碳纖維復(fù)合材料節(jié)能風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用 山東金信 胡炎楷.docx

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）系列JXTF30/35-16紡織節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用胡炎楷 吳子才 （山東省金信紡織風(fēng)機(jī)空調(diào)設(shè)備有限公司）摘要 由碳纖維復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP）制造的新型節(jié)能風(fēng)機(jī)，壽命長(zhǎng)、風(fēng)阻小、慣性能耗少，在翼型葉片和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，充分體現(xiàn)碳纖維的材料優(yōu)點(diǎn)。形成的單級(jí)無(wú)前后導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的紡織軸流風(fēng)機(jī)JXTF30/35-16，最高效率達(dá)到91.5 %。關(guān)鍵詞 CFRP 節(jié)能風(fēng)機(jī) 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用The Development and Application of JXTF30/35-16 textile energy-saving axial flow fanHu yankai Wu zicaiJinxin textile fan and air-conditioning equipment Limited Corp. in Shandong province Abstract the new energy-saving fan which is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is of much longer life , smaller wind resistance and less internal energy consumption. In the aspect of airfoil blade and structure designing it fully shows the advantages of carbon fiber materials. The efficiency of the textile axial flow fan JXTF30/35-16 is up to 91.5% Key word CFRP Energy-saving fan The Development and Application一、 現(xiàn)代紡織用節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求第 7 頁(yè) 共 7 頁(yè)節(jié)能紡織軸流風(fēng)機(jī)，既用于紡織廠空調(diào)送風(fēng)，又可用來(lái)抽取車(chē)間回風(fēng)。歸納多年從事紡織空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)范式得出，新一代紡織節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)必須符合如下條件：1. 風(fēng)量：符合工藝設(shè)備布局和送、回風(fēng)分區(qū)要求。無(wú)論是傳統(tǒng)式，還是當(dāng)今流行的多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量大多選用范圍為1020104m3/h。2. 體積小巧，防纖維纏繞，滿(mǎn)足空間和工藝條件的限制要求。紡織廠空調(diào)室總長(zhǎng)度一般18m，留給風(fēng)機(jī)段的安裝空間較小，為降低風(fēng)機(jī)口渦流損失，留給風(fēng)機(jī)口氣流方向改變的空調(diào)間一般是風(fēng)機(jī)直徑的1.5倍以上長(zhǎng)度，作為風(fēng)速降低形成的動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓的空間，留給風(fēng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度一般少于8001000mm，扣去吸口喇叭長(zhǎng)度，風(fēng)機(jī)本體600mm；而風(fēng)機(jī)葉輪直徑一般控制在2000mm以?xún)?nèi)，因此，該類(lèi)風(fēng)機(jī)必須簡(jiǎn)化為緊湊性結(jié)構(gòu)。