ANSYS流固耦合离心风扇的强度计算

杨 帆,邓春志

(1.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054;2.西门子(中国)有限公司西安分公司，陕西 西安 710000)



ANSYS流固耦合离心风扇的强度计算

杨 帆1,邓春志2

(1.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054;2.西门子(中国)有限公司西安分公司，陕西 西安 710000)

离心风扇是电机上的重要旋转部件，必须具有足够的强度和刚度，才能保证电机持续有效的安全运转。传统的电机设计中，对离心风扇的设计主要考虑其风压和风量的计算，对风扇的强度和刚度一般仅限于理论计算，随着目前单机容量的不断增大，风扇的直径也随之增大，对其强度和刚度提出更高的要求，传统的计算方法已经不能满足其使用要求，有限元法应用于机械结构的强度和刚度设计，对于离心风扇如此重要的旋转部件，除了离心力对其强度和刚度的影响，风扇运行时，叶片承受较高风压，此均布载荷的作用，也会对风扇的强度和刚度产生重要影响，本文基于ANSYS流固耦合的基础上，先后对风扇进行结构、流场分析，采用顺序耦合的方式，对离心风扇进行强度和刚度分析，具体以某变速恒频1.5 MW风力发电发电机组，双馈风力发电机离心风扇为例，对其进行流固耦合设计，并将计算结果作了详细比较。结果表明，流场对离心风扇的强度和刚度有较大影响，该结果将对电机离心风扇强度和刚度设计提供理论依据。

离心风扇；强度；流固耦合；有限元

0 引 言

风扇作为电机转子中重要的旋转部件，其安全性关乎到产品的全生命周期，在进行设计时，不仅仅要考虑其风压风量，更要关注到强度、刚度等每个细节。尤其对于风电这个特殊的行业，在塔筒的狭小空间内，其安装和维护非常不易，若因风扇问题而导致需更换电机，其成本更是毁灭性的。诚然，也存在业主在旺季为了多发电，电机长时超速、超负荷运行的状况，在后续故障原因分析上，业主、整机厂商、零部件供应商等多方关系较复杂，很难去确定具体故障原因，虽然目前采用MATLAB，PLC等控制仿真手段在电机设计中越来越广泛运用[1-4]，但是针对风电的双馈机型，在电机控制上还存在很多待解决的问题，也会造成电机失速[5]，因此，对于前期旋转件，如风扇的设计上，更显得非常重要。

传统的针对离心式风扇设计，主要采用路算的方法，更多的关注是其风压和风量，从而直接影响电机温升和可靠运行，随着单机容量逐渐增大，风扇的结构和大小也越来越复杂，有限元方法在风扇设计中也越来越广泛，但是针对离心式风扇来说，单一的结构分析已不能满足要求，因为在风扇受力分析上，其叶片承受的实际压强较大，传统的方法很难计算准确，从而影响计算结果，在目前1.5 MW双馈电机中，已经出现较多风扇叶片断裂飞出等故障，造成重大经济损失。钟步青[6]通过对电机风扇流体相关性能计算，给出了风扇在电机设计中风压、风量、损耗等计算方法，并未涉及风扇强度计算；李志常[7]等通过ANSYS结构场，计算了离心风扇的强度和刚度，并依据经典的方法进行了比较，但未考虑流体压力的影响；李贤明[8]通过对风扇设计中风压、风量、损耗、以及噪音等因素的设计，给出了一定经验计算公式，对风扇的结构及强度和刚度阐述不多；邬向东等[9]通过对大中型变频调速电动机风扇的设计研究，给出了提高热效率和损耗的一系列经验公式，对风扇的强度和刚度关注较少；宗荣珍等[10]通过对隔爆电机风扇的设计研究，解决了隔爆电机中风扇的散热及特殊工作环境的问题，对关乎风扇的强度和刚度的设计上，也仅仅是给出了一些计算公式；赵文辉等[11]通过材料力学的经典等效计算方法，给出了路算的计算方法，并未考虑流场的影响。因此，基于流固耦合的基础上，先用FLUENT软件计算风扇叶片上的实际风压，然后顺序耦合到结构计算中，从而更可靠的确保风扇的强度和刚度要求。

由于风力发电机机组的高维护成本和高可靠性的特殊要求，必须确保各个部件都能正常有效运转，其中双馈风力发电机，是其中能量转换的重要组成部件，更不能出现重大故障，因此，离心风扇作为电机中重要的旋转部件，其强度和刚度，显得尤为重要。目前有限元分析手段日趋成熟，非常适合于电机中多场耦合的计算，磁场、电场、流场、结构场等都在电机实际运行中相互作用，运用好多场耦合设计，才能使后续产品故障率大幅降低。笔者基于ANSYS流固耦合的基础上，分别对离心风扇进行了强度和刚度分析，并将计算结果作了详细比较。

1 计算模型及参数

文中模型离心式风扇扇叶与前、后盘采用焊接工艺，结构分析中等效为一体结构，风扇轮毂和后盘采用螺栓拧紧，接触关系等效为绑定，因风扇的应力最大值一般位于扇叶连接部位，这种等效模式对风扇的强度和刚度分析影响较小。风扇材料选用Q235A，材料属性见表1.

