軸流風葉流固耦合強度分析

黃愉太 唐清生 吳雪良 唐柱才

（佛山市云米電器科技有限公司 順德 528000）

引言

軸流風葉具有低壓大流量等優點，廣泛應用于空調、礦井、冶金、紡織、電站等各個領域。風葉的設計和優化以CFD方法為主，結合實驗進行驗證[1]，設計過程中較少考慮風葉強度及變形對性能的影響。但隨著長期使用，風葉難免產生不可逆的變形，如變形過大也將造成整個風道系統性能的下降，從而影響設備功能。如文獻[2]即為設備運行過程中風葉變形導致高轉速下異常“嗡嗡聲”，最終通過改善流場腔體與風葉葉尖之間的干涉得以解決。

對于空調室外機，軸流風葉主要對換熱器進行散熱，在夏天時空調外機內部溫度將達到60 ℃以上，風葉所運行的環境溫度較高，長期運行下，風葉將極易產生變形。對于風葉變形研究，眾多科研技術人員提出了可行的研究方法，文獻[3]結合流固耦合仿真方法及高速三維成像變形測試法對軸流風葉葉根的彎度進行優化，提高結構的剛度以降低葉片變形量。對空調室外機風道系統，李佳峰[4]采用流固耦合方法并結合試驗驗證做了振動和強度的系統研究，指出該方法可有效提高軸流風扇氣動性能和振動預測。縱覽所查文獻[5-8]以結構形狀優化設計為主，較少考慮風葉材料對變形的作用，本文從材料角度進行流固耦合強度分析，通過對比風葉變形情況，為更合適快捷的選擇空調風葉材料提供工程技術指導。

1 軸流風葉受力仿真分析

1.1 建立流固耦合仿真模型

選用某空調室外機軸流風葉為研究對象，其直徑440 mm，葉高150 mm，通過三維軟件處理風葉模型，去除風葉不必要邊角，修整風葉表面。同時建立包含進風域、出風域及旋轉域的流場模型，如圖1所示。進風域和出風域均為擴口型圓筒，中間通過導風圈連接，進風域長度約為風葉直徑2倍，出風域長度為風葉直徑5倍，旋轉域包裹風葉，流場模型設定為空氣。

圖1 風葉流場模型示意圖

模型采用流固耦合算法，首先將風葉和流場模型分別進行網格劃分，然后使用流體求解器對流場模型做穩態流場計算，結構求解器對風葉進行受力計算，設定風葉轉速為常用的800 rpm。當流場計算達穩定后，將所得的葉片表面壓力數據作為壓力荷載傳遞至結構求解器的風葉表面，在受到表面壓力的作用下，風葉即產生形變，從而可知風葉受力情況。

為研究風葉不同材料變形情況，分別設定其材料為家電常用的PP（原風葉）和GF20 %（即AS+20 %玻釬，優化風葉）兩種材料性能參數如表1。同時為便于數據對比，將風葉沿徑向劃分為四部分，由前緣至尾緣選取30 %和70 %徑向曲線為數據統計點，如圖2所示，與外緣交點為a～d點。

表1 風葉材料性能

圖2 葉片分區示意圖

1.2 流固耦合仿真分析

圖3為風葉表面應力分布，圖4和圖5分別為風葉徑向70 %和30 %截面的應力和軸向位移曲線。從云圖可看出，采用GF20 %材料，風葉的最大應力值為10.75 Mpa，略大于PP料的10.7 MPa，位于前緣靠近輪轂位置，均遠小于材料屈服強度，滿足強度要求。根據曲線可知，葉片靠近輪轂處應力出現峰值，且前緣峰值大于尾緣，GF20 %風葉應力大于PP風葉。

圖3 風葉表面應力分布

圖4 風葉沿徑向截面應力曲線

圖5 風葉沿徑向截面軸向位移曲線

由位移曲線看出風葉前緣為負值，尾緣為正值，說明風葉運行時主要受慣性力作用，使前緣向壓力面扭轉，而尾緣向吸力面扭轉。GF20 %風葉尾緣軸向位移與PP風葉基本相同，可見風葉尾緣雖為主要做功區域，但變形量不大。但GF20 %風葉前緣軸向位移為0.8 mm，而PP風葉為2.9 mm，遠大于GF20 %風葉，這主要是因為尾緣結構較為平整，變形較小，靠前緣位置呈懸臂結構，變形較大，且PP材料較GF20 %材料更軟，在同樣壓力荷載作用下產生更大形變。因此可預見對于長期處于高溫環境運行的空調風葉，選擇GF20 %材料對風葉變形的影響較小。

1.3 風葉模態仿真分析

為研究兩種材料運行過程中是否與電機產生共振，從而造成異音，將GF20 %風葉風葉和PP風葉分別進行模態仿真分析，由于葉片在軸上完全固定，因此對軸孔施加完全約束，提取前6階固有頻率如表2所示。從表中可看出，GF20 %風葉第1階頻率比PP風葉大2.4 Hz，第2～4階大1 Hz，而5～6階小8.3 Hz。對于空調室外機，其風機轉速范圍一般為（700～800）rpm，對于3葉片結構，可算得風葉旋轉頻率范圍為（35～40）Hz，結合優化風葉計算結果，前3階頻率為（27.27～29.46）Hz，后3階頻率為（50.55～58.77）Hz，GF20 %風葉風葉前四階頻率略高于PP風葉，而后兩階低于PP風葉，但兩種風葉固有頻率均與旋轉頻率相差較大，因此不會發生共振。

表2 風葉前6階固有頻率

2 風葉變形實驗測試

為驗證仿真模擬的準確性，將同一型號的風葉分別采用GF20 %和PP材料制作成品，測量葉片初始狀態時a～d點（如圖1）葉片高度，并安裝在兩臺空調室外機上，在環境溫度35 ℃和相對濕度（65±10）%的測試實驗室，將空調室外機同時開啟，風葉轉速按800 rpm長期運行七天，結束后取下風葉，再次測量a～d點葉片高度，將前后數據做差即得其變形量，如表3。從表中看出其70 %與30 %截面的最大變形量與仿真數值基本相當，發展趨勢基本相同，說明仿真結果具有參考意義。此外PP風葉變形量明顯大于GF20 %風葉，對于空調的實際應用中，選擇結構強度更大的GF20 %作為風葉材料更能確保產品在長期運行中保持風葉性能的穩定性。

表3 風葉變形量對比

3 結論

家用空調室外機風葉采用不同材料在長期運行過程中會發生差異顯著的不可逆變形，為減小風葉變形而影響整機換熱性能，宜在結構合理的情況下進一步選擇變形較小的材料。因此本文基于相同風葉結構，首先建立風葉運行狀態的數值仿真模型，并采用流固耦合技術對兩種材料的風葉進行強度驗算和模態分析，結果表明：

1）在正常運行情況下，所對比的兩種材料的應力峰值均小于材料屈服強度，在結構強度方面可滿足安全使用要求。

2）對比風葉常規使用的各轉速段旋轉頻率，兩種材料風葉的固有頻率與之相距較大，不會發生共振，即產生旋轉異音概率較小。

3）結合仿真和長運實驗結果對比風葉兩種材料變形情況，PP材料相比GF20 %材料變形明顯增大，為降低空調的長期運行時風葉變形導致性能減弱風險，宜采用強度較大的GF20 %作為風葉材料。

4）綜合來看，采用流固耦合進行風葉變形計算結果與實驗趨勢基本相同，說明采用該仿真方法預測變形和材料選型具有實際工程指導意義。