應(yīng)用正交試驗法冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

王水生，于國慶，武慧芳

（1.河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000；2.河北科技大學(xué)信息學(xué)院，河北 石家莊 050018）

1 引言

電動輪自卸車輪邊驅(qū)動電機(jī)包裹在驅(qū)動橋殼內(nèi)，致使其散熱十分困難，過熱是影響電機(jī)安全的主要因素，并且威脅電機(jī)的使用壽命。因而，設(shè)計專門的冷卻風(fēng)道進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，是目前冷卻系統(tǒng)最重要的布置形式，冷卻風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)劣對冷卻系統(tǒng)的效果有直接的影響[1]。由于自卸車的空間狹小，對冷卻風(fēng)機(jī)的大小有嚴(yán)格限制，同時又要求其提供足夠的冷卻風(fēng)量和滿足功率較小的功耗要求，因此需要針對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨設(shè)計。

國內(nèi)的外學(xué)者對電機(jī)冷卻進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]依據(jù)空氣動力學(xué)基本原理和冷卻空氣在電機(jī)中實際的流動情況對風(fēng)冷電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[3]對電機(jī)在通風(fēng)冷卻過程中所產(chǎn)生的通風(fēng)阻力及在多回路情況下非線性風(fēng)路的網(wǎng)絡(luò)求解方法等進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[4]利用電機(jī)兩端的冷卻裝置使電機(jī)內(nèi)的熱空氣在其冷卻器中循環(huán)而達(dá)到冷卻目的，冷卻器的本身則利用電機(jī)外部流通的冷風(fēng)進(jìn)行冷卻；文獻(xiàn)[5]采用具有雙璧結(jié)構(gòu)的機(jī)座為電機(jī)進(jìn)行冷卻，此結(jié)構(gòu)利用機(jī)座夾層中流通的冷卻液體吸收電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量來完成對三相交流電機(jī)的冷卻。

根據(jù)電動輪自卸車的結(jié)構(gòu)特點及對風(fēng)機(jī)葉輪速度分布的控制準(zhǔn)則，對風(fēng)機(jī)的葉輪的安裝角、葉片數(shù)、內(nèi)外徑之比等因素進(jìn)行設(shè)計計算，基于CFD 分析單一因素的影響；采用正交試驗法對參數(shù)之間的相關(guān)影響進(jìn)行優(yōu)化分析；為風(fēng)機(jī)的設(shè)計提供參考指導(dǎo)，獲得最優(yōu)設(shè)計，并通過試驗測試對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證。

2 電動自卸車輪邊電機(jī)冷卻系統(tǒng)

2.1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動輪自卸車輪邊電機(jī)冷卻系統(tǒng)，如圖1 所示。設(shè)計專門的通風(fēng)通道，利用主發(fā)電機(jī)驅(qū)動離心式風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻[6]。

圖1 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ventilation Cooling System Structure

2.2 風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)

所采用的風(fēng)機(jī)一般為離心式風(fēng)機(jī)，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則所得數(shù)據(jù)[7]，模型，如圖2 所示。

圖2 冷卻風(fēng)機(jī)模型Fig.2 Cooling Fan Model

風(fēng)機(jī)設(shè)計時，需要重點設(shè)計以下參數(shù)：

2.2.1 確風(fēng)機(jī)全壓

在一般的工程設(shè)計計算中，根據(jù)流體接觸的邊壁面沿程是否變化，把能量損失分為兩種[8]：沿程損失hf和局部損失hm。則空氣在風(fēng)道中的損失為沿程壓強(qiáng)損失pf和局部壓強(qiáng)損失pm。計算公式如下：

式中：l—管長；d—管徑；λ—沿程阻力系數(shù)；ξ—局部阻力系數(shù)。

2.2.2 比轉(zhuǎn)速

是通風(fēng)機(jī)的一個非常重要的參數(shù)，是作為通風(fēng)機(jī)的分類、系列化和相似設(shè)計的依據(jù)。對任何一個風(fēng)機(jī)，當(dāng)工況變化時，流量和壓力都在變化，因此，每一個工況點都可以計算出一個比轉(zhuǎn)速，即一臺風(fēng)機(jī)有很多個比轉(zhuǎn)速[9]。但是為了便于比較，通常規(guī)定風(fēng)機(jī)最高效率點的比轉(zhuǎn)速作為該風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速，寫作：

2.2.3 前彎葉片出口安裝角β2A

由于實際壓力是預(yù)先給定的，此時需要選擇全壓系數(shù)來確定外沿圓周速度。對于同樣的出口角，不同的葉輪類型的全壓系數(shù)是不同的，有時甚至相差甚大。根據(jù)經(jīng)驗，對多種離心風(fēng)機(jī)的具體模型進(jìn)行回歸篩選，得出估算全壓系數(shù)公式：

