不同形式離心式風扇有限元分析

(國家防爆電機工程技術中心，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

在電機設計中，采用空氣表面冷卻的電機，結構簡單、制造及運行成本低，所以在中小型電機中應用廣泛。空氣冷卻電機根據空氣流動方向的不同，一般分為徑向、軸向及混合三種通風系統，其中徑向通風系統由于各結構部分在電機內布置較合理，而且能充分利用轉子上通風道隔片的鼓風作用，應用較為普遍。而徑向通風系統一般采用離心式風扇。

1 不同型式離心風扇有限元分析

1.1 模型的建立

為了對離心風扇在風路中的出風情況進行研究，通過Solidworks繪制了仿真模型，建立風扇模型如圖1所示。

圖1風扇模型

Solidworks給出的是實體模型，本課題研究的是電機風扇周圍的空氣域，故需要采用逆向建模的方法，得到流場進行數值模擬，數值模擬的空氣域劃分為兩部分：旋轉空氣域(圖2)和靜止空氣域(圖3)。

(1)旋轉空氣域

為研究風扇周圍的旋轉空氣情況，我們在風扇周圍建立了一個圓柱體的空氣域，圖2所示區域主要為風扇周邊和風扇所包圍的空氣域。

(2)靜止空氣域

選取的靜止空氣域為旋轉空氣域周邊，假設空氣是靜止的區域，其目的主要是為了研究旋轉域周邊的出風和進風情況，給旋轉空氣域提供一個合理的邊界條件，如圖3所示。

圖2旋轉空氣域

圖3靜止空氣域

1.2 網格劃分

網格是數值計算的基本單元，網格劃分的好壞直接影響數值計算的結果。該課題網格劃分采用ICEM，根據不同流體區域采用不同的網格劃分尺度，每個流體區域的網格劃分如下所示。

(1)旋轉空氣域網格

采用Automatic網格劃分方法，限制體積單元的element size為0.010m。旋轉空氣域網格數量約為56萬，網格如圖4所示。

圖4旋轉空氣域網格

(2)靜止空氣域網格

靜止空氣域網格數量約為819萬，限制體積單元的element size為0.020m，也采用Automatic網格劃分方法，網格如圖5所示。

圖5靜止空氣域網格

(3)整個空氣域網格

整個空氣域網格數量為875萬，限制 Max Size為0.025m,網格如圖6所示。

圖6整個空氣域網格

1.3 基本假設和邊界條件設置

1.3.1 基本假設

(1)由于電機中流體的雷諾數很大(Re>2300)，流體屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內流體場求解；

(2)忽略浮力和重力對電機內流體場的影響；

(3)由于只研究電機內流體流速的穩定狀態，因而方程不含有時間項。

1.3.2 邊界條件設置

(1)靜止空氣域和旋轉空氣域之間的交界面，均采用交界面邊界條件；

(2)旋轉空氣域的轉速設為1485r/min;

(3)風扇外表面均采用無滑移光滑壁面；

(4)靜止空氣域圓柱形外壁面設為開放邊界條件。

1.4 離心式風扇流場CFX分析結果

根據葉片出口角度的不同,離心風扇可分為:前傾風扇、后傾風扇和徑向風扇，如圖7所示，旋轉方向為逆時針旋轉，本文對這三種離心風扇進行了對比分析。

圖7離心式風扇結構形式

1.5 風壓對比

如圖7所示，無論是哪種形式的風扇，均是正面風壓比較大，背面壓差比較小。相比前傾和徑向式風扇，后傾式離心風扇的壓力分布較均勻，變化梯度小，形狀較規則，說明其能量損耗較小。圖8給出了不同標尺下的風壓圖。

圖8離心式風扇風壓圖(左：前傾，中：后傾，右：徑向)

從圖8中可以觀察到，氣動壓力最大的是前傾風扇，約為158.7Pa,最小的是后傾，約為95Pa，徑向風扇在兩者之間。但前傾式風扇的壓力分布最不均勻，形狀也不規則，徑向風扇次之。

1.6 流線對比

流線圖可以明顯的觀察流動的渦流情況，展示三種形式離心風扇的流體在風路中的流動情況如圖9所示。從圖中可以看到，流速最高，幾乎看不見渦流現象的是后傾式風扇。前傾式風扇的渦流現象最嚴重，且流速最低。徑向式風扇有局部渦流，且流速居中。從能量損耗方面考慮，后傾式風扇的效率最高。

圖9離心式風扇流線圖(左：前傾，中：后傾，右：徑向)

2 結語

離心風扇具有風壓高、風量小、效率低的特點，一般適用于低速電機。本部分對不同葉片出口角度的離心風扇在風路中的情況進行了模擬分析。結果總結如下：后傾式離心風扇扇葉間的渦流較小，損耗較小，風扇效率高，是大部分單向旋轉中高速電機的首選。前傾式離心風扇渦流較大，風扇效率低，但氣動壓力最大，一般適用于低速單向旋轉電機。徑向式離心風扇渦流居中，風扇效率也低，但其具有雙向旋轉的特點，所以適用工況的能力強，應用范圍較廣。