鋒速達通風降溫系統
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車間降溫風機大型引風機軸承燒瓦原因分析及治理基于CFD的軸流通
第一次試轉時，甲側引風機電機推力端軸瓦溫度升高，定值保護停機；乙側引風機電機膨脹端軸瓦溫度升至報警值，為了防止設備嚴重損壞，手動停機。檢查發現甲側引風機電機推力端軸瓦有燒瓦現象，乙側引風機電機膨脹端軸瓦局部有磨痕�，F場消缺，重新安裝后，電機試運轉4
h無異�，F象。鍋爐空氣動力場試驗時，2臺引風機電機的軸瓦溫度穩定在61.9℃（甲）、59.5℃（乙）后略微下降，轉動正常。
2005年4月1日，電除塵氣流分布試驗過程中除電機軸瓦溫度稍高外，其他正常。但是在氣流分布試驗快結束后，16∶00，62號引風機電機側軸瓦溫度快速攀升至62.4℃時；16∶30，61號引風機風機側軸瓦溫度快速攀升至61.2℃，都有進一步上升的趨勢。為了保護設備，手動停機。2臺電機氣流分布試驗時引風機軸瓦溫升值見表1。
表1氣流分布試驗時引風機軸瓦溫升值
時間61號電機軸承溫度/℃時間62號電機軸承溫度/℃
電機側風機側電機側風機側
12:0019.018.112:0019.916.7
13:0040.138.513:0041.435.7
14:0048.749.114:0053.947.2
15:0050.751.915:0056.950.3
16:0053.155.816:0059.252.9
16：3054．857．916:0162．453．5
16：3155．261．2
4月2日～4月5日對電機軸瓦解體檢查，發現2臺電機端外側和風機端外側軸瓦均有磨瓦現象，但內側沒有磨瓦現象。同時發現油擋附近軸頸處油潤滑明顯不足。對瓦面作刮瓦處理試轉，當溫度達到56～60℃后，瓦溫快速攀升。前后試運轉達11次，每次情況都差不多。解瓦檢查發現,瓦面痕跡一致。加大冷卻油量后，不再燒瓦，但溫度仍然升至62℃，并且隨著氣溫的波動而波動。整個過程中，2臺風機軸系振動很好，最大振動均為1絲左右。
2原因分析
打開軸瓦對軸承進行了仔細檢查，如壓力角、間隙、橢圓度等，甲、乙側引風機電機軸承檢查數據見表2。所有數據都符合規范和廠家技術要求，可以排除安裝不當的原因。
表2甲、乙側引風機電機軸承檢查數據
檢查項目甲側引風機電機乙側引風機電機
推力端膨脹端推力端膨脹端
電機軸與軸瓦之間側間隙/mm0.150.150.150.15
電機軸與軸瓦之間頂間隙/mm0.330.320.320.33
電機軸瓦接觸角75°75°75°75°
電機軸瓦接觸面/點·cm-2≥1≥1≥1≥1
軸肩與軸瓦之間間隙/mm7.47.67.57.4
由于2臺引風機軸系軸向、水平、垂直方向振動都很小，所以排除了軸系不對中、磁力線中心、電機基礎等問題。瓦面沒有被電擊的痕跡，所以也排除了軸承座絕緣不夠和轉子磁通量軸向分布不均等原因。2臺風機為同一批產品，且燒瓦發生的過程和癥狀非常相似，所以初步認定故障原因是一致的。
由這2臺引風機電機軸瓦溫升高直至燒瓦整個過程，通過對原始記錄的數據資料進行分析，初步判斷故障是由于甩油環轉動帶上來的油量太少，在下瓦壓力角內無法形成和保持一定厚度的油膜，導致軸頸與軸瓦接觸摩擦。瓦溫、油溫升高后，潤滑油的黏度下降，加劇了油膜的破壞，直至軸瓦與軸頸摩擦,溫度急劇升高。當溫度達到某一臨界數值時，油膜承壓能力低于軸頸壓力，由此將引起惡性循環，導致軸瓦溫度快速攀升。
加大潤滑冷卻油量后,潤滑油位高于軸瓦下瓦面，這雖然緩解了油膜的破壞,在一定程度上避免了軸與軸瓦的直接接觸,但是此時的平衡溫度達到62℃,是一種高位平衡,軸承運行風險太大。
3改進措施
（1）更換潤滑油。用46號機械油代替46號透平油，目的是為了提高潤滑油的黏度，使得在甩油環轉動時可以帶上更多的油。但高溫時,機械油黏度的下降程度比透平油大。但是試驗證明，效果并不明顯。
�。�2）對軸瓦進口油囊作加深處理。在出油側增加出油油囊，在瓦面開網狀油槽，目的是為了加大軸潤滑冷卻油的循環速度。上述措施沒有起到決定性作用。
�。�3）對甩油環進行改進。在粗糙甩油面內側開淺斜槽，在甩油環側面加開幾條淺油槽。該措施同時帶來了正、負兩方面的效應。正面作用是有利于甩油環在轉動過程中儲油，使得帶油量增加。負面作用是油槽加深，出油量相對于帶油量的比重下降。
