轴流风机叶片轻量化及耐磨性研究∗

常 超 王贤震 王 枭 王 弼 饶 杰 朱晓农

（1.合肥通用机械研究院；2.安徽安风风机有限公司）

轴流风机叶片轻量化及耐磨性研究∗

常 超1王贤震2王 枭1王 弼1饶 杰1朱晓农1

（1.合肥通用机械研究院；2.安徽安风风机有限公司）

轴流风机叶片作为风机最重要的部件，其轻量化和耐磨性也逐渐成为重要的研究方向。本文根据某项目轴流风机的设计要求，重点从选材、成型工艺、强度计算等方面对轴流风机叶片的轻量化和耐磨性综合地进行了研究。研究结果表明：采用铝合金或碳纤维复合材料，通过一定的工艺制备的叶片可以达到轻量化和耐磨性的要求。从有限元计算结果来看，两种材料制备的叶片均可满足项目设计要求。

轴流风机；叶片；有限元；轻量化；耐磨性

0 引言

轴流风机广泛应用于通风换气、纺织、矿井、冶金及电站等各个领域中，是空气调节及通风系统的主要设备。相对于离心风机，轴流风机具有流量大、压头低等特点。叶片作为轴流风机核心关键部件[1]，其轻量化和耐磨性也逐渐成为重要的研究方向。

当前，对轴流风机叶片的轻量化和耐磨性研究较少，苏炳超等[2]用PP-GF28替代原来的AS-GF20材料，从材料力学性能、轴流风机叶片单体性能、整机风量、整机噪声等方面验证了PP-GF28在室外机轴流风机叶片应用的可行性。张鑫[3]利用Solidworks对风机(1.5MW，NACA-4412翼型)叶片进行三维建模，然后利用MATLAB对叶片展向的弦长以及扭角进行拟合改进，得到拟合公式，对拟合改进后的叶片进行铺层设计，重新建模，从而实现轻量化的目标。赵辉[4]针对燃煤锅炉轴流式引风机叶片的磨损机理，设计并制备了多种喷涂层，研究分析了不同喷涂层的组织结构、硬度及抗冲蚀磨损性能。从上述文献可以看出，新材料和新工艺已经逐渐应用于轴流风机叶片设计，从而实现轻量化和耐磨性的需求，但多数研究只是针对单一的新材料或新工艺，很少有学者针对轴流风机叶片的轻量化和耐磨性来进行一个系统的综合研究。本文根据某项目轴流风机的具体设计要求，从选材、成型工艺、强度计算等方面对轴流风机叶片的轻量化和耐磨性进行了一个系统研究。

1 设计要求

轴流风机设计参数：流量300m3/s，全压12 200Pa，转速1 320r/min，单片叶片质量不大于37.5kg，由于风机会工作在含砂砾的环境中，因此叶片必须具备一定的耐磨性。

2 叶片选材

从设计要求可以看出，该项目最大的难点是叶片质量和工作环境，叶片气动设计属于常规设计，根据设计要求进行相关选型计算，得到叶片初步的三维图，如图1所示，设计要求单片叶片质量不大于37.5kg，经计算，叶片的平均密度不大于1.85g/cm3。，现有轴流风机叶片材料主要分为金属和非金属。

图1 叶片三维造型图Fig.1 Blade three-dimensional model

金属材料中，运用较多是钛和铝，钛的密度远大于设计要求，必须做成中空结构，但会导致壁厚很薄，强度势必会受到影响。铝的密度为2.7g/cm3，也需要设计成中空结构，但由于铝材的密度较接近设计要求，壁厚可达到10mm，强度和耐磨性都有一定的保证，金属材料可选用铝材。

非金属材料密度相对较小，叶片质量基本可以满足要求。在风力发电中应用较多的是复合材料叶片，所谓复合材料，一般指热固性基体树脂（环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂）和增强材料（碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维），采用开模手工铺放预浸料或闭模树脂真空导入预浸料等工艺复合而成的材料[5]。非金属材料可选用复合材料。

3 成型工艺

从叶片的三维图可以看出，该叶片的弦长、厚度、扭角和翼型在叶片的不同半径处都不相同，属于比较复杂的结构。

对于金属材料，复杂结构的成型优先选用铸造方式。铝合金主要分为Al-Cu系和Al-Si系[6]，Al-Cu系具有良好的强度、热稳定性和切削加工性能，但是铸造性能差、气密性低、耐蚀性差。Al-Si系合金铸造性能良好，是铸造铝合金中品种最多，应用最广的。Al-Si系中ZL114A具有较好的铸造性能，具有较高的强度且具有较好的塑性，可焊性较好，在航天航空和军工领域有广泛的应用。选材优先选用ZL114A。

在铸造工艺方面，铝合金的低压铸造工艺由于成分简单，铸造性能高，气密性好，容易熔炼和铸造等优点使其得到越来越广泛的应用[7]，低压铸造工艺可应用于金属型及砂型铸件的铸造，但金属型铸造透气性不好，需要开专门的排气槽，而且成本较高，铸型优先选用砂型，宜选择透气性较好的砂型，比如呋喃树脂砂。

对于非金属复合材料，碳纤维作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能而越来越广泛应用于国防军工领域，应用较广泛的碳纤维复合材料是T700碳纤维+环氧复合材料，可作为本次叶片设计的选材。

在制备工艺上，一般先制备金属模具，再采用一定的成型方式使复合材料固化成需要的形状。传统复合材料叶片制作多采用人工手糊工艺，废品率较高，且每个叶片的质量偏差难以控制在合理的范围，导致最终产品的残余不平衡量过大，很难达到预期的平衡精度等级。因此，目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM、RTM、缠绕及预浸料／热压工艺制造，但上述这些工艺适用于中等批量和大批量的叶片生产。真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM／SCRIMP)适用于质量要求高、小批量和尺寸较大的制品[8]。它和传统的热压罐成型工艺相比，具有模具成本低、树脂室温固化以及几乎不受限制的制品尺寸等突出特点，可作为本次叶片的成型工艺。

