三級位置采用自由網格劃分的方法，在葉輪其他相對平整的位置采用映射劃分網格的方法，在完成全部網格后其網格總數約有5 678個單元，6 104個節點，其網格劃分示意圖如圖3所示[4]。

在劃分網格后，為了對其進行仿真分析，還需要在各模型連接部分建立起數學聯系，并施加約束和載荷，對其施加約束和載荷后的受力如圖4所示。

4 離心式通風機葉輪的有限元分析

應用求解后，主要對葉輪節點處的應力情況進行分析，分析結果如圖5、圖6所示。

圖3 葉輪的有限元分析模型

圖4 葉輪施加約束和載荷后的示意圖

圖5 葉輪的等效應力（MPa）云圖1

圖6 葉輪的等效應力（MPa）云圖2

由圖5和圖6的葉輪仿真分析的等效應力云圖可知，離心式通風機的葉輪在運行過程中的最大應力約為105.6 MPa，其位于葉輪的出口位置，在葉輪的進口位置其工作時應力的最大值約70 MPa，且其應力均集中在葉輪的葉片與輪沿焊接處的過渡位置。因此為了確保葉輪在高速運行過程中的安全性和穩定性，需要采取一定的措施對葉輪在運行過程中應力集中的位置進行加強處理，對應力分散的位置可以適當地進行減薄處理。通過仿真分析結果可以確保葉輪在結構強度滿足工作要求的前提下，優化布局，減小質量，減少電機在運行過程中的電能的消耗。

5 結論

結合仿真結果分析，葉輪在運行過程中的應力主要集中在葉片與輪沿結合處的位置，因此為了確保葉輪在高速運行過程中的安全性和穩定性，需要采取一定的措施對葉輪在運行過程中應力集中的位置進行加強處理，對應力分散的位置可以適當地進行減薄處理。這一舉措對葉輪的結構優化提供了理論和技術支持，具有重大的社會和經濟效益。