黃棟，郭偉科，劉輝，林祿生，吳智恒*

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基于CFD的自冷高速電主軸風(fēng)扇葉片性能研究

黃棟1，郭偉科1，劉輝1，林祿生2，吳智恒1*

（1.廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070；2.廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，廣東 廣州 511356）

以葉片安裝型式和葉片型線(xiàn)為設(shè)計(jì)因素對(duì)6種高速電主軸自冷風(fēng)扇葉片進(jìn)行了CFD模擬，得到了風(fēng)扇內(nèi)部的流場(chǎng)情況。研究發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)量和全壓隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，風(fēng)扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變；軸功率主要受葉片安裝方式的影響，葉片型線(xiàn)的影響不大；弧線(xiàn)徑向式葉片和弧線(xiàn)前向式葉片的冷卻風(fēng)量和效率最高，但弧線(xiàn)前向式葉片需要消耗更多的軸功率；風(fēng)扇內(nèi)部氣流受電主軸端面和風(fēng)罩的阻礙，容易在葉片根部和風(fēng)罩處產(chǎn)生漩渦，造成流動(dòng)損失。

自冷；高速電主軸；風(fēng)扇葉片；CFD

高速電主軸是高速加工中心的核心部件，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”[1]，具有慣性小、加工精度高、動(dòng)態(tài)特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致主軸在徑向和軸向都產(chǎn)生一定的熱應(yīng)變，影響高速加工的精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、機(jī)床的承載力以及軸承使用壽命。因此，冷卻一直是高速電主軸的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前，木工機(jī)床用高速電主軸的冷卻方式主要采取強(qiáng)制風(fēng)冷[2-3]，一般是通過(guò)在電主軸后端外裝軸流風(fēng)扇，將電主軸產(chǎn)生的熱量帶走，從而達(dá)到電主軸的熱平衡效果。軸流風(fēng)扇風(fēng)量大，冷卻效果較好，然而外裝軸流風(fēng)扇，使整個(gè)電主軸結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且成本很高。因此，將外裝軸流風(fēng)扇更改為在電主軸后端直接固定連接扇葉，形成自扇風(fēng)冷電主軸。電主軸轉(zhuǎn)速較普通電機(jī)高很多，葉片受力較大，所以需采取離心葉片，如圖1所示。葉片的安裝方式和型線(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)量有重要影響[4]，本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對(duì)6種不同的葉片進(jìn)行仿真與分析，對(duì)高速電主軸自冷風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。近年來(lái)，許多學(xué)者都采用CFD方法對(duì)流體機(jī)械的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析并取得了一些研究成果[5-6]。

1 葉片型式的設(shè)計(jì)

冷卻風(fēng)扇葉片對(duì)風(fēng)道內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)情況起主要作用，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片型式和葉片型線(xiàn)，可有效提升冷卻風(fēng)量和其它綜合性能。本文根據(jù)葉片出口安裝角的大小將葉片分為前向式、后向式和徑向式三種，根據(jù)葉片型線(xiàn)分為直線(xiàn)型和弧線(xiàn)型，如圖2所示。

圖1 自扇風(fēng)冷電主軸示意簡(jiǎn)圖

圖2 不同型式葉片的示意圖

2 數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格劃分

本文所求解的控制方程組是三維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier－Stokes方程組。湍流模型采用考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的RNG－湍流模型，為湍動(dòng)能，是湍流耗散率；壁面邊界條件為無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[7]；進(jìn)口邊界條件為大氣壓入口，出口邊界條件為大氣壓出口。由于葉片旋轉(zhuǎn)，模型中存在動(dòng)靜結(jié)合面，采用Fluent軟件中的MRF（Moving Reference Frame）模型，這是把風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)簡(jiǎn)化為葉片在某一位置的瞬時(shí)流場(chǎng)，將非定常問(wèn)題用定常方法計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中以作用的科氏力和離心力進(jìn)行定常計(jì)算；而固定區(qū)域是在慣性坐標(biāo)系里進(jìn)行定常計(jì)算。在兩個(gè)區(qū)域的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù)，保證了交界面的連續(xù)性。