即風(fēng)機(jī)只能有單葉輪、風(fēng)殼、電機(jī)（直聯(lián)）、進(jìn)口集風(fēng)器、電機(jī)支架5部分組成。無(wú)一般高效風(fēng)機(jī)配套的導(dǎo)流柵、無(wú)擴(kuò)壓器、無(wú)整流罩。3. 系統(tǒng)阻力變動(dòng)因素較大，高效區(qū)運(yùn)行范圍寬。作為風(fēng)機(jī)負(fù)載的風(fēng)管(風(fēng)道)，總長(zhǎng)度60120m,計(jì)算管道阻力500 pa左右，考慮空調(diào)室構(gòu)件阻力與環(huán)境設(shè)計(jì)系數(shù)，風(fēng)機(jī)全壓選用，大多按最大要求設(shè)定在500700Pa之間，實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)全壓會(huì)隨著工序工藝不同、系統(tǒng)的差異、季節(jié)變換等調(diào)節(jié)需要，在250700 Pa范圍波動(dòng)， 依然高效運(yùn)行；4. 電機(jī)直徑限定輪箍最小直徑。為確保通流面積，保證大流量需要，輪箍直徑按最小化設(shè)計(jì)，即輪箍比要小，計(jì)算結(jié)果為輪箍比0.30.35之間；5. 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在電機(jī)工頻轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到高效運(yùn)行工況點(diǎn),同時(shí)適應(yīng)變頻工況；6. 兼顧材料經(jīng)濟(jì)性、安全性，風(fēng)機(jī)葉片的最大線(xiàn)速度一般在130160m/s；7. 性能曲線(xiàn)平坦，最高效率達(dá)到90%以上。在無(wú)防喘振裝置的情況下實(shí)現(xiàn)變速變風(fēng)量調(diào)節(jié)，無(wú)失速喘振現(xiàn)象；即使在上述變工況條件下，風(fēng)機(jī)效率也不能低，80%以上甚至更高，加上工況調(diào)整帶來(lái)的節(jié)能效果疊加計(jì)算，就是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)成果。而這個(gè)效率是在公認(rèn)的國(guó)標(biāo)方法體系基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)。因此對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)選用參數(shù)一般為8891%效率；8. 適應(yīng)相對(duì)濕度98%高濕環(huán)境，24小時(shí)運(yùn)行工作制，且防暴、耐腐、不易纏繞纖維；9. 維護(hù)方便。重量輕、購(gòu)置、維護(hù)成本低，錐套連接。二、 新型紡織節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)節(jié)能紡織風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)，是針對(duì)市場(chǎng)上面廣量大的FZ系列紡織風(fēng)機(jī)存在不足而提出的。改進(jìn)點(diǎn)主要是效率不夠高、壓力偏低，尤其不適應(yīng)節(jié)能與大跨度廠房空調(diào)的需要。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)耗能機(jī)理和相關(guān)要件的再研究，擬出重新設(shè)計(jì)的技術(shù)路徑如下：1、 JXTF30/35紡織軸流風(fēng)機(jī)節(jié)能性能形成要點(diǎn) 軸流風(fēng)機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)，主要是葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的選用。葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)即葉片型線(xiàn)設(shè)計(jì)是核心，結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)，材質(zhì)是保障。鑒于JXTF30/35紡織軸流風(fēng)機(jī)屬于中低壓風(fēng)機(jī)范疇，利用翼型技術(shù)成果，運(yùn)用葉柵理論和孤立翼型混合設(shè)計(jì)法，借助CFD進(jìn)行流場(chǎng)模擬，制成樣機(jī)后，再進(jìn)行實(shí)際吹風(fēng)（風(fēng)洞試驗(yàn)）驗(yàn)證。