�。�4）加大潤滑油量。將油位實際高度達到下瓦面以下（圖紙要求下瓦的2/3高度），這樣雖然緩解了油膜破壞，但油位太高，以致局部換熱效果變差，平衡時溫度太高，風險加大。
�。�5）在油室內加設盤管式水冷卻裝置。該方法相對比較簡易方便。但是由于油室結構特殊，且增加冷卻裝置將相對減少油室中的油量，如果發生冷卻水效率降低或者上層油溫升高現象（冷卻只能針對下層油），溫度就不能很好控制。
現場實施效果表明，實施上述多種措施后的效果并不明顯，以上方法不能夠從根本上解決軸瓦溫度過高的問題。
在這種情況下，只有改變潤滑冷卻方式，才能達到軸瓦降溫的目的。在對問題進行分析的基礎上，決定采用電機軸承外循環冷卻裝置。改進前、后軸瓦結構圖，分別見圖1、圖2。電機用外循環潤滑工程見圖3。盡管增加了投資，但有效地增加了排熱量和潤滑流量。在選擇油循環的路徑上，采用進油（冷油）噴淋，油室高位油溢流回油的方案。在電機軸承外部加裝一套循環潤滑油工程，供2臺電機4個軸瓦用。甩油環仍然保留，在每個軸承上瓦靠進油側裝1根Dg15的進油管，安裝1個Dg15的閥門，以便調節進油量的大小，0.2MPa壓力對軸頸直接噴淋。每個軸瓦約有4L/min的潤滑油流經瓦面，充足的油量形成一定的油膜，確保摩擦面處于液體摩擦狀態，并及時帶走軸承產生的熱量。用軸承座的預留接口做回油接口（管徑為Dg50），使油室仍然保持原有的油位高度。當外循環裝置發生故障或斷電，導致短時間意外事故發生時，甩油環仍然可以向軸瓦供油。值班人員發現瓦溫上升快，溫度高等異常情況后，可以及時處理，采取措施以避免燒瓦事故的發生。
圖1改進前的軸瓦結構
圖2改進后的軸瓦結構
圖3電機用外循環潤滑工程圖
為確認電機軸承外循環冷卻裝置的可靠性，裝置裝好后，將6號鍋爐的一次風機、送風、密封風機和引風機全部啟動，按照設備的額定工況進行滿負荷運行，運行48h，整個過程中最高溫度始終保持在37℃左右，說明上述方案起到了很好效果。
4結論
引起軸瓦溫度升高的原因很多。如果是由振動引起的，可以從轉子動平衡、軸系找中心、基礎剛度、磁力線中心等方面處理。如果是由于傳熱等問題引起的溫度升高而導致燒瓦時，僅從機械和結構上分析，往往不易尋找出根本原因，這時必須從潤滑原理上分析，尋找原因，從根本上解決軸承溫度高的問題。
我們通過加裝一套強制外循環冷卻裝置，改進了軸瓦冷卻和潤滑方式，有效地解決了軸瓦溫度高的缺陷。
摘要 ：通過計算流體力學（ CFD ）方法對軸流通風機葉片的流場進行了虛擬樣機的數值模擬，不僅得到了流場的工作特性數據，而且提出了對葉片葉型的改進設計方案，并通過真實樣機的試驗驗證了數值模擬分析的正確性和改進設計的可行性。最后，還對數值模擬與真實試驗數據之間的差異原因進行了討論。
關鍵詞 ：軸流式通風機；葉片； CFD ；流場分析；改進設計
中圖分類號： TH432.1 文獻標識碼： B
文章編號 : 1006 - 8155 ( 2008 )02-0021-05
The Fl ow Field Analysis and Improved Design for Axial- fl ow Fan Leaf Based on CFD
Abstract : This paper numerically simulated the fl ow field for virtual protot yp e of the leaf of axial- fl ow fan by computational fl uid dynamics (CFD) method. The working characteristics data of fl ow field are not only obtained, but also the improved design plans for the leaf t yp es are presented and the correctness of the simulated analysis and the feasibility of the improved design are verified based on the real test for actual protot yp e. Finally, some possible reasons for the differences between simulated data and real test data are discussed.
