降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究.docx
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降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究
降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究
二Ο一六年十二月
目录
降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究1
降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究1
1、理论分析1
2、有限元仿真6
降低外风扇通风损耗的新型风扇的研究
在国家高效节能、低碳环保政策的指导下，对电动机的要求越来越高。
我国将强制推广高效电机，普通效率电机将被替代，电机的风摩耗也将越来越被重视。
电机风扇对电机的损耗、振动、噪声和温升起着很重要的作用，设计符合流体流动特性的电机风扇是必要的，也是很有意义的。
在其传统理论分析的基础上，并对典型电机风扇做有限元分析计算对比，综合其优点，设计出更加符合电机内部流动的电机风扇。
1、理论分析
1）电机风扇结构形式分析
目前，三相异步电动机一般采用可以正转和反转径向直叶片，此种风扇相对于后弯离心式风扇特点：
风压高，风量低，结构简单，可以正转和反转，但噪声大，效率低。
径向直叶片一些重要参数特点为：
比转速范围一般为：
；
叶片进出口安放角：
（本文中下标1代表风扇进口参数，下标2代表风扇出口参数）；
全压系数一般为：
；
风扇内速度圆周分量即为圆周速度，即
，其中
；
叶片数Z：
，其中叶栅稠密度近似为
，一般取Z=10~20，风机行业推荐值为
；
图各系列风扇结构图
多数电机均是使用这种径向直叶片，这种直叶片能够产生的风压为
，在风扇外径
相等和转速n不变的情况下，能够产生的最大风压基本上相等。
除YX3系列风扇外各种外径都比较均匀，因此出口压力也较均匀。
对风扇产生的风量及效率影响因素较多，与径向尺寸b（
），进出口宽度a（进口宽度
，出口宽度
），进出口安放角
、
，进出口冲角
，
叶片数Z，叶片和风罩间距，叶片扭曲形状等密切相关。
风扇进口直径
，当
，
及
时
（
为进口直径
的平均值）；
在风扇旋转过程中，对其中流体只有离心力的作用，我们设置一个特征参数a粗略代表风扇进出口宽度，比较几种风扇形状可知，理论上只有区域B中风扇叶片才能起作用，而区域A则会使风扇中局部损失增加
，而在此方面Y系列风扇较为优秀。
为保证沿叶片宽度气流入口冲角都相同，可把叶片始端或整个叶片设计成空间叶片，有时称为双曲率叶片。
从叶片始端形状来看，图1、图3和图4较为合理，一般始端最大最小直径取值范围为：
，
（本文中取
，
为风罩进口开孔部分最大外径）。
风扇旋转过程中损失主要包括流动（沿程）损失、容积（泄漏）损失、轮盘摩擦损失即机械损失三部分。
气流经过风罩进口、风扇、风罩内部、风罩出口等部件，由于气流的粘性和流道的不同形状，在整个流程中存在着摩擦损失和涡流损失（边界层分离、二次涡、尾迹损失等）。
有关流动损失的计算，目前尚欠完善。
现仅以水力学中的计算公式，按单个部件分别予以估算。
风罩进口损失
（
，
风罩进口孔口流速）、风扇入口气流从轴向变为径向的损失
（
，
叶片入口气流绝对速度）、风扇内部流动损失
（
，
叶片入口气流相对速度），风罩内的损失
（
，
叶片出口气流绝对速度）,风罩出损失
（
，
风罩与机座间隙中气流速度），则流动效率为
。
风扇和风罩之间以、叶片外缘气流回流等泄漏量按此式估算
，
为间隙边缘收缩系数，常取
，
风罩和风扇叶片间隙,间隙
的值一般按
选择，根据工艺越小越好。
则容积效率为
；轮盘摩擦损失一般根据实际情况估算
，风扇的效率为
。
2）新型风扇设计
借鉴除尘鼓风机和切线泵、火箭高速泵叶轮形式，设计了径向直叶片结构的新型风扇，如图3-16所示。
图3-16新设计风扇
图3-17新设计风扇
图3-17结构为鼓风机和切线泵等的一般叶轮结构，但若不修改直接用在电机中并不合适，因为此种泵和风机中流体流出叶片后不需改变流动方向流出蜗壳，是径向出口的，而电机中流体流出叶片出口后气流流动需变径向为轴向，使得风扇出口处回流严重，容积损失很大。
因此风扇结构修正为图3-17中结构。
我们设计参数及计算后参数为：
空气密度
，转速
，重力加速的
，全压
，流量
，比转速
，全压系数
流量系数
，出口安放角
，叶片数Z=10，叶片进口宽度
，叶片出口宽度
，叶片进口直径
，叶片出口直径
，和YX3-132-2风扇外径相同，效率
，消耗功率为
。
此风扇较之前的风扇修正了无效区域A，增加了叶片数，抑制了风扇内气流脱流，减少了风扇内的二次流。
效率得以提高，风量增大，消耗功率降低。
2、有限元仿真
1）边界条件
用四面体划分网格，并对风扇叶轮网格加密，设置进口空气湍流强度约为5%，外界大气压力为一个大气压，风扇转速为2950r/min，并认为流体不可压，在此条件下求解连续性方程和动量方程：
连续性方程
动量方程
其中
为雷诺应力张量，由Boussinesq假设：
。
采用K-epsilonRNG模型，使方程封闭默认。
2）结果对比
根据有限元仿真的结果，新设计风扇整体性能大幅度提升，其中效率提高约20%，风摩耗略有降低，具体参数对比见表3-14。
表3-14新旧风扇有限元计算对比
132机座号2极
叶片出口全压（Pa）
风罩上的
全压（Pa）
风量
（m³/s）
消耗功率（kW）
风扇效率
旧风扇
325
0.4168
0.0014
0.04
11.2%
新风扇
325
0.7336
0.0035
0.035
32.1%
图3-18和图3-19是我们将风扇中流线、全压表现在一张图中的新旧风扇的有限元仿真结果，从图3-18和图3-19对比可以看出：
图3-18旧风扇图3-19新风扇
旧风扇叶片外缘直径不均匀，出口处压力差别很大，高压只集中在直径最大的处，而新设计的叶片外径应当均匀，叶片出口压力基本一样，高压区域较大。
由流线图可以看出，旧风扇叶片间漩涡较大，并且叶片间流体脱流严重，损失大大增加。
而新设计的风扇叶片间没有形成漩涡，流线基本上沿着叶片流动。
可见，5个叶片太少，叶片数应当取推荐叶片数。
图3-20老风扇质量流量分布图3-21新风扇老风罩质量流量分布
此次新风扇设计的同时并未改变风罩，风罩入风口处于风扇的间距也没有改变，电机行业此间隙一般10mm~20mm，此值过大，应当越小越好，否则泄漏损失严重。
由图3-20和图3-21旧新风扇风罩进口质量流量分布图可知，风罩进口内部进风，外缘出风，进风口外径即
太大，风量有所泄漏。
本设计理论计算中按照
设计，有限元仿真分别已旧风罩和新设计风罩仿真。
由以上理论和有限元分析可知，新设计的风扇总体性能上较优秀。
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