2.2.4 估算葉輪外沿速度

2.2.5 葉道內(nèi)的流力損失

主要發(fā)生在流道內(nèi)，而葉道損失的大小，主要與葉片入口后的平均相對速度的平方成正比，根據(jù)此原則來決定葉輪入口的直徑大小。實際應(yīng)用中，也輪中還有其它的損失，如氣流在也輪入口由于分離而產(chǎn)生的損失；氣流轉(zhuǎn)彎的損失等。由流量方程確定D0：

2.2.6 入口寬度

空氣進(jìn)入葉輪之前，必須由進(jìn)風(fēng)口的軸向轉(zhuǎn)一個直角，但是在通風(fēng)機(jī)中由于空間限制，前盤內(nèi)壁的曲率半徑不是總能滿足要求，為了造價便宜，甚至省去了進(jìn)口處的圓角。所以在通風(fēng)機(jī)中這種突然的方向變化導(dǎo)致了氣流分離現(xiàn)象。這種氣流分離不僅使轉(zhuǎn)彎是產(chǎn)生損失，更間接影響了葉輪的功能。必須防止氣流在轉(zhuǎn)彎時的分離。最有效的方法是是主氣流加速，因此，葉輪的進(jìn)口面積應(yīng)小于進(jìn)風(fēng)口面積，確定入口寬度由公式：

2.2.7 葉片數(shù)目

在離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計中，增加葉輪的葉片數(shù)目可提高葉輪的理論壓力，但卻相應(yīng)增加葉輪通道的摩擦損失，這種損失將降低風(fēng)機(jī)的實際壓力而且增加效率，因此，對每一種葉輪存在一個最佳的葉片數(shù)目[10]。但是離心葉輪的最佳葉片數(shù)還只能由試驗來正確地選擇。根據(jù)設(shè)計者經(jīng)驗和我國目前的應(yīng)用情況，選擇葉片數(shù)目Z 公式：

3 葉片參數(shù)對風(fēng)扇氣動性能影響

冷卻風(fēng)扇的外直徑是確定的，同時蝸殼大小也是固定不變的。在應(yīng)用中風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速為3000r/min 的同軸電機(jī)帶動，因此所有的模擬采用該轉(zhuǎn)速為統(tǒng)一條件。

3.1 安裝角

選擇四種不同葉片安裝角的風(fēng)機(jī)，建立模型，如圖3 所示。

圖3 不同安裝角葉片模型Fig.3 Different Mounting Angle Blade Models

根據(jù)上述分析，得出安裝角度與流量和功率值的關(guān)系，如圖4 所示。由圖可知，安裝角影響十分明顯，當(dāng)其增加時，流量和消耗功率的數(shù)值發(fā)生了很大的變化。不同的安裝角度對風(fēng)扇氣動性能的影響十分明顯。當(dāng)其達(dá)到145°之后，則不再發(fā)生明顯變化，風(fēng)機(jī)性能未發(fā)生較大提升。

圖4 安裝角與流量和功率關(guān)系Fig.4 Mounting Angle vs.Flow and Power

3.2 葉片數(shù)目

由于設(shè)計風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目為12 片，因此在該基礎(chǔ)上減少或增加葉片數(shù)，并將葉片均布在中間輪轂上，則得到10 片、14 片、16片的另外3 中工況。風(fēng)機(jī)的造型，如圖5 所示。

圖5 不同葉片數(shù)模型Fig.5 Different Leaf Number Models

根據(jù)分析結(jié)果，得出葉片數(shù)目與流量、功率的關(guān)系曲線，如圖6 所示。

圖6 葉片數(shù)與流量和功率關(guān)系Fig.6 Relationship between Blade Number and Flow and Power

由圖可知，葉片數(shù)目小于12 時，隨著數(shù)量增加，流量和功率具有較大程度提升，而大于12 時，幾乎不再發(fā)生變化，從理論上來說，在一定的范圍內(nèi)，葉片數(shù)和風(fēng)機(jī)的流量與功率呈近似正比的關(guān)系，即增加葉輪的葉片數(shù)則可提高葉輪的理論壓力，因為他可以減少相對渦流的影響。因此如果葉片數(shù)太少，旋轉(zhuǎn)時不能產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，吸入足夠的冷卻風(fēng)量難以達(dá)到冷卻風(fēng)量的要求；但是如果葉片數(shù)過多，將增加葉輪通道的摩擦損失，這種損失將降低風(fēng)機(jī)的實際壓力而且增加能耗；從生產(chǎn)的角度講提高又了工作量。由此可以推斷出，針對該款風(fēng)扇來說，12 片為該款風(fēng)機(jī)的最佳葉片數(shù)目。