2、 葉片翼型的選擇與優(yōu)化 電動(dòng)機(jī)在工頻轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，滿(mǎn)足單級(jí)葉輪無(wú)前后導(dǎo)葉的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，翼型必須有優(yōu)良的短程做功能力。葉型升力系數(shù)設(shè)定為0.7，從常見(jiàn)的5個(gè)基本翼型（圖1）中篩選內(nèi)凹形高效翼型作為本風(fēng)機(jī)葉型的基本翼型，并以此基礎(chǔ)上優(yōu)化、最后形成了“雙弧機(jī)翼”特征。 圖 1 常用翼形3、 節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行的阻力分析與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖 2 翼形升力1) 風(fēng)機(jī)運(yùn)行受力分析（見(jiàn)圖2） 當(dāng)空氣接近機(jī)翼前緣時(shí),氣流開(kāi)始折轉(zhuǎn),氣流被機(jī)翼分割為上下兩部分時(shí),由于翼型上表面凸起較多而下是凹的,加上機(jī)翼有一定的攻角,使流過(guò)機(jī)翼上表面的流管面積比機(jī)翼前方的面積減少而流速增大，由伯努利定理可知,上下翼面之間產(chǎn)生一個(gè)靜壓差即升力Y. 由公式分析（參見(jiàn)圖3）葉片的升力Y與升力系數(shù)Cy、空氣密度p,為葉片切割空氣速度v的平方、機(jī)翼的平面投影面積s成正比。 從翼剖面流線(xiàn)圖中所示的作用在機(jī)翼上的力可知，按產(chǎn)生阻力的原因分為：空氣粘性產(chǎn)生的摩擦阻力，壓差阻力，誘導(dǎo)阻力（伴生阻力）、慣性阻力和干擾阻力等(Fa)。風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生阻力外，其他部分如機(jī)架、輪箍也產(chǎn)生阻力。 圖 3 翼形葉柵受力分析減少這些阻力，途徑如下：A. 工藝上保證表面光滑，CFRP材料工藝上可以做成鏡面效果，將此阻力降到最低；B. 將風(fēng)機(jī)葉輪傳動(dòng)組設(shè)計(jì)成流線(xiàn)整流體；采用小輪箍等；C. 風(fēng)機(jī)電機(jī)、輪箍、支架等氣流相互干擾而產(chǎn)生的一種額外阻力，將葉根與輪箍罩的連接縫隙小化等，如電機(jī)支板的斷面和分布等，也是產(chǎn)生次聲噪聲的部位。采取非等分布局， 控制阻力的同時(shí)，抑制低頻噪音；D. 采用新材料，減輕自重，降低慣性能量分量。 4、 CFRP碳纖維復(fù)合材料葉片應(yīng)用碳纖維材料大多用于“高科技”領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電、軍事裝備、航空航天器都有應(yīng)用。紡織軸流風(fēng)機(jī)葉片材料的一般為鋁合金鑄造，如FZ系列。也有采用鋼板或玻璃鋼葉片的（50A2）。金屬耗用多，輪箍比也大。20#風(fēng)機(jī)產(chǎn)品葉輪自重高達(dá)180kg！高碳纖維及其復(fù)合材料的出現(xiàn)，為節(jié)能風(fēng)機(jī)葉片制造提供了機(jī)會(huì)。紡織風(fēng)機(jī)與風(fēng)電風(fēng)機(jī)比，有速度快、風(fēng)壓相對(duì)較高特點(diǎn)，二者使用條件差別很大。材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性方面都早已不是問(wèn)題。碳纖維基材，其比強(qiáng)是Q235A的10倍，抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2343GPa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度（即材料的強(qiáng)度與其密度之比）可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高（3）。為了生產(chǎn)高性能的高碳纖維產(chǎn)品，我們采用美國(guó)進(jìn)口的特種改性樹(shù)脂，選用日本產(chǎn)著名品牌的高碳纖維制品，組織專(zhuān)家反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合多年玻璃鋼復(fù)合材料生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，篩選出最佳工藝配方與工藝路線(xiàn)，材料和葉片成品通過(guò)性能試驗(yàn)和老化實(shí)驗(yàn)，其強(qiáng)度、韌性、剛度、形變、壽命等指標(biāo)，全部?jī)?yōu)于設(shè)計(jì)要求。而產(chǎn)品單葉片重量卻減少了53%，一臺(tái)20#軸流風(fēng)機(jī)求葉片總重凈減少56kg。