由于電主軸幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并有旋轉(zhuǎn)部件，網(wǎng)格劃分時(shí)將電主軸分為三塊：入口段、旋轉(zhuǎn)葉片和風(fēng)道。入口段和旋轉(zhuǎn)葉片采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；風(fēng)道部分較規(guī)則，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 電主軸網(wǎng)格模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 葉片性能比較

電主軸的最高轉(zhuǎn)速為24000 r/min，因此在12000～24000 r/min這一區(qū)間內(nèi)取5個(gè)工況點(diǎn)，分別對(duì)6種不同的葉片進(jìn)行模擬仿真。圖4、圖5給出了不同葉片的轉(zhuǎn)速－風(fēng)量、轉(zhuǎn)速－效率對(duì)比曲線(xiàn)，其中風(fēng)扇效率為：

式中：N為有效功率，W；為軸功率，W；為全壓，Pa；為風(fēng)量，m3/h；為葉片扭矩，N·m；為葉片轉(zhuǎn)速，r/min。

由圖4可知，冷卻風(fēng)量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加；在相同轉(zhuǎn)速下，相比直線(xiàn)型葉片，弧線(xiàn)型葉片的冷卻風(fēng)量更大，其中弧線(xiàn)徑向式葉片的風(fēng)量最大，直線(xiàn)前向式葉片的風(fēng)量最小。由圖5可知，一旦葉片的結(jié)構(gòu)型式確定，風(fēng)扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變，因此葉片的前期設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。其中，弧線(xiàn)徑向式和弧線(xiàn)前向式葉片的風(fēng)扇效率最高，達(dá)到52%，而直線(xiàn)前向式葉片的效率最低，只有32%左右。

圖4 轉(zhuǎn)速－流量曲線(xiàn)圖

圖5 轉(zhuǎn)速－效率曲線(xiàn)圖

圖6和圖7分別給出了6種葉片在不同轉(zhuǎn)速下的全壓對(duì)比曲線(xiàn)和軸功率對(duì)比曲線(xiàn)。風(fēng)扇全壓隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，其中前向式葉片的全壓最大，徑向式葉片其次，后向式葉片最小。然而，前向式葉片所消耗的軸功率也是最大的，徑向式葉片次之，后向式葉片最小。前向式葉片比后向式葉片所消耗的軸功率多一倍。由圖7還可以看出，軸功率主要受葉片安裝型式影響，葉片型線(xiàn)對(duì)軸功率的影響很小。

圖6 轉(zhuǎn)速－全壓曲線(xiàn)圖

圖7 轉(zhuǎn)速－軸功率曲線(xiàn)圖

表1綜合了6種葉片型式在轉(zhuǎn)速12000 r/min時(shí)主要性能參數(shù)的對(duì)比結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，弧線(xiàn)徑向式葉片和弧線(xiàn)前向式葉片的風(fēng)量和效率變化很小，且在所有葉片中表現(xiàn)最優(yōu)；弧線(xiàn)前向式葉片的全壓雖然比弧線(xiàn)徑向式葉片高，但是其軸功率消耗也增大了，在轉(zhuǎn)速12000 r/min時(shí)多消耗了33.4%的軸功率。另外，前向式葉片動(dòng)能頭所占比較大，而實(shí)際希望得到較高的靜能頭以克服冷卻風(fēng)道的阻力。

表1 6種葉片在12000 r/min時(shí)的性能參數(shù)

3.2 風(fēng)扇內(nèi)流場(chǎng)情況

由圖8可看出，弧線(xiàn)后向式葉片周?chē)乃俣确植急容^均勻，流動(dòng)損失較小，直線(xiàn)后向式葉片在葉片的一側(cè)存在一個(gè)較大的低速區(qū)域即尾跡區(qū)域，流動(dòng)損失較大。徑向式和前向式葉片的末端有一個(gè)高速區(qū)域，因?yàn)榇颂帤饬魇艿饺~片的作用力最大。

