一种提高风机叶片承载能力的方法

摘 要:介绍了一种通过理论计算将通风机用叶片固定座人为的偏置一定的角度，可大大地改善叶柄的受力情况提高叶轮的承载能力。并在实际应用中得到了证实，大大提高了挤拉叶片的应用范围。

关键词：挤拉叶片卸载叶轮的设计；使用。

概述

事件回顾：2006年我公司为了满足市场对产量的需求，降低工人劳动强度，适应环保要求与上海交大合作开发了挤拉成型工艺制造的玻璃钢叶片，并大量投入市场。后来发生了用户使用两个月左右时间，叶柄部位批量断裂的情况，导致大连某石化企业二百多台风机被召回的质量事故，经技术分析造成质量事故的主要原因是叶柄处强度不够造成的。

在工业生产与人们的日常生活中，往往会同时产生出大量的无用的热量，只有及时的排出这些大量的废热，正常的生产生活才能得以维持。工业化程度越发达，人们的物质生活水平越高，需要排出的废热就越多。千万不要小看这些废热，这次日本福岛核电站事故中，就是因为冷却塔断电不能正常工作，导致核反应产生的废热未能及时排出而产生了灾难性的后果。本文所论述的风机就是目前工业和民用常用的通风机。它广泛的用于冷却塔，空冷器和混合通风冷却塔。风机是这些机械通风机的主要部件，其主要功能是将机械能转变为空气动能，强迫气体流动，以实现冷热交换。

近年来随着风机产量以及人们对环保意识的提高，挤拉成型工艺用于叶片生产加工正在国外被普遍采用。拉挤成型工艺克服了传统手糊工艺产品质量的不稳定，劳动强度大，生产环境差，劳动生产率低等缺陷。过去人们总是认为挤拉成型工艺生产的叶片传动效率较模压，真空成型等工艺生产的叶片要低，通过标准的小风筒试验我们发现如果叶型选择适当，挤拉成型工艺生产的风机效率并不比传统的模压或真空成型传统工艺生产的风机效率差。目前国内挤拉成型工艺生产风机的厂家越来越多，叶片的材质也个不相同有玻璃钢材质的有铝合金的有不锈钢材质的等。但受到叶柄强度的限制所生产的风机直径都小于4.5米直径。在新型带卸载功能叶轮未开发之前我公司挤拉成型工艺生产的风机径也是不大于4.5米风机，经过技术创新我们设计出具有卸载功能的叶轮，使风机直径增加到六米（最大曾生产过6.3米直径的风机），大大扩充了挤拉工艺生产叶片的使用范围。

通常叶片的开发，首先是选定叶型。确定叶片截面形状。设计叶片截面形状时应考虑在满足功能的条件下使截面尺寸尽量的小，截面尺寸越小，越容易选择拉机型号，又可节省材料降低生产成本。目前，由于受到拉床吨位的限制，叶片的截面尺寸不能做的太大，否则无法加工。叶片的截面尺寸见图一。

图一 叶片截面尺寸

这些都确定后，叶柄的最大直径也就定下来了,对于叶片来讲正常工作时，叶柄处的强度是相对较薄弱的，因此要提高叶片的承载能力必须从提高叶柄处的承载能力着手。由于叶片远离旋转中心，叶片应制造的尽量轻，这对叶轮的平衡有利。从材料力学我们知道对于圆柱形零件越靠近心部的材料对零件抗弯强度影响越小。综合上述因素我们将叶柄设计成空心钢管结构，即可减轻叶片重量提高叶片品质，又可降低产生成本。

设计思路

叶片的叶柄根部通过固定座与轮毂相联，传统的叶轮大多设计成叶柄的中心线垂直于旋转轴（见图二），这种结构优点是结构简单，安装方便，但叶片如一根很长的悬臂梁，分布的空气动力载荷和叶片的自身重量对叶片根部会产生很大的弯矩，而且这种弯矩随着周向气流速度的周期变化而相应的改变，叶片在大的交变弯矩作用下容易发生疲劳损环。

由于挤拉叶片叶柄最大直径受叶片截面尺寸的限制无法做大，受叶柄强度的限制，叶片的承载能力受到限制，叶轮直径也无法做大，只能做小直径风机，大大限制了挤拉叶片的使用范围。

图二 传统叶轮示意图

近年来国外有部分厂商将叶轮设计成叶片可以绕挥舞铰作上下

挥舞运动的铰支结构（见图三），这种结构在叶柄旋转的平面主要承受由于离心力产生的拉应力，由于叶柄是由钢材制造的，承受拉应力的能力要比承受弯曲应力加拉应力的能力要大的多，这样就大大改善了叶片根部的受力情况，缺点是增加了一个自由度如果结构设计不当很容易产生叶片长时间上下摆动而发生振动等现象。叶片在挥舞运动中偏离 水平面下沉的角度定义为叶片挥舞角β，并将挥舞铰距旋转中心的距离定为偏置量 。叶片在正常工作中的受力分析如图四～八所示：

图三 铰支叶轮

图四 重力

图五 离心力

图六 气动力

由于叶片在运行过程中作周期挥舞运动，其频率等于风机转频，因而还存在挥舞惯性力，当叶轮运转达到平衡时，惯性力为零。计算平衡时可不予考虑。

图七挥舞惯性力

图八 各力合成

除了这些力外，在挥舞铰支处必须设计成有很大的阻尼系数的结构，将叶片的力矩不平衡而产生的叶片上下摆动尽快衰减达到动态平衡，因此叶片在挥舞过程中还存在一力矩阻碍其挥舞，当叶片达到稳定运转时，这些对挥舞铰产生的上下摆动力矩之和应为零，即：由离心力产生的转距同重量产生的转矩加上气动力所产生的力距之和相平衡，转矩为零。

通过对1.2米至6米直径的风机在不同工况条件下，叶轮平衡后实际的挥舞角的统计，达到平衡时挥舞角范围是2.5至5度。这样给我们一个启示如果能够将叶片的安装固定座人为的倾斜一个角度，同样能够起到在叶片旋转时一个由离心力产生的离心力距来部分平衡由叶身重量和气动力产生的力距，对叶片根部所受弯矩起到卸载的作用，据此我们设计出了具有卸载功能的叶轮（见图九），其原理是人为的将叶片固定座设计成一定的角度为3,5度，这样叶片旋转时产生的离心力会产生一个力距来平衡由重力和空气动力产生的力矩。减少叶柄根部所承受的扭矩。

图四 卸载固定座叶轮

经过这些年的生产实践，取得了预期效果。叶柄处直径48毫米，原最大叶轮直径为4.5米，改进后最大叶轮直径可达6米（曾经最大生产过6.3米叶轮），取得了较好的经济效果。现将强度校核叙述如下。并假设水平方向为0度，水平朝下为正，水平朝上为负。