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軸流風(fēng)葉以其風(fēng)量大的特性，在空調(diào)室外機中得到廣泛運用。隨著空調(diào)產(chǎn)品對冷凝器換熱性能要求的不斷提高，軸流風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速也隨之提高，這就對軸流風(fēng)葉的強度提出了更高的要求。在實際使用中，軸流風(fēng)葉葉片因高速運轉(zhuǎn)而撕裂和破碎現(xiàn)象比較常見。行業(yè)中通常以高速運轉(zhuǎn)實驗來對軸流風(fēng)葉進行強度分析，即風(fēng)葉以實際使用最高轉(zhuǎn)速的2-3倍運行5、10分鐘，以風(fēng)葉是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞為標(biāo)準(zhǔn)來檢驗軸流風(fēng)葉的強度。
針對空調(diào)產(chǎn)品用軸流風(fēng)葉的破裂問題，對風(fēng)葉強度的影響因素進行了分析，并基于有限元分析對軸流風(fēng)葉進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效解決其破裂問題，提高風(fēng)葉強度，增強空調(diào)產(chǎn)品市場競爭力。
某空調(diào)用軸流風(fēng)葉在高速運轉(zhuǎn)時葉根出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致整個風(fēng)葉破碎，破裂樣件如圖所示。風(fēng)葉材料為AS-GF20，材料密度1.16kg/mm，材料最大許用拉伸強度極限為108MPa，破裂轉(zhuǎn)速n=2200 rpm。軸流風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)時，葉片主要受到離心力和由氣流引起的氣動載荷的作用。離心力所產(chǎn)生的應(yīng)力對葉片產(chǎn)生拉伸作用，在葉片頂端為零，向葉根逐步增大，在葉根處達到最大值。氣動載荷引起的應(yīng)力h來源于風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時與空氣的相互作用，大小主要由葉片的葉型決定，氣動載荷對葉片產(chǎn)生彎曲作用，在葉片根部達到最大值。因此，風(fēng)葉破裂的原因為葉片根部所受應(yīng)力超過其材料的強度極限，為找到風(fēng)葉破裂具體原因，本研究利用有限元方法分析了風(fēng)葉強度，還分別分析了對風(fēng)葉在氣動載荷和離心力載荷下的受力情況。
為確定軸流風(fēng)葉在高速運轉(zhuǎn)時氣動載荷產(chǎn)生的應(yīng)力大小，本研究通過采用流固耦合方法，利用Fluent葉算風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)時葉片所受的氣動載荷，將計算得到的氣動載荷結(jié)果加載到workbench靜力學(xué)模塊中求解應(yīng)力大小。計算得到風(fēng)葉正面和背面在2200 rpm轉(zhuǎn)速下的壓力分布如圖所示。將氣動載荷計算結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立起風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時的流固耦合仿真模型。通過計算，在氣動載荷下風(fēng)葉所受最大應(yīng)力為2MPa，應(yīng)力分布云圖如圖所示。從流固藕合仿真結(jié)果可以看出，氣動載荷下的最大應(yīng)力2MPa遠(yuǎn)小于材料的屈服強度108MPa，可忽略不計，因此風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時的氣動載荷不是引起風(fēng)葉破裂的主要原因。
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