圖8 葉片半高處的速度云圖

圖9為風(fēng)扇特征截面流場(chǎng)情況，在進(jìn)口處氣流流場(chǎng)較為均勻，靠近葉片區(qū)域后受葉片作用則氣流速度迅速增大并沿葉片根部到葉片末端逐漸增大，經(jīng)過(guò)葉片后受風(fēng)罩阻礙作用則氣流被迫大角度改變方向，使得流動(dòng)損失增大，同時(shí)也容易導(dǎo)致回流和漩渦的產(chǎn)生，如圖10所示。在葉片根部，氣流被前方的電主軸端面阻擋，也導(dǎo)致了漩渦的產(chǎn)生。通過(guò)數(shù)值模擬得到了高速電主軸自冷風(fēng)扇內(nèi)部的流場(chǎng)特征，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)提供了有力參考依據(jù)。

圖9 風(fēng)扇內(nèi)部特征截面的速度流線(xiàn)圖

圖10 風(fēng)扇內(nèi)局部速度流線(xiàn)圖

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)6種高速電主軸自冷風(fēng)扇葉片進(jìn)行仿真模擬，得到了風(fēng)扇內(nèi)部的流場(chǎng)情況。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：

（1）冷卻風(fēng)量和全壓隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，風(fēng)扇效率隨轉(zhuǎn)速的變化基本保持不變，其主要取決于葉片的幾何結(jié)構(gòu)型式；軸功率主要受葉片安裝方式的影響，葉片型線(xiàn)的影響不大。

（2）不同葉片的性能表現(xiàn)也各不相同，其中前向式葉片的全壓和軸功率最大，徑向式葉片次之，后向式葉片最??；弧線(xiàn)徑向式葉片和弧線(xiàn)前向式葉片的冷卻風(fēng)量和效率最高，但是弧線(xiàn)前向式葉片需要消耗更多的軸功率，在轉(zhuǎn)速12000 r/min時(shí)多消耗33.4%的軸功率。

（3）從風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)情況可知，由于氣流受電主軸端面的阻礙，在葉片根部產(chǎn)生了漩渦，造成流動(dòng)損失；風(fēng)扇葉片為徑流式葉片，氣流經(jīng)過(guò)葉片后在風(fēng)罩處發(fā)生急劇轉(zhuǎn)彎，容易導(dǎo)致漩渦產(chǎn)生，進(jìn)一步增大了流動(dòng)損失。

[1]張柏霖，張志潤(rùn)，肖曙紅. 超高速加工與機(jī)床的零傳動(dòng)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，1996，7（5）：37-40.

[2]馬大國(guó)，姜新波，馬巖. 木工機(jī)械用高速電主軸的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J]. 木材加工機(jī)械，2012（3）：33-36.

[3]張偉. 木材加工高速電主軸技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 木材加工機(jī)械，2008（3）：26-28.

[4]吳讓利，吳沛佳，秦國(guó)良. 葉片型線(xiàn)對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能影響的研究[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014（1）：31-36.

[5]宋冬梅，廖功磊，劉雪垠，等. 基于湍流數(shù)值模擬的雙吸離心泵性能預(yù)測(cè)[J]. 機(jī)械，2017，44（8）：18-21.

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[7]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Performance Research of Self-Cooled Fan Blade in High-Speed Motorized Spindle Based on CFD

HUANG Dong1，GUO Weike1，LIU Hui1，LIN Lusheng2，WU Zhiheng1

( 1.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing, Guangzhou 510070, China;2.Guangzhou Haozhi Industrial Co., Ltd., Guangzhou 511356, China )

Simulations of six types of self-cooled fan blades in high-speed motorized spindle were carried out based on blade mounting type and blade profile. The flow field inside the fan was obtained. The results show that the cooling air volume and the total pressure grows with the increase of rotational speed, while the efficiency basically stay the same. The shaft power is mainly affected by blade installation, while the blade profile has little influence on it. The cooling air volume and efficiency are highest in the arc radial blade and the arc forward blade, but the arc forward blade consumes more shaft power. The internal flow of the fan is hindered by the end face of the motorized spindle and the wind shield, which tends to create a vortex and cause the flow loss.

self-cooled；high-speed motorized spindle；fan blade；CFD

TS642；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.009

1006－0316 (2018) 11－0037－05

2018－02－08

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201508010019、201604016130）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B010136005、2016B090918121）

黃棟（1988－），男，廣西玉林人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備可靠性數(shù)值模擬。

通訊作者：吳智恒（1970－），男，廣西南寧人，碩士，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。