碳纖維復合材料節(jié)能風機開發(fā)應用 山東金信 胡炎楷.docx

碳纖維復合材料（CFRP）系列JXTF30/35-16紡織節(jié)能軸流風機開發(fā)與應用胡炎楷 吳子才 （山東省金信紡織風機空調設備有限公司）摘要 由碳纖維復合材料（簡稱CFRP）制造的新型節(jié)能風機，壽命長、風阻小、慣性能耗少，在翼型葉片和結構設計方面，充分體現(xiàn)碳纖維的材料優(yōu)點。形成的單級無前后導流結構的紡織軸流風機JXTF30/35-16，最高效率達到91.5 %。關鍵詞 CFRP 節(jié)能風機 開發(fā)與應用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)能軸流風機的設計要求第 7 頁 共 7 頁節(jié)能紡織軸流風機，既用于紡織廠空調送風，又可用來抽取車間回風。歸納多年從事紡織空調系統(tǒng)設計范式得出，新一代紡織節(jié)能軸流風機必須符合如下條件：1. 風量：符合工藝設備布局和送、回風分區(qū)要求。無論是傳統(tǒng)式，還是當今流行的多風機系統(tǒng)，風機風量大多選用范圍為1020104m3/h。2. 體積小巧，防纖維纏繞，滿足空間和工藝條件的限制要求。紡織廠空調室總長度一般18m，留給風機段的安裝空間較小，為降低風機口渦流損失，留給風機口氣流方向改變的空調間一般是風機直徑的1.5倍以上長度，作為風速降低形成的動壓轉換為靜壓的空間，留給風機的軸向長度一般少于8001000mm，扣去吸口喇叭長度，風機本體600mm；而風機葉輪直徑一般控制在2000mm以內，因此，該類風機必須簡化為緊湊性結構。即風機只能有單葉輪、風殼、電機（直聯(lián)）、進口集風器、電機支架5部分組成。無一般高效風機配套的導流柵、無擴壓器、無整流罩。3. 系統(tǒng)阻力變動因素較大，高效區(qū)運行范圍寬。作為風機負載的風管(風道)，總長度60120m,計算管道阻力500 pa左右，考慮空調室構件阻力與環(huán)境設計系數(shù)，風機全壓選用，大多按最大要求設定在500700Pa之間，實際運行中，風機全壓會隨著工序工藝不同、系統(tǒng)的差異、季節(jié)變換等調節(jié)需要，在250700 Pa范圍波動， 依然高效運行；4. 電機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計，即輪箍比要小，計算結果為輪箍比0.30.35之間；5. 風機轉速。在電機工頻轉速范圍內達到高效運行工況點,同時適應變頻工況；6. 兼顧材料經(jīng)濟性、安全性，風機葉片的最大線速度一般在130160m/s；7. 性能曲線平坦，最高效率達到90%以上。在無防喘振裝置的情況下實現(xiàn)變速變風量調節(jié)，無失速喘振現(xiàn)象；即使在上述變工況條件下，風機效率也不能低，80%以上甚至更高，加上工況調整帶來的節(jié)能效果疊加計算，就是風機系統(tǒng)節(jié)能的技術成果。而這個效率是在公認的國標方法體系基礎的評價。因此對應的風機選用參數(shù)一般為8891%效率；8. 適應相對濕度98%高濕環(huán)境，24小時運行工作制，且防暴、耐腐、不易纏繞纖維；9. 維護方便。重量輕、購置、維護成本低，錐套連接。二、 新型紡織節(jié)能軸流風機設計要點節(jié)能紡織風機開發(fā)，是針對市場上面廣量大的FZ系列紡織風機存在不足而提出的。改進點主要是效率不夠高、壓力偏低，尤其不適應節(jié)能與大跨度廠房空調的需要。通過對風機耗能機理和相關要件的再研究，擬出重新設計的技術路徑如下：1、 JXTF30/35紡織軸流風機節(jié)能性能形成要點 軸流風機節(jié)能設計，主要是葉片氣動設計、風機結構、材質的選用。葉片氣動設計即葉片型線設計是核心，結構是基礎，材質是保障。鑒于JXTF30/35紡織軸流風機屬于中低壓風機范疇，利用翼型技術成果，運用葉柵理論和孤立翼型混合設計法，借助CFD進行流場模擬，制成樣機后，再進行實際吹風（風洞試驗）驗證。2、 葉片翼型的選擇與優(yōu)化 電動機在工頻轉速下運行，滿足單級葉輪無前后導葉的風機設計，翼型必須有優(yōu)良的短程做功能力。