這個(gè)全新的產(chǎn)品，經(jīng)氣動(dòng)性能測(cè)試和對(duì)比試驗(yàn)，產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。風(fēng)量風(fēng)壓相同條件下，電機(jī)運(yùn)行電流平均下降11.2%的直觀效果。圖4 主要性能圖三、 應(yīng)用舉例我們選取了2套不同的比較方法，一是用該產(chǎn)品替換國(guó)內(nèi)近年出現(xiàn)的新翼型風(fēng)機(jī)對(duì)比，二是與國(guó)內(nèi)仿羅瓦型FZ35/40-11產(chǎn)品進(jìn)行替換對(duì)比。節(jié)能效果見(jiàn)實(shí)例測(cè)試統(tǒng)計(jì)表1（可以重復(fù)驗(yàn)證）。風(fēng)機(jī)性能測(cè)試，通常按GB/T1236-2000風(fēng)機(jī)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)考核，嚴(yán)密、科學(xué)、具有權(quán)威性。缺點(diǎn)是不夠直觀，紡織廠用戶(hù)往往采用直接比較，類(lèi)似于GB/10178-86 工業(yè)通風(fēng)機(jī) 性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)能否在“高效點(diǎn)”運(yùn)行，與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、選型、維護(hù)、使用管理等諸多方面因素有關(guān)。而市場(chǎng)上各廠家風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際使用與資料大多存在差距，用戶(hù)大多相信直覺(jué)，最好的鑒別辦法，就是現(xiàn)場(chǎng)替代法了。把風(fēng)機(jī)葉輪做一次調(diào)換，在空調(diào)室擋水板前（或后）采用風(fēng)俗儀、壓力計(jì)測(cè)定風(fēng)量和風(fēng)壓、用電流表或電功表等儀器間接或直接讀出能耗參數(shù)，計(jì)算出結(jié)果。表1實(shí)測(cè)結(jié)果就是采用上述標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)匯總所得，在山東恒豐集團(tuán)、雅美集團(tuán)、河南項(xiàng)城紡織、華興紡織、湖北荊州奧達(dá)、祥和紡織、河南焦作海華等都得到驗(yàn)證?！半p弧翼型節(jié)能風(fēng)機(jī)葉型專(zhuān)利技術(shù)+CFRP”形成的新一代節(jié)能紡織軸流風(fēng)機(jī)，性能大幅度超過(guò)80年行業(yè)代推出的FZ紡織軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量風(fēng)壓保持不變的情況下，實(shí)際節(jié)電2535%。風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄及計(jì)算結(jié)果( 范例1)測(cè)點(diǎn)地點(diǎn)6#細(xì)紗空調(diào)送風(fēng)方式吸入式電機(jī)型號(hào)45kW-6額定電流85.5A頻率50HZ有變頻室外溫度28回風(fēng)溫度31車(chē)間相對(duì)濕度56%地吸與工藝回風(fēng)測(cè)試條件更換葉輪對(duì)比風(fēng)機(jī)變化部件葉輪測(cè)量截面（m2）10.9512測(cè)點(diǎn)數(shù)量20測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)點(diǎn)均布測(cè)試儀器熱球風(fēng)速儀、比托管、壓力計(jì)，電流表，鋼尺等測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比風(fēng)機(jī)類(lèi)型風(fēng)機(jī)型號(hào)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（HZ）平均風(fēng)速m/s實(shí)際風(fēng)量m3/h電流（A）電壓(V)COS萬(wàn)風(fēng)量耗電kW開(kāi)噴淋水節(jié)電比例原風(fēng)機(jī)18#（江蘇）45kW-6251.837214729.23780.852.25開(kāi)1302.168515735.32.3開(kāi)352.499816741.32.34開(kāi)金信碳纖維葉輪原風(fēng)機(jī)殼體+金光葉輪18#45kW-6252.678718128.00.851.78開(kāi)0.726303.011827333.71.59開(kāi)353.4213483139.41.63開(kāi)附計(jì)算方法風(fēng)量=斷面風(fēng)速*截面積*3600；完風(fēng)量耗電（功率）=3*電流*電壓*功率因素（COS）。