与铝合金材料相比，碳纤维增强复合材料（以下简称“碳纤维材料”）制成的叶片成型工艺相对简单，只要有模具保证即可，而且制成的叶片具有表面光滑、叶型精确等优点[9]。但碳纤维材料的模具成本和材料成本都极大高于铝合金材料，特别是对于大批量的生产，碳纤维材料和铝合金材料的成本差距会更大。

4 叶片强度计算

为了确保设计出的叶片安全可靠，无论使用哪一种材料，叶片的应力不能大于材料的屈服强度，因此必须对叶片进行有限元计算[10]，以下是叶片的强度计算过程。

4.1 网格划分

首先对叶片的三维模型在有限元软件中划分网格，其网格模型如图2所示，共83 383个四面体单元，共计149 256个节点。

图2 叶片网格模型Fig.2 The mesh model of fan

4.2 应力计算[11]

对铝合金叶片施加叶根固定约束和离心力载荷，计算叶片的应力。等效Von-Mises应力分布如图3所示，最大应力为284MPa，但是该最大应力点属于应力畸变点，99%的区域应力在220MPa以下，可以认为该叶片的最大应力为220MPa，ZL114的屈服强度为290MPa，安全系数1.32，铝合金叶片的强度满足要求。

图3 铝合金叶片等效（Von-Mises）应力Fig.3 The Von-mises stress of aluminium alloy blade

对碳纤维叶片施加相同的约束和载荷，等效Von-Mises应力分布如图4所示，最大应力为167MPa，而T700的屈服强度高达1 000MPa，安全系数5.99，碳纤维叶片的强度完全可以满足要求。

从应力计算结果来看，两者的强度都可以满足要求，但碳纤维叶片的安全系数远远大于铝合金叶片，从使用角度来说，碳纤维叶片安全性更好。

图4 碳纤维叶片等效（Von-Mises）应力Fig.4 The Von-mises stress of carbon fiber blade

4.3 叶片的模态计算

据统计，轴流风机失效主要模式之一是叶片疲劳损伤，根据轴流风机使用环境的特殊性，拟开展叶片模态分析，以期共振频率避开风机自身的固有频率，确保使用的安全可靠。

对两种材料叶片的叶根施加相同的固定约束，利用有限元软件进行模态求解计算，并提取出前六阶固有频率，如表1和表2所示。

表1 铝合金叶片前六阶固有频率Tab.1 The inherent frequency of the first six stages of the aluminium alloy blade

表2 碳纤维叶片前六阶固有频率Tab.2 The inherent frequency of the first six stages of the carbon fiber blade

风机的工作转速为1 320r/min，共振频率为22Hz，从表1和表2的结果来看，两种材料的固有频率都高于风机共振频率，可认为叶片是刚性叶片，模态计算结果满足要求，从使用角度来说，碳纤维叶片固有频率离共振频率更远，安全性更高。

5 叶片的耐磨性研究

由于风机偶尔工作在含砂砾的环境中，因此叶片必须具备一定的耐磨性[12-13]。

铝合金本身的硬度较低，很难满足耐磨要求，而提高铝合金耐磨性的根本是在铝合金表面形成硬化层，比如镀硬氧化铝膜、镀硬铬或者镀陶瓷膜[14]，从硬度方面来看，镀铬是最好的选择，但是镀铬容易形成硬化层而产生裂纹，叶片又属于旋转件，很容易使硬化层脱落影响耐磨效果，一般还是以镀陶瓷膜为主。

碳纤维本身具有一定的耐磨性，可以适应该工作环境，但为了确保叶片有更高的耐磨性，可采用电镀法在碳纤维叶片表面镀上金属、合金或复合镀层[15]。

6 结论

1）轴流风机叶片若想实现轻量化，从选材上来看，铝合金和碳纤维材料都是很好的选择，从成型工艺上来说，碳纤维叶片成型工艺相对简单，而且制成的叶片具有表面光滑、叶型精确等优点，但是碳纤维叶片的成本大大高于铝合金叶片；

2）铝合金叶片和碳纤维叶片的强度均满足此次设计要求，从计算结果来看，碳纤维叶片的安全性更高；

3）铝合金叶片的耐磨性达不到要求，可以在表面镀陶瓷膜增加其耐磨性；碳纤维叶片的耐磨性可以满足要求，可以镀金属、合金或复合镀层使耐磨性更佳。

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Research of Light Weight and Abrasion Resistance for Axial Fan Blades

Chao Chang1Xian-zhen Wang2Xiao Wang1Bi Wang1Jie Rao1Xiao-nong Zhu1
（1.Anhui Key Laboratory of Composite Technology for General Machinery；2.Anhui Anfeng Fan Co.,Ltd）

The blades as the most important of axial fans which light weight and abrasion resistance are the important research direction in the future.In this paper investigations are performed with respect to the material,molding process and strength calculation,to achieve light weight and abrasion resistance of axial fan blades according to the design requirements of an axial fan.The results and the finite element strength calculations show that blades manufactured from both aluminium alloy or a carbon fiber composite material with a certain preparation process can meet those design requirements.

axial flow fan,blade,finite elements,light weight,abrasion resistance

合肥通用机械研究院青年基金项目（2016010478）

2017-08-15 安徽 合肥 230031

TH432.1；TK05

1006-8155-(2017)06-0062-04

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0011