Key words : axial- fl ow fan; leaf; CFD; fl ow field analysis; improved design
0 引言
軸流通風機的傳統設計方法主要有兩種：一種是利用孤立翼型進行空氣動力試驗所得到的數據進行孤立翼型設計，稱為孤立翼型設計方法；另一種是利用平面葉柵的理論和葉柵的吹風試驗所得到的數據進行設計，稱為葉柵設計方法 [1] 。試驗測量方法所得到的試驗結果真實可信，但往往受模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度等的限制，有可能很難通過試驗方法得到結果。此外試驗還會遇到經費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難。計算流體力學（ CFD ）的計算方法是近年來發展起來的新型獨立學科，它兼有理論性和實踐性的雙重特點，建立了許多理論和方法，為現代科學中許多復雜流動與傳熱問題提供了有效的計算技術 [2] 。軸流通風機葉片作為關鍵部件，其性能直接影響著風機的性能。軸流通風機設計的主要任務就是設計出能保證各項性能要求的高效率葉片。
本文介紹的是采用現今先進的 CFD 方法，以我公司生產的一款汽車用冷凝器風扇的葉片為例，進行探索性的流場分析與改進設計研究。
1 葉片的 CFD 流場分析
1.1 對象描述
該風扇總成的整體三維圖如圖 1 所示。葉片直徑為 250mm ，材料為 PP ，其技術要求：在靜壓 p = － 50Pa （風機進口處的壓力比周圍空氣低 50Pa ），轉速為 2600r/min 的情況下，風扇總成在一個標準大氣壓、溫度為 20 ℃、相對濕度為 50% 的空氣，用標準電機在 12V 的電壓下進行送風測試時，其送風量應≥ 900m 3 /h ，標準電機工作電流應≤ 7A 。
1.2 劃分網格
計算流體力學作為工程應用的有效工具，所面臨的關鍵技術之一就是生成網格的質量的好壞，它直接影響到模擬結果的精度和所耗用的 CPU 時間。在計算敏感區域（壁面附近、尾流塊、外形曲率大的表面）參數變化梯度大，如果網格太稀疏，則不能捕捉到流場的重要信息，造成誤差大，甚至解不能收斂，故需取較密的一些網格；而在非計算敏感區域參數變化梯度較小，如果網格太稠密，則所耗用的 CPU 時間長，故應取較稀一些的網格。因此，應根據需要安排網格疏密。另外，曲線應盡量光滑，不能過分扭曲。在 CFD 的實際應用中，計算量一般非常大，合理劃分網格可以大大節省機時，還可以避免自動網格劃分中帶來的過度疏密。高正交網格和高效展玄比是高質量網格的兩個基本要素，它直接影響到計算的收斂時間和穩定性。
顯然該葉片是周期對稱的，因而選用 1/5 的葉片進行計算。根據經驗及反復調整，得到 36 萬節點的葉片周圍氣體的網格如圖 2 所示，其網格參數的評價結果（見表 1 ）顯示該生成的葉片網格是高效網格。為了避免因為網格密度不足而造成計算不可靠的影響，對改進前后的葉片的計算域均進行加大網格密度的驗證，由原來 36 萬節點的網格加密為 92 萬節點的網格。對加密的網格進行計算得到的結果與原結果對比，誤差不超過萬分之一，說明原計算所用的網格密度足夠，其計算結果是可靠的。
1.3 邊界條件及求解參數設置
在進行 CFD 流場分析時所采取的部分邊界條件及參數設置如下：
�。� 1 ）對流方式選用 k- w SST （剪切應力輸運模型 [3] ）模型；
�。� 2 ）采用旋轉坐標系的方法，設置計算域轉速為技術要求的工作轉速 2600r/min ；
�。� 3 ）取參考壓力為 1013 25Pa ，通過試算設定進口總壓條件，調節進口總壓的相對值使進口靜壓達到－ 50Pa ，此時總壓相對值約為－ 29Pa ；
�。� 4 ）由于在距葉片相對較近的一段距離內氣體總壓變化不大，且出口與大氣相連，因而對風機出口設定出口平均靜壓相對值為 0Pa ；
�。� 5 ）對于流線罩，考慮到實際狀態為靜止部件，其與葉片的距離較近，有相互作用，因而在邊界條件中設為反向旋轉的墻，即在旋轉坐標系中流線罩是運動的。但由于流線罩是圓周對稱的圓柱面，不會造成計算區域不穩定的問題；
�。� 6 ）由于葉片頂部與流線罩相互作用強烈，生成葉片網格時將葉片與流線罩間單獨分兩個重合的面。利用兩個重合的面建立一液體對液體的接觸面邊界條件。該邊界條件充分利用了其可允許壓力突變的特點，將葉片頂部與流線罩的復雜流動，通過兩個重合面與葉片面分成流動相對平穩的兩個區域。對于周期面自然選用周期邊界條件，其余的面采用缺省的無滑移壁面邊界條件。
�。� 7 ）收斂控制與收斂準則：求解器的時間步長設為“自動調整時間步長”；最大迭代次數為 500 次；殘差類型為均方根；前后計算的殘差余量設為 0.00001 。
1.4 仿真結果與討論
為了得出風機的工作特性曲線，在只改變轉速而不改變其余邊界條件的情況下，得到如表 2 的仿真結果。
表 2 風扇總成的仿真特性表
轉速/
（r/min）
進口靜壓/
Pa
出口靜壓/
Pa
流量/
（ m3/h）
驅動功率/
W
靜壓效率
全壓效率
2200
-42.7761
0.52 1021
776.945
38.0585
0.5 8062 8
0. 6702 52
2400
-46.2891
0.359684
881.604
47.401
0.55 7008
0.672634
2600
-50.0987
-0.118407
9 78 .025
58.3476
0.532155
0.674805
2800
-54.3257
-0.604545
1073 .88
70.9436
0.512821
0.6 8049 8
3000
-59.012
-0. 8998 97
1170.09
84.9523
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