結(jié)論：同工況，金信風(fēng)機(jī)葉輪節(jié)電27.4%風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄及計(jì)算結(jié)果( 案例2 )測(cè)點(diǎn)地點(diǎn)5#與6#細(xì)紗空調(diào)送風(fēng)方式吸入式，總送風(fēng)道互通電機(jī)型號(hào)45kW-6（位置不同的2臺(tái)）額定電流85.5A頻率50HZ有變頻室外溫度28回風(fēng)溫度31車(chē)間相對(duì)濕度55%地吸與工藝回風(fēng)測(cè)試條件不同空調(diào)室不同電機(jī)風(fēng)機(jī)變化部件葉輪測(cè)量截面（m2）10.9512測(cè)點(diǎn)數(shù)量20測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)點(diǎn)均布測(cè)試儀器熱球風(fēng)速儀、比托管、壓力計(jì)，電流表，鋼尺等測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比風(fēng)機(jī)類(lèi)型風(fēng)機(jī)型號(hào)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（HZ）平均風(fēng)速m/s實(shí)際風(fēng)量m3/h電流（A）電壓(V)COS萬(wàn)風(fēng)量耗電kW開(kāi)噴淋水節(jié)電比例原風(fēng)機(jī)18#(陜西)45kW-6252.088418626.83830.852.11開(kāi)1302.1587019322.07開(kāi)352.6210644637.41.98開(kāi)金信碳纖維葉輪原風(fēng)機(jī)殼體+金光葉輪18#45kW-6252.678718128.03780.851.78開(kāi)0.82303.011827333.71.59開(kāi)353.4213483139.41.63開(kāi)計(jì)算方法風(fēng)量=斷面風(fēng)速*截面積*3600；完風(fēng)量耗電（功率）=3*電流*電壓*功率因素（COS）。結(jié)論：同工況，金信風(fēng)機(jī)葉輪節(jié)電18%從上述2個(gè)范例測(cè)試結(jié)果分析，結(jié)論是，翼型類(lèi)似，機(jī)號(hào)同樣，測(cè)試條件相同，性能要求一致的情況下，JXTF30/35紡織軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流降低23%，達(dá)到額定參數(shù)時(shí)，電機(jī)工作電流同比下降了1018%。與翼型差異較大的FZ系列產(chǎn)品對(duì)比，電機(jī)工作電流同比下降了2028%以上。經(jīng)技術(shù)監(jiān)督部門(mén)鑒定，JXTF30/35碳纖維紡織風(fēng)機(jī)性能獨(dú)特，節(jié)能效果顯著，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，技術(shù)領(lǐng)先。四、 JXTF30/35軸流節(jié)能紡織風(fēng)機(jī)優(yōu)勢(shì)分析1. 風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子重量更輕，維護(hù)更方便。啟動(dòng)扭矩小，沖擊小，振動(dòng)小，既節(jié)能又保護(hù)了電機(jī)及傳動(dòng)部件的安全運(yùn)行；2. 沖擊吸收性好，產(chǎn)品更安全。因其單體吸收的能量?。∕V?。ㄙ|(zhì)量與速度的積），即使是遇到意外事故毀壞葉片，其危險(xiǎn)性也大大降低；3. 防爆性能獨(dú)特。因碳纖維導(dǎo)電性，制成的產(chǎn)品使用中無(wú)靜電產(chǎn)生，也無(wú)火花，可以在紡織廠作“回風(fēng)機(jī)”使用；4. 噪聲低，更環(huán)保。因材料加工過(guò)程的可塑性強(qiáng)，采用現(xiàn)代模壓技術(shù)與表面處理技術(shù)，碳纖維復(fù)合材料葉片表面精美，光滑，型線(xiàn)流暢，致使風(fēng)機(jī)葉輪切割空氣的風(fēng)阻小，因此噪聲也降低了約2dB；5. CFRP的疏水性，導(dǎo)熱、耐腐等綜合性能更優(yōu)越。光滑風(fēng)機(jī)葉片不粘掛、不積灰、不腐蝕，有抗纏擾的優(yōu)點(diǎn)，杜絕了紡織空調(diào)除塵環(huán)境積灰、積塵，導(dǎo)致葉輪不平衡的問(wèn)題。五、 結(jié) 論由新材料、新工藝形成