某船用進(jìn)口通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)分析

胡 卓

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某船用進(jìn)口通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)分析

胡 卓

（中船重工環(huán)境工程有限公司，武漢 430064)

針對(duì)一種船用進(jìn)口通風(fēng)系統(tǒng)，提出了改進(jìn)思路，并進(jìn)行了原理樣機(jī)研究，使新型通風(fēng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)量大、噪聲低、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，值得我國(guó)船用通風(fēng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

船用通風(fēng)系統(tǒng) 改進(jìn)分析 性能參數(shù)

0 引言

對(duì)于某引進(jìn)船而言，由于使用年限較長(zhǎng)，已到中修時(shí)期，面臨諸多設(shè)備的更換維修。本文對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)利用中修時(shí)間，進(jìn)行系列改進(jìn)設(shè)計(jì)而面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析。

船用通風(fēng)系統(tǒng)一般有直流通風(fēng)機(jī)組和交流通風(fēng)機(jī)組，主要用于電機(jī)等發(fā)熱設(shè)備的通風(fēng)冷卻。一般經(jīng)常采用交流通風(fēng)機(jī)組，或?qū)⒅绷魍L(fēng)機(jī)組進(jìn)行交流化改進(jìn)設(shè)計(jì)。但有時(shí)由于船用電源的原因，直流通風(fēng)機(jī)組無(wú)法進(jìn)行交流化改進(jìn)，只能進(jìn)行通風(fēng)性能和減振降噪方面的改進(jìn)研制。

1 原通風(fēng)系統(tǒng)存在的突出問(wèn)題

原通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)前存在的突出問(wèn)題有：

1)通風(fēng)機(jī)的葉輪為鉚接結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于應(yīng)力集中的原因，導(dǎo)致鉚釘容易脫落，造成通風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉚釘和葉片甩進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，造成嚴(yán)重后果；

2)采用開(kāi)式通風(fēng)，電機(jī)風(fēng)路與艙室直接相通，且通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口無(wú)空氣過(guò)濾器，艙內(nèi)空氣中的油霧、鹽霧、霉菌、灰塵等直接進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，電機(jī)內(nèi)部環(huán)境變差，導(dǎo)致電機(jī)的絕緣電阻值降低；

3)通風(fēng)管開(kāi)裂、螺釘松動(dòng)、密封條老化，造成漏風(fēng)和噪聲偏大；

由于上述原因造成電機(jī)的保養(yǎng)周期縮短，影響在航率?；谏鲜銮闆r，為保證電機(jī)能長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，有必要在中修時(shí)對(duì)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，替代目前的通風(fēng)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是：

1)通風(fēng)機(jī)組的設(shè)計(jì)以安全性、可靠性放在首位，充分利用現(xiàn)有技術(shù)成果和成熟的先進(jìn)技術(shù)，確保滿(mǎn)足原技術(shù)性能的要求，改善電機(jī)運(yùn)行環(huán)境；

2)貫徹維修方便的原則，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)需要維護(hù)保養(yǎng)的部件提供維修性與可達(dá)性，力求使船上維修工作量與工作難度降至最低；

3)通風(fēng)機(jī)組和冷卻器在原安裝位置進(jìn)行改造時(shí)，盡量減小牽連工程的工作量。

2 改進(jìn)分析

經(jīng)過(guò)前期的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)和上述通風(fēng)機(jī)組的初步性能試驗(yàn)可知，原通風(fēng)機(jī)組的振動(dòng)噪聲指標(biāo)處于我國(guó)同類(lèi)通風(fēng)機(jī)組的較低水平，我國(guó)對(duì)該同類(lèi)通風(fēng)機(jī)組基本上沒(méi)有應(yīng)用典例，所以對(duì)原通風(fēng)機(jī)組進(jìn)行改造設(shè)計(jì)很有必要，也非常迫切。對(duì)于新研制的通風(fēng)機(jī)組，其振動(dòng)噪聲指標(biāo)必須處于我國(guó)同類(lèi)通風(fēng)機(jī)組的先進(jìn)水平，在同類(lèi)通風(fēng)機(jī)組中還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)制造的難度非同一般。

對(duì)于新研制的通風(fēng)機(jī)組，結(jié)合三維仿真計(jì)算軟件對(duì)整個(gè)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，得到電機(jī)的整體阻力性能與流量分布，溫度場(chǎng)分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在保證電機(jī)滿(mǎn)足溫升限值的條件下，合理選取和優(yōu)化通風(fēng)機(jī)組的參數(shù)。