葉型升力系數(shù)設定為0.7，從常見的5個基本翼型（圖1）中篩選內凹形高效翼型作為本風機葉型的基本翼型，并以此基礎上優(yōu)化、最后形成了“雙弧機翼”特征。 圖 1 常用翼形3、 節(jié)能軸流風機運行的阻力分析與風機結構優(yōu)化圖 2 翼形升力1) 風機運行受力分析（見圖2） 當空氣接近機翼前緣時,氣流開始折轉,氣流被機翼分割為上下兩部分時,由于翼型上表面凸起較多而下是凹的,加上機翼有一定的攻角,使流過機翼上表面的流管面積比機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)生一個靜壓差即升力Y. 由公式分析（參見圖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、機翼的平面投影面積s成正比。 從翼剖面流線圖中所示的作用在機翼上的力可知，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，誘導阻力（伴生阻力）、慣性阻力和干擾阻力等(Fa)。風機葉片產(chǎn)生阻力外，其他部分如機架、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. 將風機葉輪傳動組設計成流線整流體；采用小輪箍等；C. 風機電機、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，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碳纖維復合材料葉片應用碳纖維材料大多用于“高科技”領域。風力發(fā)電、軍事裝備、航空航天器都有應用。紡織軸流風機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#風機產(chǎn)品葉輪自重高達180kg！高碳纖維及其復合材料的出現(xiàn)，為節(jié)能風機葉片制造提供了機會。紡織風機與風電風機比，有速度快、風壓相對較高特點，二者使用條件差別很大。材料的強度、剛度和穩(wěn)定性方面都早已不是問題。碳纖維基材，其比強是Q235A的10倍，抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2343GPa亦高于鋼。因此CFRP的比強度（即材料的強度與其密度之比）可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而Q235鋼的比強度僅為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，我們采用美國進口的特種改性樹脂，選用日本產(chǎn)著名品牌的高碳纖維制品，組織專家反復試驗，結合多年玻璃鋼復合材料生產(chǎn)經(jīng)驗，篩選出最佳工藝配方與工藝路線，材料和葉片成品通過性能試驗和老化實驗，其強度、韌性、剛度、形變、壽命等指標，全部優(yōu)于設計要求。而產(chǎn)品單葉片重量卻減少了53%，一臺20#軸流風機求葉片總重凈減少56kg。這個全新的產(chǎn)品，經(jīng)氣動性能測試和對比試驗，產(chǎn)品測試結果見圖4。風量風壓相同條件下，電機運行電流平均下降11.2%的直觀效果。圖4 主要性能圖三、 應用舉例我們選取了2套不同的比較方法，一是用該產(chǎn)品替換國內近年出現(xiàn)的新翼型風機對比，二是與國內仿羅瓦型FZ35/40-11產(chǎn)品進行替換對比。節(jié)能效果見實例測試統(tǒng)計表1（可以重復驗證）。風機性能測試，通常按GB/T1236-2000風機性能檢測標準考核，嚴密、科學、具有權威性。缺點是不夠直觀，紡織廠用戶往往采用直接比較，類似于GB/10178-86 工業(yè)通風機 性能現(xiàn)場試驗。風機能否在“高效點”運行，與風機設計、選型、維護、使用管理等諸多方面因素有關。而市場上各廠家風機產(chǎn)品的實際使用與資料大多存在差距，用戶大多相信直覺，最好的鑒別辦法，就是現(xiàn)場替代法了。把風機葉輪做一次調換，在空調室擋水板前（或后）采用風俗儀、壓力計測定風量和風壓、用電流表或電功表等儀器間接或直接讀出能耗參數(shù)，計算出結果。