离心式通风机结构优化研究

冯培军

（阳煤集团山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045008）

引言

离心通风机是将电能转化为机械能，并依靠叶片旋转时形成的压力差来吸、排流体的一种广泛应用在车间、煤矿、发电、建筑物上的机械设备。随着国民经济和科技的发展，越来越多的通风机也开始朝着大型化、集成化、高速化的方向发展，但目前离心式通风机普遍存在着振动强、噪声大、耗电量高的缺点，极大地限制了其进一步的应用[1]，因此如何降低风机在运行时的振动和噪声，并在降低叶轮质量的前提下优化结构、提高强度，提高其工作时的稳定性和可靠性便成了工程设计人员迫切需要解决的问题。

1 离心式通风机的结构及工作原理

离心式通风机是将电能转化为机械能，并依靠叶片旋转时形成的压力差来吸、排流体的设备，其主要由叶轮、机壳、进风口及传动部分等四部分组成，典型的离心式通风机的结构如图1所示。

离心式通风机在工作时，由电网系统给电机提供电源，带动电机旋转，然后电机通过联轴器带动叶轮进行高速转动，由于叶轮特殊的结构特点，其在转动过程中带动周围的流体进行旋转，在蜗壳内部导流的作用下将流体推出蜗壳的出口。在叶轮旋转的过程中，由于其气动布局的特点，造成叶轮内部的压力小于外界的压力，这样前后在压差作用下便形成了连续不断的空气流动。

图1 离心式通风机结构示意图

2 离心式通风机叶片强度的计算方法

离心式通风机在高速旋转的过程中，叶片除了受到离心力的作用外还会受到气流与蜗壳作用所产生的附加的应力，但这个附加应力和叶片在高速旋转过程中产生的离心力相比较小，因此为了便于对通风机叶片在高速旋转时的强度进行计算，忽略气流与蜗壳作用所产生的附加的应力对叶片的作用。

将叶片简化为一个固定梁，对于固化梁结构来说，其在工作时的最大力矩主要产生在梁的两端位置，其值应为式中，q为均布载荷在单位长度上的大小；I为固定梁的长度。

对于平板直叶轮，其叶片在工作中的受力如图2所示[2]。

叶轮在高速旋转时，设其角速度为ω，因此其在高速旋转时产生的离心力P可表示为：

式中：ρ为叶轮的材料密度；b为叶轮的叶片长度；ω为叶轮的旋转角速度；δ为叶轮的壁厚；I为叶轮叶片的平均宽度；R为叶轮中心到叶片重心的距离；c为辅助计算系数，取86.8。

图2 平板直叶轮受力分析简图

如上页图2所示，在计算时，假设叶片的重心位于O点，则其在工作过程中的离心力可分解为法向力P1和切向力P2，叶片旋转时在这两个力的作用下发生形变，同时在叶片内产生弯曲应力，因叶片的结构形状决定了其在旋转时产生的正应力的数值要远大于切应力的数值，因此在分析时，只考虑产生的弯曲正应力，该正应力可表示为：

式中：φ为P方向和P2的夹角。因为叶片的最大弯矩为，因此叶片在高速旋转过程中的最大弯曲应力为：

式中：e为叶片中心到叶片迎风面的垂直距离；W为抗弯截面模数。

3 离心式通风机叶轮的有限元建模

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，被广泛地应用于设备的静力学分析[3]。

为了对离心式通风机的叶轮在旋转时的受力情况进行分析，首先利用Creo软件建立了通风机叶轮的三维模型，将其导入到ANSYS仿真软件中，并划分网格单元，因为对叶轮仿真分析结果的可靠性主要取决于对叶轮划分网格的数量和方法，根据叶轮的结构特点及对ANSYS仿真的应用经验，在划分网格时采用的是将自由网格划分法和映射划分的方法进行有机结合，在叶轮叶片与外沿结合的三级位置采用自由网格划分的方法，在叶轮其他相对平整的位置采用映射划分网格的方法，在完成全部网格后其网格总数约有5 678个单元，6 104个节点，其网格划分示意图如图3所示[4]。

在划分网格后，为了对其进行仿真分析，还需要在各模型连接部分建立起数学联系，并施加约束和载荷，对其施加约束和载荷后的受力如图4所示。

4 离心式通风机叶轮的有限元分析

应用求解后，主要对叶轮节点处的应力情况进行分析，分析结果如图5、图6所示。

图3 叶轮的有限元分析模型

图4 叶轮施加约束和载荷后的示意图

图5 叶轮的等效应力（MPa）云图1

图6 叶轮的等效应力（MPa）云图2

由图5和图6的叶轮仿真分析的等效应力云图可知，离心式通风机的叶轮在运行过程中的最大应力约为105.6 MPa，其位于叶轮的出口位置，在叶轮的进口位置其工作时应力的最大值约70 MPa，且其应力均集中在叶轮的叶片与轮沿焊接处的过渡位置。因此为了确保叶轮在高速运行过程中的安全性和稳定性，需要采取一定的措施对叶轮在运行过程中应力集中的位置进行加强处理，对应力分散的位置可以适当地进行减薄处理。通过仿真分析结果可以确保叶轮在结构强度满足工作要求的前提下，优化布局，减小质量，减少电机在运行过程中的电能的消耗。

5 结论

结合仿真结果分析，叶轮在运行过程中的应力主要集中在叶片与轮沿结合处的位置，因此为了确保叶轮在高速运行过程中的安全性和稳定性，需要采取一定的措施对叶轮在运行过程中应力集中的位置进行加强处理，对应力分散的位置可以适当地进行减薄处理。这一举措对叶轮的结构优化提供了理论和技术支持，具有重大的社会和经济效益。