摘要:介绍了新模型系列风机的快速优化设计计算方法,为简化设计计算及方便实践应用,采用了电子表格进行风机机号、性能参数流量压力的取值即最高转速确定匹配关系:与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系;与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系:与电机功率安全系数、电机极数匹配关系的应用计算。并以CF51新模型系列风机采用电子表格设计计算方法为例,进行详细说明。

   随着我国国民经济的快速发展,以及国家对环保节能产品的要求,近年来风机行业协会、各大院校研究所、风机专业制造厂家都在积极研发新型节能高效低噪环保的风机气动模型,并取得了相当的成绩。但也存在着重理论气动模型研发、对与工厂制造衔接的系列优化规划与部件结构工艺设计重视不够,使研发的新模型风机特别是在工业领域风机,无论在研发进度、研发质量、使用可靠性上都未真正体现新模型风机气动性能研发价值。笔者在风机行业从业多年,已有多个新模型系列风机产品成功研发成为公司主导产品。现对新模型系列风机用电子表格计算( Excel)的快速优化设计方法予以阐述设计思路

无论是引进消化、校企合作还是自主开发,当新模型风机气动性能样机经实测达到设计要求,就需转入系列优化规划设计与部件结构工艺设计等具体开发内容上来。系列规划设计中涉及风机机号、性能参数流量压力的取值即最高转速确定匹配关系:与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系;与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系;与电机功率安全系数、电机极数匹配关系等。上述系列规划设计完成以后,就可转入结构工作图设计。笔者以CF51新模型风机系列规划用电子表格计算为例,进行详细说明。
风机机号、性能流量压力的分布取值范围
CF51风机叶轮采用强后向多圆弧板式叶片,叶轮直径800m时的样机最高效率79.5%、全压系数为0.512、比转速为27.4。
CF51风机机号叶轮直径尺寸按GB/T17774《工业通风机尺寸》标准,取为315、355、400、450、500、560、710、800、900、1000、120、1250、1400、1600、1800、2000等共十六个机号。
CF51性能参数流量压力的取值须经前期市场调研,满足弥补本公司选型的空白点,及对本公司历史产生的较多非标定制进行统计,初步的确定性能参数流量压力的取值。对中小型工业风机而言,在全压系数、比转速、风机机号确定的情况下,确定性能参数一般即指最高转速确定后的
最高压力取值CF51机号500风机初定设计最高转速为4200r/min,最高全压为8125Pa,见表1;

表1~表2中用电子表格计算方式,原始参数为CF51样机测试值,改变设计参数值中的机号/叶轮直径D1、风机转速n1、进气介质密度p1即可进行风机性能的变换计算。
3风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命
当初步的性能参数流量压力的取值、最高转速确定以后,需进行转子组主轴强度、临界转速轴承寿命等的计算。CF1风机均按C式三角带传动进行配置计算,对其中CF51机号500、800250、2000风机的转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命初定设计配置计算见图1、表5风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命电子表格计算方式见表六,以CF51机号800风机为例。CF51机号800风机初定设计最高转速为2900r/min,计算结果为主轴强度:RB处最大复合应力o<[o-1]w主轴(一般碳素钢)许用弯曲应力,20.38MPa40~65MPa,主轴强度满足安全要求。
主轴临界转速:主轴计算临界转速nc=5745r/min,800风机初定设计最高转速n=2900r/min,计算的安全系数nc/n=5745/2900=1.98,nc〉1.3n主轴临界转速满足安全要求。以nc>1.3n为安全系数反算,主轴最大可运行转速n4419r/min，轴承寿命:CF51机号800风机最高全压为0447Pa,必须考虑轴向力Fa对轴承寿命的影响,
以RA或RB取较大受力支点计算(非相同型号轴承需都算一下),计算的轴承寿命为107160h≈12.23年,满足寿命要求注意序号8带轮直径D尺寸2对主轴RA或RB的受力及轴承寿命影响,需反复核算。
在轴承寿命计算时,必须计入离心通风机的轴向推力回。单吸入风机在运转过程中产生的轴向推力对轴承寿命影响,如采用深沟球轴承计算寿命通不过时,可采用球面滚子、角接触球等不同类型轴承反复核算,达到100以上理论寿命为妥,采用不同类型轴承时,需注意轴承极限转速对风机最高允许运行转速的限制。

表6的电子表格计算方式,可通过改变设计原始参数值中序号112风机叶轮重量、风机转速、轴承箱主轴、功率、带轮直径等设计参数值,即可进行风机转子组的变换计算。

4与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系
CF51风机比转速为27.4,属中低比转速风机,叶轮叶片出口宽度较窄。一般工厂内部都有规格化的轴盘尺寸系列。按以上方法初定好转子组规格,其主轴直径、轴承型号、对应轴盘外径及轴盘内孔基本确定。为防止叶轮轴盐搭子对叶片进口流道堵塞,需进行叶轮轮盖进口与轴盘搭子的截面积之比校核,见表7。

表7中的A值,文献[6-7]给出了设计理论参数,考虑满足系列规划设计及轴盘“三化”要求,笔者认为轮盖/叶片进口圆环面积比A、叶轮内轴盘搭子高度hl/叶轮叶片出口宽度b2比B,满足或接近模型样机系数值,且尽量保证轴盘搭子与进气气流流通面为弧形圆滑过渡,是可以满足相似设计条件的。

5与电机功率安全系数、极数匹配关系
表8中的允许最大轴功率值,与表一~表四中用电子表格计算,改变设计参数值中的机号/叶轮直径D、风机转速n1l、进气介质密度p1得出的NI内功率相匹配校核,在保证电机安全系数的情况下,得到最大的性能参数流量压力值,并最终确定电机规格。

6结论
我公司近些年在新模型风机气动性能研发、样机测试完成以后,通过在系列优化规划与部件结构工艺设计等具体开发内容上产生的问题,不断总结,逐步摸索出采用电子表格计算的方法,掌握了一套快速准确完成系列优化规划转入结构工作图设计的实用方法。该方法对离心风机、轴流风机、空调风机、工业风机、单进风风机、双进风风机均适用。并建议为满足系列化、标准化、通用化的“三化”要求,建议有实力的风机厂在新模型风机研发前期准备时,应考虑对转子组传动箱、轴盘等工厂内部基础标准件进行整理完善,来满足与研发风机全系列机号的合理匹配,为转入结构工作图设计带来方便。
本文的CF51新模型风机系列优化规划的快速设计,所有的表格内容数据均为计算最终稿,实际需运用电子表格进行风机转速、风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命、叶轮轴盘尺寸、电机功率匹配等参数的联动变换计算,并熟悉掌握其变化规律,提高计算准确度与工作效率。采用上述CF51新模型风机系列优化规划的快速设计方法,同样也适用于结构工作图设计,将另文赘述风机行业的《高效节能离心通风机系列化基本模型研发》,根据计划进度要求完成系列样机标定后,向行业推广。届时可参考本文所述的系列优化规划的快速设计方法,实践证明因其简单、实用、有效,相信一定会达到事半功倍的效果。