黃愉太 唐清生 吳雪良 唐柱才
(佛山市云米電器科技有限公司 順德 528000)
軸流風(fēng)葉具有低壓大流量等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于空調(diào)、礦井、冶金、紡織、電站等各個(gè)領(lǐng)域。風(fēng)葉的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以CFD方法為主,結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[1],設(shè)計(jì)過(guò)程中較少考慮風(fēng)葉強(qiáng)度及變形對(duì)性能的影響。但隨著長(zhǎng)期使用,風(fēng)葉難免產(chǎn)生不可逆的變形,如變形過(guò)大也將造成整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)性能的下降,從而影響設(shè)備功能。如文獻(xiàn)[2]即為設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)葉變形導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速下異?!拔宋寺暋?,最終通過(guò)改善流場(chǎng)腔體與風(fēng)葉葉尖之間的干涉得以解決。
對(duì)于空調(diào)室外機(jī),軸流風(fēng)葉主要對(duì)換熱器進(jìn)行散熱,在夏天時(shí)空調(diào)外機(jī)內(nèi)部溫度將達(dá)到60 ℃以上,風(fēng)葉所運(yùn)行的環(huán)境溫度較高,長(zhǎng)期運(yùn)行下,風(fēng)葉將極易產(chǎn)生變形。對(duì)于風(fēng)葉變形研究,眾多科研技術(shù)人員提出了可行的研究方法,文獻(xiàn)[3]結(jié)合流固耦合仿真方法及高速三維成像變形測(cè)試法對(duì)軸流風(fēng)葉葉根的彎度進(jìn)行優(yōu)化,提高結(jié)構(gòu)的剛度以降低葉片變形量。對(duì)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道系統(tǒng),李佳峰[4]采用流固耦合方法并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證做了振動(dòng)和強(qiáng)度的系統(tǒng)研究,指出該方法可有效提高軸流風(fēng)扇氣動(dòng)性能和振動(dòng)預(yù)測(cè)??v覽所查文獻(xiàn)[5-8]以結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)為主,較少考慮風(fēng)葉材料對(duì)變形的作用,本文從材料角度進(jìn)行流固耦合強(qiáng)度分析,通過(guò)對(duì)比風(fēng)葉變形情況,為更合適快捷的選擇空調(diào)風(fēng)葉材料提供工程技術(shù)指導(dǎo)。
選用某空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)葉為研究對(duì)象,其直徑440 mm,葉高150 mm,通過(guò)三維軟件處理風(fēng)葉模型,去除風(fēng)葉不必要邊角,修整風(fēng)葉表面。同時(shí)建立包含進(jìn)風(fēng)域、出風(fēng)域及旋轉(zhuǎn)域的流場(chǎng)模型,如圖1所示。進(jìn)風(fēng)域和出風(fēng)域均為擴(kuò)口型圓筒,中間通過(guò)導(dǎo)風(fēng)圈連接,進(jìn)風(fēng)域長(zhǎng)度約為風(fēng)葉直徑2倍,出風(fēng)域長(zhǎng)度為風(fēng)葉直徑5倍,旋轉(zhuǎn)域包裹風(fēng)葉,流場(chǎng)模型設(shè)定為空氣。
圖1 風(fēng)葉流場(chǎng)模型示意圖
模型采用流固耦合算法,首先將風(fēng)葉和流場(chǎng)模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后使用流體求解器對(duì)流場(chǎng)模型做穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算,結(jié)構(gòu)求解器對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行受力計(jì)算,設(shè)定風(fēng)葉轉(zhuǎn)速為常用的800 rpm。當(dāng)流場(chǎng)計(jì)算達(dá)穩(wěn)定后,將所得的葉片表面壓力數(shù)據(jù)作為壓力荷載傳遞至結(jié)構(gòu)求解器的風(fēng)葉表面,在受到表面壓力的作用下,風(fēng)葉即產(chǎn)生形變,從而可知風(fēng)葉受力情況。
為研究風(fēng)葉不同材料變形情況,分別設(shè)定其材料為家電常用的PP(原風(fēng)葉)和GF20 %(即AS+20 %玻釬,優(yōu)化風(fēng)葉)兩種材料性能參數(shù)如表1。同時(shí)為便于數(shù)據(jù)對(duì)比,將風(fēng)葉沿徑向劃分為四部分,由前緣至尾緣選取30 %和70 %徑向曲線為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)點(diǎn),如圖2所示,與外緣交點(diǎn)為a~d點(diǎn)。
表1 風(fēng)葉材料性能
圖2 葉片分區(qū)示意圖
圖3為風(fēng)葉表面應(yīng)力分布,圖4和圖5分別為風(fēng)葉徑向70 %和30 %截面的應(yīng)力和軸向位移曲線。從云圖可看出,采用GF20 %材料,風(fēng)葉的最大應(yīng)力值為10.75 Mpa,略大于PP料的10.7 MPa,位于前緣靠近輪轂位置,均遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)曲線可知,葉片靠近輪轂處應(yīng)力出現(xiàn)峰值,且前緣峰值大于尾緣,GF20 %風(fēng)葉應(yīng)力大于PP風(fēng)葉。
圖3 風(fēng)葉表面應(yīng)力分布
圖4 風(fēng)葉沿徑向截面應(yīng)力曲線
圖5 風(fēng)葉沿徑向截面軸向位移曲線