3.3 葉片厚度

理論設(shè)計的葉片厚度是按照傳統(tǒng)經(jīng)驗選用5mm 圓弧板，增加和減少風(fēng)扇厚度得到3mm、7mm、9mm，轉(zhuǎn)速為3000r/min。

根據(jù)分析結(jié)果，獲得葉片厚度與流量和功率的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 葉片厚度與流量和功率的關(guān)系Fig.7 Relationship between Blade Thickness and Flow and Power

由圖可知，厚度增加，使得流量和功率均減小。由此可以看出，厚度的增加會導(dǎo)致流量的減小，相應(yīng)的功率也有明顯變化。因此葉片厚度也是設(shè)計風(fēng)扇是一個很重要的參數(shù)。金屬和塑料是兩種重要的應(yīng)用材質(zhì)，對于流量相當(dāng)?shù)膬煽铒L(fēng)扇來說，金屬風(fēng)扇的葉片數(shù)要少于塑料風(fēng)扇，并且金屬風(fēng)扇的功率也要比塑料風(fēng)扇小。因此，金屬風(fēng)扇就具有較高的效率。兩者最根本的區(qū)別在于金屬葉片的厚度要小于塑料葉片。因為塑料葉片要保證其強(qiáng)度要求，一般情況下其厚度為金屬葉片的2 倍以上。由此可知，這里選取3mm 的金屬葉片厚度。

3.4 內(nèi)外徑之比

設(shè)計風(fēng)扇選用直徑為350mm 的內(nèi)徑，500mm 的外徑，內(nèi)外徑之比為0.7。為了滿足風(fēng)機(jī)在車架結(jié)構(gòu)中的空間要求，風(fēng)扇外徑規(guī)定為500mm。對內(nèi)外徑之比與風(fēng)扇性能指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行分析時，依然保持其他因素不變，只改變內(nèi)外徑之比的大小。以理論設(shè)計的風(fēng)扇為基礎(chǔ)模型，依次減小內(nèi)外徑之比得到0.65、0.6、0.55的另外三種風(fēng)扇作為模擬工況，模型，如圖8 所示。

圖8 不同內(nèi)外徑之比模型Fig.8 Ratio Models of Different Inner and Outer Diameters

圖9 內(nèi)外徑之比與流量和功率關(guān)系Fig.9 Ratio of Inner Diameter to Outer Diameter Versus Flow and Power

根據(jù)以上分析，獲得不同內(nèi)徑比值與流量和功率的關(guān)系，如圖9 所示。

由圖可知，在一定范圍內(nèi)，內(nèi)徑比的增加，流量和功率都變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定比值，則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；內(nèi)徑比的取值過小時，既增加了生產(chǎn)成本，又使得葉片容易發(fā)生顫動，不利于保持葉片的強(qiáng)度，也會對氣流在葉輪在流道內(nèi)的流動產(chǎn)生不可預(yù)測的影響。當(dāng)內(nèi)徑比過大時，流量和功率不能滿足需求，因此，需要不同的風(fēng)機(jī)進(jìn)行專門設(shè)計。

3.5 葉輪軸向高

設(shè)計時葉輪入口處按照90°彎管中流動相似設(shè)計的，利用主氣流加速的方法防止邊界層分離。葉輪軸向高不嚴(yán)格按照葉輪進(jìn)口面積小于進(jìn)風(fēng)口面積的要求，設(shè)計時葉輪軸向高為160mm，增加或減少軸向高得到140mm，150mm，170mm 的另外三種葉輪來模擬，如圖10 所示。

圖10 不同軸向高模型Fig.10 Different Axial Height Models

通過模擬不同軸向高度，得到軸向高對流量和功率關(guān)系，如圖11 所示。

圖11 軸向高與流量和功率的關(guān)系Fig.11 Relationship Between Axial Height and Flow and Power

由圖可知，當(dāng)高度從140mm 增加到170mm，流量增加11.6%，軸功率增加25.0%，功率和流量都會隨著軸向高度的增加而增大，而功率增加的更加明顯。但是由于最終優(yōu)化結(jié)果希望流量盡量大而不希望功率太大增加能量消耗，需要綜合分析整體性能。軸向高度的確定還要同時考慮到蝸殼厚度的影響和風(fēng)機(jī)空間的限制。