2.1新型通風(fēng)機(jī)研制方案

本電機(jī)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓與船上通常的通風(fēng)機(jī)相比，葉輪尺寸基本一致，但是轉(zhuǎn)速較高（3000 r/min > 2000 r/min)，蝸殼尺寸較小，使振動(dòng)噪聲要求更高，研制難度較大?？偟膩?lái)說(shuō)，通風(fēng)機(jī)是采用后傾式圓弧型空心葉片、圓弧形進(jìn)風(fēng)口、小渦殼寬葉片，進(jìn)行模擬樣機(jī)研究。

一般通風(fēng)機(jī)蝸殼的長(zhǎng)寬比，為葉輪直徑2的1.92×1.62~2.12×1.72。對(duì)于本通風(fēng)機(jī)，最佳尺寸應(yīng)為988×832 mm～1092×884 mm之間。但是本通風(fēng)機(jī)因外形尺寸受到實(shí)船安裝尺寸的限制，不可能按上述最佳蝸殼尺寸設(shè)計(jì)，長(zhǎng)寬比尺寸只能為：1.562×1.542，完全超出了設(shè)計(jì)的最佳尺寸。對(duì)于同等大小的葉輪，蝸殼尺寸越大，越有利于降低噪聲，因此這增加了降噪的難度。為此，我們開(kāi)展了多方案的模擬樣機(jī)試驗(yàn)研究工作，共設(shè)計(jì)制做了十余種不同葉片數(shù)、或葉片形狀的葉輪、或多種不同的降低噪聲措施的蝸殼、或不同曲線(xiàn)形狀的進(jìn)風(fēng)口，對(duì)上述葉輪、進(jìn)風(fēng)口、蝸殼進(jìn)行了有針對(duì)性的排列組合，進(jìn)行了大量空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)，繪制出各種風(fēng)機(jī)的無(wú)因次曲線(xiàn)，比較各方案的噪聲、流量、風(fēng)壓、效率的綜合性能，最后得到最佳設(shè)計(jì)方案。模擬樣機(jī)的工作點(diǎn)接近理想最優(yōu)點(diǎn)，在滿(mǎn)足風(fēng)量、風(fēng)壓的同時(shí)，A聲壓級(jí)為93 dB以下，最后通過(guò)通風(fēng)機(jī)的性能核算，各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿(mǎn)足研制要求。

由于船上的安裝空間有限，在對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，前提是不影響船上的安裝。為提高空氣流量和風(fēng)壓，只能對(duì)蝸殼和葉輪尺寸作少量調(diào)整，擬將蝸殼尺寸300 mm調(diào)整到350 mm。將葉輪外徑從原來(lái)的Φ505擬提高到Φ510～Φ520 mm，厚度約增加約20 mm左右，提高空氣流量和壓力，并優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)形式和葉片數(shù)量等，提高制造工藝。葉輪擬采用鍛鋁件或離心鑄鋁件整體加工而成。降低葉輪重量，減輕對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)軸承的載荷，同時(shí)對(duì)軸盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

另外，通風(fēng)機(jī)本體的噪聲與振動(dòng)主要與兩點(diǎn)有關(guān)，一是通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)，葉輪擬采用機(jī)翼型葉片與導(dǎo)流式進(jìn)風(fēng)口，優(yōu)化葉輪與進(jìn)風(fēng)口的軸向和徑向間隙，以改善流動(dòng)損失，降低渦流噪聲；二是通風(fēng)機(jī)葉輪的動(dòng)平衡精度。改造后的通風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)平衡精度提高到1級(jí)，降低通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和噪聲。

通風(fēng)機(jī)葉輪的動(dòng)平衡精度提高后，其振動(dòng)值將降低，改造后的通風(fēng)機(jī)要求風(fēng)機(jī)葉輪和風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子先單獨(dú)校動(dòng)平衡，再將風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子與風(fēng)機(jī)葉輪組合后一起再次校動(dòng)平衡，從而確保其動(dòng)平衡精度。

該葉輪在前盤(pán)、后盤(pán)上進(jìn)行焊接時(shí)，一般采用45°，根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行微小的調(diào)整。焊接質(zhì)量按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，葉輪焊接成型（見(jiàn)圖1)后，在精度符合要求的動(dòng)平衡儀上進(jìn)行動(dòng)平衡校正。動(dòng)平衡校正時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量情況，將合適大小和質(zhì)量的平衡塊在前盤(pán)、后盤(pán)上焊接牢固。

葉輪的寬度根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整，擬在130～140 mm之間。其他要求，例如葉輪與風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的接口尺寸，在整個(gè)研制過(guò)程中一直保持不變。

圖1 焊接式葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計(jì)采用整體式鑄鋁結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)考慮在這種材料中增加鈦合金，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、聲學(xué)流線(xiàn)型好。進(jìn)風(fēng)口與葉輪前盤(pán)的配合間隙至關(guān)重要，一般控制在5 mm左右。

在進(jìn)行焊接式葉輪通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，通風(fēng)機(jī)軸盤(pán)也采用整體式鋼結(jié)構(gòu)，以確保機(jī)械傳動(dòng)性能。

