軸流風機葉片輕量化及耐磨性研究?

常 超 王賢震 王 梟 王 弼 饒 杰 朱曉農

（1.合肥通用機械研究院；2.安徽安風風機有限公司）

軸流風機葉片輕量化及耐磨性研究?

常 超1王賢震2王 梟1王 弼1饒 杰1朱曉農1

（1.合肥通用機械研究院；2.安徽安風風機有限公司）

軸流風機葉片作為風機最重要的部件，其輕量化和耐磨性也逐漸成為重要的研究方向。本文根據某項目軸流風機的設計要求，重點從選材、成型工藝、強度計算等方面對軸流風機葉片的輕量化和耐磨性綜合地進行了研究。研究結果表明：采用鋁合金或碳纖維復合材料，通過一定的工藝制備的葉片可以達到輕量化和耐磨性的要求。從有限元計算結果來看，兩種材料制備的葉片均可滿足項目設計要求。

軸流風機；葉片；有限元；輕量化；耐磨性

0 引言

軸流風機廣泛應用于通風換氣、紡織、礦井、冶金及電站等各個領域中，是空氣調節(jié)及通風系統(tǒng)的主要設備。相對于離心風機，軸流風機具有流量大、壓頭低等特點。葉片作為軸流風機核心關鍵部件[1]，其輕量化和耐磨性也逐漸成為重要的研究方向。

當前，對軸流風機葉片的輕量化和耐磨性研究較少，蘇炳超等[2]用PP-GF28替代原來的AS-GF20材料，從材料力學性能、軸流風機葉片單體性能、整機風量、整機噪聲等方面驗證了PP-GF28在室外機軸流風機葉片應用的可行性。張鑫[3]利用Solidworks對風機(1.5MW，NACA-4412翼型)葉片進行三維建模，然后利用MATLAB對葉片展向的弦長以及扭角進行擬合改進，得到擬合公式，對擬合改進后的葉片進行鋪層設計，重新建模，從而實現輕量化的目標。趙輝[4]針對燃煤鍋爐軸流式引風機葉片的磨損機理，設計并制備了多種噴涂層，研究分析了不同噴涂層的組織結構、硬度及抗沖蝕磨損性能。從上述文獻可以看出，新材料和新工藝已經逐漸應用于軸流風機葉片設計，從而實現輕量化和耐磨性的需求，但多數研究只是針對單一的新材料或新工藝，很少有學者針對軸流風機葉片的輕量化和耐磨性來進行一個系統(tǒng)的綜合研究。本文根據某項目軸流風機的具體設計要求，從選材、成型工藝、強度計算等方面對軸流風機葉片的輕量化和耐磨性進行了一個系統(tǒng)研究。

1 設計要求

軸流風機設計參數：流量300m3/s，全壓12 200Pa，轉速1 320r/min，單片葉片質量不大于37.5kg，由于風機會工作在含砂礫的環(huán)境中，因此葉片必須具備一定的耐磨性。

2 葉片選材

從設計要求可以看出，該項目最大的難點是葉片質量和工作環(huán)境，葉片氣動設計屬于常規(guī)設計，根據設計要求進行相關選型計算，得到葉片初步的三維圖，如圖1所示，設計要求單片葉片質量不大于37.5kg，經計算，葉片的平均密度不大于1.85g/cm3。，現有軸流風機葉片材料主要分為金屬和非金屬。

圖1 葉片三維造型圖Fig.1 Blade three-dimensional model

金屬材料中，運用較多是鈦和鋁，鈦的密度遠大于設計要求，必須做成中空結構，但會導致壁厚很薄，強度勢必會受到影響。鋁的密度為2.7g/cm3，也需要設計成中空結構，但由于鋁材的密度較接近設計要求，壁厚可達到10mm，強度和耐磨性都有一定的保證，金屬材料可選用鋁材。

非金屬材料密度相對較小，葉片質量基本可以滿足要求。在風力發(fā)電中應用較多的是復合材料葉片，所謂復合材料，一般指熱固性基體樹脂（環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基樹脂）和增強材料（碳纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維），采用開模手工鋪放預浸料或閉模樹脂真空導入預浸料等工藝復合而成的材料[5]。非金屬材料可選用復合材料。

3 成型工藝

從葉片的三維圖可以看出，該葉片的弦長、厚度、扭角和翼型在葉片的不同半徑處都不相同，屬于比較復雜的結構。

對于金屬材料，復雜結構的成型優(yōu)先選用鑄造方式。鋁合金主要分為Al-Cu系和Al-Si系[6]，Al-Cu系具有良好的強度、熱穩(wěn)定性和切削加工性能，但是鑄造性能差、氣密性低、耐蝕性差。Al-Si系合金鑄造性能良好，是鑄造鋁合金中品種最多，應用最廣的。Al-Si系中ZL114A具有較好的鑄造性能，具有較高的強度且具有較好的塑性，可焊性較好，在航天航空和軍工領域有廣泛的應用。選材優(yōu)先選用ZL114A。

在鑄造工藝方面，鋁合金的低壓鑄造工藝由于成分簡單，鑄造性能高，氣密性好，容易熔煉和鑄造等優(yōu)點使其得到越來越廣泛的應用[7]，低壓鑄造工藝可應用于金屬型及砂型鑄件的鑄造，但金屬型鑄造透氣性不好，需要開專門的排氣槽，而且成本較高，鑄型優(yōu)先選用砂型，宜選擇透氣性較好的砂型，比如呋喃樹脂砂。