3.6 正交試驗優(yōu)化設(shè)計

以自行設(shè)計的外徑500mm、葉片數(shù)為12，內(nèi)外徑比為0.7的風(fēng)扇為參考，在此風(fēng)扇的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。所設(shè)計的冷卻風(fēng)機(jī)要求在外徑500mm 的空間限制下，風(fēng)量達(dá)到4m3/s，同時要求功率消耗盡量小。由于理論設(shè)計階段的外徑已經(jīng)滿足要求，優(yōu)化過程對其進(jìn)行改動。所以，選取的評價指標(biāo)為：流量和軸功率。原設(shè)計風(fēng)量為3.64m3/s，功率消耗為28.27kW。

所設(shè)計的離心風(fēng)機(jī)主要有如下參數(shù)：葉片外徑、葉片內(nèi)外徑之比、葉片安裝角、葉片厚度、葉片軸向高，葉片數(shù)等。這些參數(shù)構(gòu)成了風(fēng)扇葉片的主要形狀。

由于設(shè)計風(fēng)機(jī)直徑受布置空間的限制，外徑允許的最大值為500mm；離心風(fēng)機(jī)由同軸電動機(jī)帶動，因此轉(zhuǎn)速保持為3000r/min；厚度越小越有利于提高風(fēng)扇的氣動性能，同時考慮到葉片強(qiáng)度的要求，這里選取厚度3mm 的圓弧葉片；在一定范圍內(nèi)的軸向高度越高，流量越大，但功率也會隨著軸向高的增大而增大，因此選用初始設(shè)計的160mm 作為模型的固定參數(shù)。

綜合考慮，選用葉片安裝角、葉片內(nèi)外徑之比、軸向高度、葉片數(shù)目四個主要參數(shù)作為試驗因子。正交表的設(shè)計選用3 個因子，取三水平。不考慮因子之間的交互作用，依照正交試驗的設(shè)計原理，進(jìn)行9 組試驗。基于CFD 模擬仿真分析結(jié)果，得到的各組試驗的參考指標(biāo)流量和功率的數(shù)值，設(shè)計正交試驗表及分析結(jié)果，如表1 所示。

表1 葉片參數(shù)正交試驗設(shè)計模擬結(jié)果Tab.1 Simulation Results of Blade Parameters Orthogonal Test Design

由分析結(jié)果可知，第六個模型流量為4.36m3/s，消耗的功率為34.2kW，比原始設(shè)計模型流量增加了19.8%，而功率只增加了16.3%。可以看出風(fēng)扇的氣動性能有了明顯的改善，在消耗較少功率的情況下獲得了較明顯的流量提升。

4 試驗分析

目前，關(guān)于冷卻風(fēng)扇的研究主要分為試驗研究和數(shù)值模擬兩種方法，用于試驗的風(fēng)洞設(shè)備，如圖12 所示。

圖12 風(fēng)洞實驗設(shè)備示意圖Fig.12 Wind Tunnel Experimental Equipment

對原設(shè)計方案和優(yōu)化后方案分別進(jìn)行仿真模擬和風(fēng)洞試驗，達(dá)到設(shè)計轉(zhuǎn)速，獲得功率消耗和流量，如表2 所示。由表可知，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min 時，優(yōu)化后的風(fēng)量達(dá)到4.32m3時，消耗能量達(dá)到34.9kW，仿真值為4.36m3和34.2kW，二者誤差控制在3%以內(nèi)，試驗結(jié)果略高于仿真結(jié)果，主要由于仿真中忽機(jī)械損耗等因素的影響，表明優(yōu)化設(shè)計分析的準(zhǔn)確性。

表2 試驗和仿真結(jié)果對比分析Tab.2 Comparison of Test and Simulation Results

5 結(jié)論

對影響冷卻風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行分析，基于CFD 仿真分析和正交試驗相結(jié)合的方法，分別對單因素影響和多因素綜合影響進(jìn)行分析，對風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并采用試驗進(jìn)行驗證，結(jié)果可知：（1）葉片安裝角、內(nèi)外徑之比、葉片數(shù)是影響風(fēng)機(jī)氣動性能的重要參數(shù)；（2）第六個模型流量為4.36m3/s，消耗的功率為34.2kW，比原始設(shè)計模型流量增加了19.8%，而功率只增加了16.3%。可以看出風(fēng)扇的氣動性能有了明顯的改善，在消耗較少功率的情況下獲得了較明顯的流量提升；（3）風(fēng)洞試驗表明了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的可靠性，對優(yōu)化模型的試驗結(jié)果也說明風(fēng)機(jī)的性能有了明顯的提升，對風(fēng)機(jī)的整體優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。