這樣，新型通風(fēng)機(jī)除蝸殼以外，基本上都是采用整體式鑄鋁結(jié)構(gòu)，而蝸殼采用鋼板結(jié)構(gòu)，主要是考慮到振動(dòng)噪聲的高指標(biāo)要求，而且通風(fēng)機(jī)組的整體重量可以做到與原引俄通風(fēng)機(jī)組相當(dāng)。通風(fēng)性能見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速三者關(guān)系曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后，分析確定整體式葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸，整體式葉輪的結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了保證通風(fēng)性能和振動(dòng)噪聲指標(biāo)要求，在進(jìn)行鑄造整體式葉輪設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)時(shí)，采取了如下措施：

圖3 整體式葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖

1） 利用聲學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算，合理設(shè)計(jì)葉輪直徑、葉片數(shù)量、葉片傾角、葉片立體形態(tài)等結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2） 葉輪前盤(pán)、葉片進(jìn)行流線(xiàn)型設(shè)計(jì)；

3） 為了保證葉輪與風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械連接可靠性，在鑄造時(shí)提前放置一個(gè)強(qiáng)度合適的鋼套，代替軸盤(pán)結(jié)構(gòu)部分；

4） 在葉輪后盤(pán)適當(dāng)部位，沿圓周方向設(shè)計(jì)供校正動(dòng)平衡所用的減重凸臺(tái)，以方便于噪聲指標(biāo)的校正；

5） 采用鑄造技術(shù)，使整體式葉輪質(zhì)地緊密而不會(huì)出現(xiàn)疏松、氣孔等不良現(xiàn)象；

6） 葉輪的材質(zhì)，用Ansys軟件進(jìn)行仿真計(jì)算其機(jī)械強(qiáng)度來(lái)確定，并適當(dāng)考慮在這種材料中增加鈦合金，使結(jié)構(gòu)更輕；

7） 葉輪制成后，進(jìn)行120 %的額定轉(zhuǎn)速的超速試驗(yàn)；

8） 葉輪超速試驗(yàn)后，利用高精度動(dòng)平衡校正設(shè)備，先單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡校正，在風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子單獨(dú)完成了動(dòng)平衡校正之后，再將葉輪與風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一起進(jìn)行動(dòng)平衡校正，同時(shí)利用轉(zhuǎn)子上的加重和葉輪的減重技術(shù)，保證噪聲指標(biāo)滿(mǎn)足研制要求；

9） 葉輪與風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子利用鍵槽按照標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行機(jī)械連接配合設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸；

10） 葉輪制成后，進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的外觀(guān)尺寸檢查，并進(jìn)行超聲波探傷檢查，對(duì)于加工前對(duì)材質(zhì)已進(jìn)行探傷檢查合格的，可以不再進(jìn)行探傷檢查；

11） 在通風(fēng)機(jī)組進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，必要時(shí)，對(duì)葉輪與轉(zhuǎn)子進(jìn)行反復(fù)動(dòng)平衡校正，以達(dá)到最佳動(dòng)平衡狀態(tài)；

12） 由于整體式葉輪的缺點(diǎn)是質(zhì)地比鋼制要脆，在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不能有異物觸碰，因此試驗(yàn)時(shí)，盡量注意通風(fēng)機(jī)內(nèi)部情況的仔細(xì)檢查。

在進(jìn)行通風(fēng)機(jī)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)時(shí)，采取了如下措施：

1） 在確保上船安裝的可行性，確定蝸殼尺寸不變；

2） 在蝸殼上進(jìn)行多次聲學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，在蝸殼噪聲較大的輻射面上，粘貼吸聲材料，將該輻射面設(shè)計(jì)成雙層隔振結(jié)構(gòu)；

3） 在渦舌處進(jìn)行多次微穿孔板聲學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，在確保通風(fēng)性能的前提下，變換微穿孔板結(jié)構(gòu)，使輻射噪聲得到最大程度的吸收；

4） 多次尋求不同結(jié)構(gòu)尺寸葉輪與不同聲學(xué)設(shè)計(jì)的蝸殼的最佳組合。

2.2風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)方案

風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)仍為直流電動(dòng)機(jī)，中心高與原風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)一致，安裝接口保持不變。為了保證通風(fēng)冷卻裝置的整體性能，同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境要求，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)方案主要通過(guò)兩方面開(kāi)展，一方面通過(guò)多方案多目標(biāo)優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足要求，適當(dāng)降低電密，降低熱負(fù)荷；另一方面，工藝上嚴(yán)格質(zhì)量和加工精度控制，要求動(dòng)平衡精度為1級(jí)。