表1 Q235A材料属性Tab.1 Material properties of Q235A

扇叶厚度为3 mm，扇叶数为20，应用于1.5 MW四极双馈风力发电机，额定转速1 800 RPM(图1).

在网格划分上、结构上采用全六面体网格划分方式，以保证网格质量，因流体计算采用的有限体积法，不注重网格质量，更注重网格数量，在有限的体积中，填入更多的网格(图2)，因此，采用四面体结构，加大网格数量。

图1 风扇结构

图2 网格

2 流固耦合分析与结果

流固耦合问题是流体力学和固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究固体变形在流场作用下的各种行为和固体形变对流场的影响以及这二者相互作用的一门学科[12-13]。文中采用的耦合机理是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调方程来引入的。求解方式上，采用两场交叉迭代，在流场和结构场上分别求解，在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进(图3)。

图3 流固耦合界面

2.1 结构场分析

仅考虑风扇在转速1 800 RPM转速下，其强度和刚度，经过有限元分析，结果如下

图4 结构场变形云图

图5 结构场应力云图

未考虑流场的影响，风扇最大变形为0.119 89 mm，最大应力为69.483 MPa，最不利位置位于叶片根部(图4，5)。

2.2 流场分析

流场分析中，采用专门针对旋转机械的RNG湍流模型来进行流场分析，通过分析，风扇各部位压力云图如图6所示。

图6 风扇压力云图

通过对风扇在高转速下的流场分析，可以看出，作用于风扇的流体压力最大值也位于风扇叶片上，这和实际情况非常吻合。

2.3 耦合场分析

针对2.2分析中的流体壁面压力，根据节点对应原则，传递到风扇结构分析中，考虑转速1 800 RPM，结构的强度和刚度结构如下

图7 耦合场变形云图

图8 耦合场应力云图

从云图可以看出，在耦合场分析中，结构的最不利位于也位于叶片的根部(图7，8)，将其和结构场对比见表2.

表2 结构场和耦合场对比Tab.2 Structure of field VS coupling field

3 结 论

基于ANSYS流固耦合的基础上，分别对离心风扇进行了强度和刚度分析，具体以某变速恒频1.5 MW风力发电发电机组中，双馈风力发电机离心风扇为例，进行对其流固耦合设计，并将计算结果作了详细比较。计算结果表明风扇的最大应力仍发生在叶片根部区域，但是流场使得离心风扇的最大变形和最大应力值增加，提高了风扇的强度和刚度。这一研究结果将对电机离心风扇的设计和使用提供重要的理论依据。

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Strength calculation of the centrifugal fan based onANSYS fluid-structure interaction

YANG Fan1,DENG Chun-zhi2

(1.CollegeofSciences,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.Siemens(China)LTDXi’anBranch,Xi’an710000,China)

The centrifugal fan is an important rotation part on the motor,which must have sufficient strength and rigidity to ensure the safe operation of the motor sustained and effective.With the increasing of capacity and the diameters of the fan,the fan needs higher requirements on its strength and stiffness.The traditional calculation method cannot have satisfied the requirements.Besides centrifugal force the fan blade high wind pressure which plays an important role on strengthe and stiffness of fan when the fan runs.Base on ANSYS fluid-structure interaction,the present paper analysis the centrifugal fan strength and stiffness respectively and made a detailed comparison of the results to prove the improtance of fluid-structure interaction in fan strength as well as stiffness desgin,and take a centrifugal fan of a certain variable speed constant frequency 1.5 MW wind power generator as an example.The results show that the flow field of centrifugal fan has a great influence on the strength and stiffness.This study is helpful for the design f centrifugal fan and for characterization of the strength and stiffness properties of centrifugal fan.

centrifugal fan;strength; fluid-structure interaction; finite element

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0117

1672-9315(2015)01-0100-05

2014-10-10责任编辑:李克永

西安科技大学科研启动项目(A5031221)；西安科技大学培育

基金项目(201346)

杨 帆(1981-)，女，四川资中人，博士，讲师，E-mail:yangfan0832@163.com

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