對于非金屬復合材料，碳纖維作為一種高性能纖維，具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、耐輻射、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優(yōu)異性能而越來越廣泛應用于國防軍工領域，應用較廣泛的碳纖維復合材料是T700碳纖維+環(huán)氧復合材料，可作為本次葉片設計的選材。

在制備工藝上，一般先制備金屬模具，再采用一定的成型方式使復合材料固化成需要的形狀。傳統(tǒng)復合材料葉片制作多采用人工手糊工藝，廢品率較高，且每個葉片的質量偏差難以控制在合理的范圍，導致最終產品的殘余不平衡量過大，很難達到預期的平衡精度等級。因此，目前國外的高質量復合材料風機葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預浸料／熱壓工藝制造，但上述這些工藝適用于中等批量和大批量的葉片生產。真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM／SCRIMP)適用于質量要求高、小批量和尺寸較大的制品[8]。它和傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝相比，具有模具成本低、樹脂室溫固化以及幾乎不受限制的制品尺寸等突出特點，可作為本次葉片的成型工藝。

與鋁合金材料相比，碳纖維增強復合材料（以下簡稱“碳纖維材料”）制成的葉片成型工藝相對簡單，只要有模具保證即可，而且制成的葉片具有表面光滑、葉型精確等優(yōu)點[9]。但碳纖維材料的模具成本和材料成本都極大高于鋁合金材料，特別是對于大批量的生產，碳纖維材料和鋁合金材料的成本差距會更大。

4 葉片強度計算

為了確保設計出的葉片安全可靠，無論使用哪一種材料，葉片的應力不能大于材料的屈服強度，因此必須對葉片進行有限元計算[10]，以下是葉片的強度計算過程。

4.1 網格劃分

首先對葉片的三維模型在有限元軟件中劃分網格，其網格模型如圖2所示，共83 383個四面體單元，共計149 256個節(jié)點。

圖2 葉片網格模型Fig.2 The mesh model of fan

4.2 應力計算[11]

對鋁合金葉片施加葉根固定約束和離心力載荷，計算葉片的應力。等效Von-Mises應力分布如圖3所示，最大應力為284MPa，但是該最大應力點屬于應力畸變點，99%的區(qū)域應力在220MPa以下，可以認為該葉片的最大應力為220MPa，ZL114的屈服強度為290MPa，安全系數1.32，鋁合金葉片的強度滿足要求。

圖3 鋁合金葉片等效（Von-Mises）應力Fig.3 The Von-mises stress of aluminium alloy blade

對碳纖維葉片施加相同的約束和載荷，等效Von-Mises應力分布如圖4所示，最大應力為167MPa，而T700的屈服強度高達1 000MPa，安全系數5.99，碳纖維葉片的強度完全可以滿足要求。

從應力計算結果來看，兩者的強度都可以滿足要求，但碳纖維葉片的安全系數遠遠大于鋁合金葉片，從使用角度來說，碳纖維葉片安全性更好。

圖4 碳纖維葉片等效（Von-Mises）應力Fig.4 The Von-mises stress of carbon fiber blade

4.3 葉片的模態(tài)計算

據統(tǒng)計，軸流風機失效主要模式之一是葉片疲勞損傷，根據軸流風機使用環(huán)境的特殊性，擬開展葉片模態(tài)分析，以期共振頻率避開風機自身的固有頻率，確保使用的安全可靠。

對兩種材料葉片的葉根施加相同的固定約束，利用有限元軟件進行模態(tài)求解計算，并提取出前六階固有頻率，如表1和表2所示。

表1 鋁合金葉片前六階固有頻率Tab.1 The inherent frequency of the first six stages of the aluminium alloy blade

表2 碳纖維葉片前六階固有頻率Tab.2 The inherent frequency of the first six stages of the carbon fiber blade

風機的工作轉速為1 320r/min，共振頻率為22Hz，從表1和表2的結果來看，兩種材料的固有頻率都高于風機共振頻率，可認為葉片是剛性葉片，模態(tài)計算結果滿足要求，從使用角度來說，碳纖維葉片固有頻率離共振頻率更遠，安全性更高。

5 葉片的耐磨性研究

由于風機偶爾工作在含砂礫的環(huán)境中，因此葉片必須具備一定的耐磨性[12-13]。

鋁合金本身的硬度較低，很難滿足耐磨要求，而提高鋁合金耐磨性的根本是在鋁合金表面形成硬化層，比如鍍硬氧化鋁膜、鍍硬鉻或者鍍陶瓷膜[14]，從硬度方面來看，鍍鉻是最好的選擇，但是鍍鉻容易形成硬化層而產生裂紋，葉片又屬于旋轉件，很容易使硬化層脫落影響耐磨效果，一般還是以鍍陶瓷膜為主。

碳纖維本身具有一定的耐磨性，可以適應該工作環(huán)境，但為了確保葉片有更高的耐磨性，可采用電鍍法在碳纖維葉片表面鍍上金屬、合金或復合鍍層[15]。

6 結論

1）軸流風機葉片若想實現輕量化，從選材上來看，鋁合金和碳纖維材料都是很好的選擇，從成型工藝上來說，碳纖維葉片成型工藝相對簡單，而且制成的葉片具有表面光滑、葉型精確等優(yōu)點，但是碳纖維葉片的成本大大高于鋁合金葉片；

2）鋁合金葉片和碳纖維葉片的強度均滿足此次設計要求，從計算結果來看，碳纖維葉片的安全性更高；

3）鋁合金葉片的耐磨性達不到要求，可以在表面鍍陶瓷膜增加其耐磨性；碳纖維葉片的耐磨性可以滿足要求，可以鍍金屬、合金或復合鍍層使耐磨性更佳。

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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

合肥通用機械研究院青年基金項目（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