利用我國(guó)小型直流電機(jī)成熟的工藝技術(shù)，比較來(lái)說(shuō)，仍然存在關(guān)鍵工藝。本電機(jī)采用的關(guān)鍵工藝體現(xiàn)在：電樞斜槽沖片疊壓、電樞斜槽波繞組、電樞真空壓力浸漆和烘焙、轉(zhuǎn)子熱套、主磁極線(xiàn)圈的直接繞制、真空壓力浸漆和烘焙、換向器灌膠、主體絕緣結(jié)構(gòu)、軸帶風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等，這些主要工藝，均已成功應(yīng)用。但是，由于減振降噪的更高要求，還必須采取有效措施，主要體現(xiàn)在：

1)在保證電機(jī)接口不變的情況下，合理設(shè)計(jì)布置電機(jī)底腳的中心位置，盡量使電機(jī)的質(zhì)量重心處于該中心線(xiàn)上，并適當(dāng)考慮通風(fēng)機(jī)的質(zhì)量；

2）合理設(shè)計(jì)軸帶風(fēng)扇的通風(fēng)性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)扇葉輪的直徑和片數(shù)，合理設(shè)計(jì)風(fēng)扇底座等；

3）選擇低振動(dòng)的SKF進(jìn)口滾動(dòng)軸承，并注意優(yōu)中選優(yōu)進(jìn)行挑選合適的軸承，合理設(shè)計(jì)軸承的安裝結(jié)構(gòu)；

4）合理設(shè)計(jì)機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式，采用鋼板疊壓結(jié)構(gòu)，既考慮電機(jī)磁路的合理需要，有考慮電機(jī)散熱的優(yōu)越性，并且整體性好；

5）提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度，合理設(shè)計(jì)布置電樞繞組的端部結(jié)構(gòu)，使電樞繞組的端部結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡量均勻分布。

6）同時(shí)進(jìn)行風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電阻及其相關(guān)校算，以確保控制系統(tǒng)的匹配性。

2.3進(jìn)風(fēng)過(guò)濾器

通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)過(guò)濾器可以直接加在蝸殼上，過(guò)濾器的大小約為Φ450 mm×200 mm，選用風(fēng)阻為200 Pa左右的濾料。濾料的選取，要求既有效地?cái)r截塵埃粒子，又不對(duì)氣流形成過(guò)大的阻力。本濾料采用的非織造纖維材料符合這一要求，雜亂交織的纖維形成對(duì)粒子的無(wú)數(shù)道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流通過(guò)。目前國(guó)內(nèi)船用電機(jī)用空氣濾料普遍采用這種材料，厚度為3～5 mm，一般能過(guò)濾0.2～0.5 μm的塵埃粒子和油污顆粒。這種材料應(yīng)用于船內(nèi)的效果較好，阻力也比較適宜，在配套試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

2.4通風(fēng)管路方案

原通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道存在開(kāi)裂、螺栓松動(dòng)等問(wèn)題，需要重新制造風(fēng)管，為減小噪音，風(fēng)管上建議敷設(shè)阻尼材料。對(duì)于完好無(wú)損的通風(fēng)管路經(jīng)確認(rèn)可以利用。

3 結(jié)論

改造前后性能參數(shù)對(duì)照表見(jiàn)表1。船用通風(fēng)冷卻裝置是極其重要的設(shè)備，關(guān)系著電機(jī)電器的長(zhǎng)期安全地運(yùn)行。設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)先采用成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)，追求運(yùn)行可靠和技術(shù)先進(jìn)的兩者統(tǒng)一。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面不采用不成熟的新技術(shù)。新技術(shù)的采用必須有良好的預(yù)研基礎(chǔ)或進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)和鑒定，確保風(fēng)險(xiǎn)可控。新型通風(fēng)機(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)量大、噪聲低、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，值得我國(guó)船用大型電機(jī)各種通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

表1 改造前后性能參數(shù)對(duì)照表

[1] 機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)編. 電機(jī)工程手冊(cè)第四卷[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982年8月.

[2] 魏士貴等. 理論力學(xué)解題方法[M]. 天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1986年12月.

[3] 華紹曾等. 實(shí)用流體阻力手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1985年.

[4] 丁舜年著. 大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992年.

Analysis on the Improvement for a Marine Import Ventilation System

Hu Zhuo

( CSIC Environment Engineering Co. Ltd, Wuhan 430064, China )

This paper puts forward the improvement idea, and researches principle sample machine for a marine import ventilation system actually. The new type of ventilation system is provided with merits of high rotational speed, high amount of wind, low noise level and low vibration level, which is worth popularization for marine ventilation system.

marine ventilation system; the Improvement Analysis; function parameter

U672

A

1003-4862（2016)04-0057-04

2015-12-07

胡卓（1990-)，男。研究方向：電機(jī)與電氣自動(dòng)化及其通風(fēng)冷卻工程。