新模型系列风机的快速优化设计

龚兴龙 陆伟 陆峰/上海通用风机股份有限公司

新模型系列风机的快速优化设计

龚兴龙 陆伟 陆峰/上海通用风机股份有限公司

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，以及国家对环保节能产品的要求，近年来风机行业协会、各大院校研究所、风机专业制造厂家都在积极研发新型节能高效低噪环保的风机气动模型，并取得了相当的成绩，与此同时，也存在着重理论气动模型的研发，对与工厂制造衔接的产品系列化规划和部件结构工艺设计重视不够，使研发的新模型风机，特别是在工业领域风机，无论在研发进度、研发质量及使用可靠性上，都未真正体现新模型风机气动性能研发价值。笔者在风机行业从业多年，已有多个新模型系列风机产品研发成功，并成为公司主导产品。现对新模型系列风机用电子表格计算（Excel）的快速优化设计方法予以阐述。

1 设计思路

当新模型风机气动性能样机经实测达到设计要求，就需转入到系列优化设计与部件结构工艺设计等具体工作中。系列产品规划设计中要确定风机机号、性能参数流量压力的取值（流量、压力为在最高转速下的取值）与以下各个参数的匹配关系：与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系；与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系；与电机功率安全系数、电机极数匹配关系等。上述系列规划设计完成以后，就可转入结构工作图设计。本文以CF51新模型风机系列规划用电子表格计算为例，进行详细说明。

2 风机机号、性能流量压力的分布取值范围

CF51风机叶轮采用强后向多圆弧板式叶片，叶轮直径800mm时,样机最高效率为79.5％，全压系数为0.512，比转速为27.4。

CF51风机机号叶轮直径尺寸按GB/T 17774-1999工业通风机尺寸标准，取为315，355，400，450，500，560，710，800，900，1000，1120，1250，1400，1600，1800，2000共十六个机号。

CF51性能参数流量压力的取值需经前期市场调研，弥补本公司选型的空白，并对本公司有史以来生产的较多非标定制产品进行统计，初步确定流量压力的取值。对中小型工业风机而言，在全压系数、比转速及风机机号确定的情况下确定性能参数，一般指最高转速确定后的最高压力取值。

CF51机号500风机叶轮直径0.5m，出口面积0.027 86m2，密度1.2kg/m3，原始参数转速2 900 r/min，设计参数最高转速4 200r/min。其它参数见表1。

CF51机号800风机叶轮直径0.8m，出口面积0.070 3m2，密度1.2kg/m3，原始转速1 450r/min初定设计最高转速为2 900r/min，最高全压为10 447Pa，见表2。

CF51机号1250风机叶轮直径1.25m，密度1.2kg/m3，出口面积0.171 64m2，原始设计转速1 450r/min，初定设计最高转速为1 860r/min，最高全压为10 700Pa，其它参数见表3。

表1 CF51 500风机性能变换计算表

表2 CF51 800风机性能变换计算表

CF51机号2000风机叶轮直径2m，密度1.2kg/m3，出口面积0.439 39m2，原始设计转速960r/min初定设计最高转速为1 090r/min，最高全压为9 789Pa，见表4。

表1～表4中用电子表格计算方式，原始参数为CF51样机测试值，改变设计参数值中的机号/叶轮直径D1、风机转速n1、进气介质密度ρ1，即可进行风机性能的变换计算。

表3 CF51 1250风机性能变换计算表

表4 CF51 2000风机性能变换计算表

3 风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命

当初步的性能参数流量压力的取值和最高转速确定以后，需进行转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命等的计算[1-4]。CF51风机均按C式三角带传动进行配置计算，对其中CF51机号500，800，1250，2000风机的转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命初定设计配置计算见图1和表5。

风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命[1-2]电子表格计算方式见表6，以CF51机号800风机为例。CF51机号800风机初定设计最高转速为2 900r/min，计算结果如下。

主轴强度：RB处最大复合应力σ＜[σ-1]w，主轴（一般碳素钢）许用弯曲应力20.38MPa＜ 40～65MPa，主轴强度满足安全要求。

图1 CF51 C式离心通风机转子组计算用图

主轴临界转速：主轴计算临界转速nc= 5 745r/min，800风机初定设计最高转速n=2 900 r/min，计算的安全系数nc/n=5 745/2 900=1.98，nc＆gt;1.3n主轴临界转速满足安全要求。

以nc＆gt;1.3n为安全系数反算，主轴最大可运行转速n≈4 419r/min。

轴承寿命：CF51机号800风机最高全压10 447Pa，必须考虑轴向力Fa对轴承寿命的影响，以RA或RB取较大受力支点计算（非相同型号轴承需都算一下），计算的轴承寿命为107 160h≈12.23年，满足寿命要求。