表1實測結果就是采用上述標準實測匯總所得，在山東恒豐集團、雅美集團、河南項城紡織、華興紡織、湖北荊州奧達、祥和紡織、河南焦作海華等都得到驗證?！半p弧翼型節(jié)能風機葉型專利技術+CFRP”形成的新一代節(jié)能紡織軸流風機，性能大幅度超過80年行業(yè)代推出的FZ紡織軸流風機，風量風壓保持不變的情況下，實際節(jié)電2535%。風機現(xiàn)場測試記錄及計算結果( 范例1)測點地點6#細紗空調送風方式吸入式電機型號45kW-6額定電流85.5A頻率50HZ有變頻室外溫度28回風溫度31車間相對濕度56%地吸與工藝回風測試條件更換葉輪對比風機變化部件葉輪測量截面（m2）10.9512測點數(shù)量20測點位置坐標點均布測試儀器熱球風速儀、比托管、壓力計，電流表，鋼尺等測試數(shù)據(jù)對比風機類型風機型號電機運行轉速（HZ）平均風速m/s實際風量m3/h電流（A）電壓(V)COS萬風量耗電kW開噴淋水節(jié)電比例原風機18#（江蘇）45kW-6251.837214729.23780.852.25開1302.168515735.32.3開352.499816741.32.34開金信碳纖維葉輪原風機殼體+金光葉輪18#45kW-6252.678718128.00.851.78開0.726303.011827333.71.59開353.4213483139.41.63開附計算方法風量=斷面風速*截面積*3600；完風量耗電（功率）=3*電流*電壓*功率因素（COS）。結論：同工況，金信風機葉輪節(jié)電27.4%風機現(xiàn)場測試記錄及計算結果( 案例2 )測點地點5#與6#細紗空調送風方式吸入式，總送風道互通電機型號45kW-6（位置不同的2臺）額定電流85.5A頻率50HZ有變頻室外溫度28回風溫度31車間相對濕度55%地吸與工藝回風測試條件不同空調室不同電機風機變化部件葉輪測量截面（m2）10.9512測點數(shù)量20測點位置坐標點均布測試儀器熱球風速儀、比托管、壓力計，電流表，鋼尺等測試數(shù)據(jù)對比風機類型風機型號電機運行轉速（HZ）平均風速m/s實際風量m3/h電流（A）電壓(V)COS萬風量耗電kW開噴淋水節(jié)電比例原風機18#(陜西)45kW-6252.088418626.83830.852.11開1302.1587019322.07開352.6210644637.41.98開金信碳纖維葉輪原風機殼體+金光葉輪18#45kW-6252.678718128.03780.851.78開0.82303.011827333.71.59開353.4213483139.41.63開計算方法風量=斷面風速*截面積*3600；完風量耗電（功率）=3*電流*電壓*功率因素（COS）。結論：同工況，金信風機葉輪節(jié)電18%從上述2個范例測試結果分析，結論是，翼型類似，機號同樣，測試條件相同，性能要求一致的情況下，JXTF30/35紡織軸流風機啟動電流降低23%，達到額定參數(shù)時，電機工作電流同比下降了1018%。與翼型差異較大的FZ系列產(chǎn)品對比，電機工作電流同比下降了2028%以上。經(jīng)技術監(jiān)督部門鑒定，JXTF30/35碳纖維紡織風機性能獨特，節(jié)能效果顯著，填補了國內空白，技術領先。四、 JXTF30/35軸流節(jié)能紡織風機優(yōu)勢分析1. 風機葉輪轉子重量更輕，維護更方便。啟動扭矩小，沖擊小，振動小，既節(jié)能又保護了電機及傳動部件的安全運行；2. 沖擊吸收性好，產(chǎn)品更安全。因其單體吸收的能量小（MV?。ㄙ|量與速度的積），即使是遇到意外事故毀壞葉片，其危險性也大大降低；3. 防爆性能獨特。因碳纖維導電性，制成的產(chǎn)品使用中無靜電產(chǎn)生，也無火花，可以在紡織廠作“回風機”使用；4. 噪聲低，更環(huán)保。因材料加工過程的可塑性強，采用現(xiàn)代模壓技術與表面處理技術，碳纖維復合材料葉片表面精美，光滑，型線流暢，致使風機葉輪切割空氣的風阻小，因此噪聲也降低了約2dB；5. CFRP的疏水性，導熱、耐腐等綜合性能更優(yōu)越。光滑風機葉片不粘掛、不積灰、不腐蝕，有抗纏擾的優(yōu)點，杜絕了紡織空調除塵環(huán)境積灰、積塵，導致葉輪不平衡的問題。五、 結 論由新材料、新工藝形成