由位移曲線看出風(fēng)葉前緣為負(fù)值,尾緣為正值,說(shuō)明風(fēng)葉運(yùn)行時(shí)主要受慣性力作用,使前緣向壓力面扭轉(zhuǎn),而尾緣向吸力面扭轉(zhuǎn)。GF20 %風(fēng)葉尾緣軸向位移與PP風(fēng)葉基本相同,可見風(fēng)葉尾緣雖為主要做功區(qū)域,但變形量不大。但GF20 %風(fēng)葉前緣軸向位移為0.8 mm,而PP風(fēng)葉為2.9 mm,遠(yuǎn)大于GF20 %風(fēng)葉,這主要是因?yàn)槲簿壗Y(jié)構(gòu)較為平整,變形較小,靠前緣位置呈懸臂結(jié)構(gòu),變形較大,且PP材料較GF20 %材料更軟,在同樣壓力荷載作用下產(chǎn)生更大形變。因此可預(yù)見對(duì)于長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境運(yùn)行的空調(diào)風(fēng)葉,選擇GF20 %材料對(duì)風(fēng)葉變形的影響較小。
為研究?jī)煞N材料運(yùn)行過(guò)程中是否與電機(jī)產(chǎn)生共振,從而造成異音,將GF20 %風(fēng)葉風(fēng)葉和PP風(fēng)葉分別進(jìn)行模態(tài)仿真分析,由于葉片在軸上完全固定,因此對(duì)軸孔施加完全約束,提取前6階固有頻率如表2所示。從表中可看出,GF20 %風(fēng)葉第1階頻率比PP風(fēng)葉大2.4 Hz,第2~4階大1 Hz,而5~6階小8.3 Hz。對(duì)于空調(diào)室外機(jī),其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍一般為(700~800)rpm,對(duì)于3葉片結(jié)構(gòu),可算得風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)頻率范圍為(35~40)Hz,結(jié)合優(yōu)化風(fēng)葉計(jì)算結(jié)果,前3階頻率為(27.27~29.46)Hz,后3階頻率為(50.55~58.77)Hz,GF20 %風(fēng)葉風(fēng)葉前四階頻率略高于PP風(fēng)葉,而后兩階低于PP風(fēng)葉,但兩種風(fēng)葉固有頻率均與旋轉(zhuǎn)頻率相差較大,因此不會(huì)發(fā)生共振。
表2 風(fēng)葉前6階固有頻率
為驗(yàn)證仿真模擬的準(zhǔn)確性,將同一型號(hào)的風(fēng)葉分別采用GF20 %和PP材料制作成品,測(cè)量葉片初始狀態(tài)時(shí)a~d點(diǎn)(如圖1)葉片高度,并安裝在兩臺(tái)空調(diào)室外機(jī)上,在環(huán)境溫度35 ℃和相對(duì)濕度(65±10)%的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,將空調(diào)室外機(jī)同時(shí)開啟,風(fēng)葉轉(zhuǎn)速按800 rpm長(zhǎng)期運(yùn)行七天,結(jié)束后取下風(fēng)葉,再次測(cè)量a~d點(diǎn)葉片高度,將前后數(shù)據(jù)做差即得其變形量,如表3。從表中看出其70 %與30 %截面的最大變形量與仿真數(shù)值基本相當(dāng),發(fā)展趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明仿真結(jié)果具有參考意義。此外PP風(fēng)葉變形量明顯大于GF20 %風(fēng)葉,對(duì)于空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用中,選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大的GF20 %作為風(fēng)葉材料更能確保產(chǎn)品在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持風(fēng)葉性能的穩(wěn)定性。
表3 風(fēng)葉變形量對(duì)比
家用空調(diào)室外機(jī)風(fēng)葉采用不同材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生差異顯著的不可逆變形,為減小風(fēng)葉變形而影響整機(jī)換熱性能,宜在結(jié)構(gòu)合理的情況下進(jìn)一步選擇變形較小的材料。因此本文基于相同風(fēng)葉結(jié)構(gòu),首先建立風(fēng)葉運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值仿真模型,并采用流固耦合技術(shù)對(duì)兩種材料的風(fēng)葉進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和模態(tài)分析,結(jié)果表明:
1)在正常運(yùn)行情況下,所對(duì)比的兩種材料的應(yīng)力峰值均小于材料屈服強(qiáng)度,在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面可滿足安全使用要求。
2)對(duì)比風(fēng)葉常規(guī)使用的各轉(zhuǎn)速段旋轉(zhuǎn)頻率,兩種材料風(fēng)葉的固有頻率與之相距較大,不會(huì)發(fā)生共振,即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)異音概率較小。
3)結(jié)合仿真和長(zhǎng)運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比風(fēng)葉兩種材料變形情況,PP材料相比GF20 %材料變形明顯增大,為降低空調(diào)的長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)風(fēng)葉變形導(dǎo)致性能減弱風(fēng)險(xiǎn),宜采用強(qiáng)度較大的GF20 %作為風(fēng)葉材料。
4)綜合來(lái)看,采用流固耦合進(jìn)行風(fēng)葉變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明采用該仿真方法預(yù)測(cè)變形和材料選型具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。