轴流风机模块化设计的若干技术研究

轴流风机整体铸造加工精度低,易产生缺陷。本文基于模块化思想,将轴流风机叶轮根据功能不同分为叶片和轮毂两个模块,并将叶片作为通用模块,利用原准叶片设计不同尺寸系列的模块化轴流风机。本文针对轴流风机模块化设计中轮毂比、原准叶片安装角确定和原准叶片设计压力选择进行了研究。

本文首先对改进的变环量设计进行了介绍,利用改进的变环量设计方法在不同设计参数和结构参数条件下,进行了风机设计,并对所设计风机进行了气动性能模拟和对比。通过性能对比可知,利用改进的变环量设计方法设计的风机,压力和效率呈现反相关关系,所以在模块化设计高压头轴流风机时需牺牲一部分风机效率。在模块化设计风机过程中,原准叶片需在不同轮毂比的风机中工作,经过模拟发现,当轮毂比过大时,风机的效率会下降,所以设计原准风机时需要在兼顾风机结构和气动性能时选择尽可能小的轮毂比。

在原准叶片与轮毂匹配组成特定尺寸的模块化风机时,需要确定原准叶片的安装角,本文提出了基于几何寻优方法。另外,本文对原准风机设计压力的选择进行了研究,分别选择低压和中压作为设计压力,两者800mm风机的性能相近,但是在大尺寸风机中,中设计压力组成的风机性能更优。最终,在所设计原准叶片的基础上,本文给出了模块化风机的性能谱图。

关键词:轴流风机,数值计算,模块化设计,改进的变环量设计

Abstract

The precision of manufacturing is low when the whole impeller of axial fan is cast and

this method is also easy to produce flaws.According to different functions,this

dissertation divides the axial fan into two parts:the blade and the hub,and makes the

blade as the general module,using the standard blade to design axial fan.And I do some

reaches on the hub ratio,the determination of the standard blade angle and the design

pressure of the standard blade.

At first,this dissertation introduces the improved variable circulation designing method,

Using this method,I design some axial fans basing on different design parameters and

structure parameters and then simulate the performances of these axial fans.By

comparison,we find that there is an inverse correlation between pressure and efficiency

of axial fan.Therefore we have to make some sacrifice on the fan efficiency when we

design axial fan with high pressure.During the modular design of fan,the standard has

to work in axial fans with different hub ratios.And we find that the fan efficiency gets

low when the hub ratio is oversize.Therefore,considering the fan structure and

aerodynamic performance,we should choose the small hub ratio.

We need determine the blade angle when the standard blade matches the hub.We

propose a method to determine blade angle using geometry optimization.In

addition,this dissertation does some researches on the design pressure of the standard

fan and selects low pressure and medium pressure as the design pressure to design

blades.Two blades have close performances in the fan with the diameter of 800mm,but

the medium-pressure blade has better performance in the larger size fan.Finally,we get

the performance spectrum of the modular fans basing the standard blade we design.

Keywords:Axial flow fan,Numerical simulation,Modular design,Improved variable

circulation design

第1章绪论

1.1研究背景及意义

近些年来中国的风机制造行业呈现快速发展的趋势,无论在数量还是品种上都有了很大的突破。我国风机制造业迅速的成长可以在总产值上体现出来,下表给出了近几年中国风机、风扇制造行业实现的累计工业总产值[1][2][3】:轴流风机叶轮主要由轮毂和叶片组成>一般通过整体铸造生产。铸造过程中所釆用的模样对铸造产品的质量影响很大[4]。现在广泛使用的模样主要有金属模样和木模。木模的优点有:质量轻,价格低廉,容易加工,制作周期短等但木模尺寸精度差,因木模本身强度的原因,会使得在烧筑过程中变形量较大,影响成型后的质量,且木模寿命比较短,容易损坏。金属模具采用铸件的毛述加工制作而成,其表面的粗糙度和尺寸精度能够得到严格的控制。金属模具一般适用于零件表面要求高或者大批量生产的场合。对于已经设计成型的产品,可以采用金属模具,重复使用,进而在保证镇件质量的前提下减少反复制模的麻烦就价格而言,对于直径为800mm的叶轮,国内木模的价格约为1万元人民币,

金属模具的价格为5~8万元。许多厂商在风机的设计和研发过程中倾向于选用木模。但是,除了木模本身烧筑过程中变形量大外,在叶轮整体铸造过程中,轮毂和叶片连接处厚薄不均匀,会导致金属收缩得不均匀,进而会影响叶轮铸件的质量,甚至造成铸造的热裂缺陷,导致产品质量的不合格。另外,风机的叶片是其主要做功部件,而轮毂对轴流风机的性能影响相对较小,当轮穀和汁片整体铸造时,由于结构相对复杂,会导致整体铸造的质量水平降低,进而影响叶轮叶片的加工精度。

模块化设计方法是指根据功能和作用的不同,将产品划分为一系列不同的模块,将各个模块分开设计和加工[9】[1Q】[11】,然后通过选择各个模块进行组合,构成不同的产品,从而满足市场上不同需求的设计方法【12】【13][14】。叶片是风机做功的主要部件,一般呈三维扭曲状,叶片翼型形状对轴流风机的气动性能影响很大,在加工时要求加工精度高。轮穀主要起连接和传动的作用,其加工精度可以降低。基于模块化设计思想,本文将风机叶轮根据作用和加工要求不同分成两个模块:叶片和轮穀,将叶片作为通用模块,模块化设计轴流风机。通过将轴流风机模块化方法设计,不仅可以减少风机制造厂商加工模具的成本,还可以使叶片和轮毂分开铸造,从而完全避免热裂现象,提高叶片模具的加工精度,进而提髙风机产品的加工质量。