表5 CF51离心通风机转子组计算结果表

表6 CF51 800C转子组主轴的强度、临界转速、轴承寿命计算表

注意序号8带轮直径D尺寸对主轴RA或RB的受力及轴承寿命影响，需反复核算。

在轴承寿命计算时，必须计入离心通风机的轴向推力[4]。单吸入风机在运转过程中产生的轴向推力对轴承寿命影响，如采用深沟球轴承计算寿命通不过时，可采用球面滚子、角接触球等不同类型轴承反复核算，达到100 000h以上寿命为妥，采用不同类型轴承时，需注意轴承极限转速对风机最高允许运行转速的限制。

表6的电子表格计算方式，可通过改变设计原始参数值中序号1～12风机叶轮重量、风机转速、轴承箱主轴、功率、带轮直径等设计参数值，即可进行风机转子组的变换计算。

4 与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系

CF51风机比转速为27.4，属中低比转速风机，叶轮叶片出口宽度较窄。一般工厂内部都有规格化的轴盘尺寸系列。按以上方法初定好转子组规格，其主轴直径、轴承型号、对应轴盘外径及轴盘内孔基本确定。为防止叶轮轴盘搭子对叶片进口流道堵塞，需对叶轮轮盖进口与轴盘搭子的截面积之比进行校核，见表7。

表7 叶轮轮盖进口与轴盘搭子的圆环截面积之比计算表

表7中的A值，文献[5-6]给出了设计理论参数，考虑满足系列规划设计及轴盘“三化”要求，笔者认为A和B，满足或接近模型样机系数值，且尽量保证轴盘搭子与进气气流流通面为弧形圆滑过渡，是可以满足相似设计条件的。

5 与电机功率安全系数、极数匹配关系

表8 电机安全系数、轴功率计算表

表8中的允许最大轴功率值，与表1～表4中用电子表格计算，改变设计参数值中的机号/叶轮直径D1、风机转速n1、进气介质密度ρ1得出的N1内功率相匹配校核，在保证电机安全系数的情况下，得到最大的性能参数流量压力值，并最终确定电机规格。

续表

6 结论

近些年，我公司在新模型风机气动性能研发、样机测试完成以后，通过不断总结在开发系列产品优化与部件结构工艺设计等具体问题[5-6]，逐步摸索出采用电子表格计算的方法，掌握了一套快速准确完成系列产品优化的实用方法。该方法对离心风机、轴流风机、空调风机、工业风机、单进风风机和双进风风机均适用。建议如下。

1）为满足系列化、标准化、通用化的“三化”要求，建议有实力的风机厂在新模型风机研发前期准备时，应考虑对转子组传动箱、轴盘等工厂内部基础标准件进行整理完善，来满足与研发风机全系列机号的合理匹配，为转入结构工作图设计带来方便。

2）本文的CF51新模型风机系列优化规划的快速设计，所有的表格内容数据均为计算最终稿，实际需运用电子表格进行风机转速、风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命、叶轮轴盘尺寸、电机功率匹配等参数的联动变换计算，并熟悉掌握其变化规律，提高计算准确度与工作效率。

3）采用上述CF51新模型风机系列优化规划的快速设计方法，同样也适用于结构工作图设计，将另文论述。

[1]周开勤，唐蓉城，杨景惠.机械设计师实用手册[M].天津科学出版社，2008.

[2]陈瀚.通风机强度与振动[M].西安交通大学风机专业教材，2001.

[3]滚动轴承综合样本[M].日本精工株式会社，1992.

[4]刘义福，王文邦，富敏谦.离心通风机的轴向推力[J].风机技术，1993（6）：12-15.

[5]吴玉林，陈庆光，刘树红.通风机和压缩机[M].清华大学出版社，2005.

[6]李锐，许敏，陈雷.通用离心风机参数化设计系统的开发[J].风机技术，2014(1)：43-46，50.

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介绍了新模型系列风机的快速优化设计计算方法，为简化设计计算及方便实践应用，采用了电子表格（Excel）进行风机机号、性能参数流量压力的取值来确定匹配关系：与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系；与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系；与电机功率安全系数、电机极数匹配关系的应用计算。并以CF51新模型系列风机采用电子表格设计计算方法为例，进行详细说明。

新模型风机；性能转速；转子组主轴强度；临界转速；轴承寿命；轴盘；电机功率；电机级数

Rapid Optimization Design for New Series Fans in New Model

Gong Xinglong,Lu Wei,Lu Feng/Shanghai General Fan Co.,Ltd.

fan in new model;performance revolving speed;spindle intensity of fan rotor set;critical revolving speed;life-span of bearings;shaft disc;motor power;motor series

TH432；TK05

A

1006-8155（2015）02-0048-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.027

2014-02-25上海201400

Abstract:This paper introduces calculation methods for the rapid optimization design of the series fan in new model,and applies the Excel to take the value of the device number of fan and the flowing pressure of performance parameter for the purpose of simplifying design calculations and facilitating the practical applications, which means the determination of matching relation including the matching relation with the spindle intensity of fan rotor set, critical speed and the life-span of bearings,the matching relation with the size of fan impeller disc,and the matching relation with the security coefficient of motor power and motor series.In order to explain in detail,this paper exemplifies the CF51 series fan in new model that uses the spreadsheet for the design calculation.