某船用进口通风系统的改进分析_胡卓.docx

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1、Vol.36 No.4 2016.4 船电技术 |应用研宄 某船用进口通风系统的改进分析 胡卓 (中船重工环境工程有限公司，武汉 430064) 摘 要 ： 针对一种船用进口通风系统，提出了改进思路，并进行了原理样机研究，使新型通风系统具有转 速高、风量大、噪声低、振动小的优点，值得我国船用通风系统的推广应用。 关 键 词 ： 船 用 通 风 系 统 改 进 分 析 性 能 参 数 中图分类号： U672 文献标识码： A 文章编号： 1003-4862 (2016)04-0057-04 DOI: 10.13632/j .meee.2016.04.015 Analysis on the Imp

2、rovement for a Marine Import Ventilation System Hu Zhuo (CSIC Environment Engineering Co. Ltd, Wuhan 430064, China ) Abstract: This paper puts forward the improvement idea, and researches principle sample machine for a marine import ventilation system actually. The new type of ventilation system is

3、provided with merits of high rotational speed, high amount of wind, low noise level and low vibration level, which is worth popularization for marine ventilation system. Keywords: marine ventilation system; the Improvement Analysis; function parameter 引言 对于某引进船而言，由于使用年限较长，已 到中修时期，面临诸多设备的更换维修。本文对 其通风

4、系统利用中修时间，进行系列改进设计而 面临的问题进行分析。 船用通风系统一般有直流通风机组和交流通 风机组，主要用于电机等发热设备的通风冷却。 一般经常采用交流通风机组，或将直流通风机组 进行交流化改进设计。但有时由于船用电源的原 因，直流通风机组无法进行交流化改进，只能进 行通风性 能和减振降噪方面的改进研制。 1原通风系统存在的突出问题 原通风系统改进前存在的突出问题有： 1) 通风机的叶轮为铆接结构，长时间运行后， 由于应力集中的原因，导致铆钉容易脱落，造成 通风机振动噪声增大，严重时会导致铆钉和叶片 甩进电机内部，造成严重后果； 收稿日期 ： 2015-12-07 作者简介 ：胡卓（

5、1990-)，男。研宄方向：电机与电气自 动化及其通风冷却工程。 2) 采用开式通风，电机风路与舱室直接相通， 且通风机的进风口无空气过滤器，舱内空气中的 油雾、盐雾、霉菌、灰尘等直接进入电机内部， 电机内部环境变差，导致电机的绝缘电阻值降低； 3) 通风管开裂、螺钉松动、密封条老化，造 成漏风和噪声偏大； 由于上述原因造成电机的保养周期缩短，影 响在航率。基于上述情况，为保证电机能长期稳 定的运行，有必要在中修时对电机的通风系统进 行改造，替代目前的通风系统。 设计指导思想是： 1) 通风机组的设计以安全性、可靠性放在首 位，充分利用现有技术成果和成熟的先进技术， 确保满足原技术性能的要求，

6、改善电机运行环境； 2) 贯彻维修方便的原则，对通风系统需要维 护保养的部件提供维修性与可达性，力求使船上 维修工作量与工作难度降至最低； 3) 通风机组和冷却器在原安装位置进行改造 时，尽量减小牵连工程的工作量。 2 改 进 分 析 经过前期的现场勘验和上述通风机组的初步 57 船电技术 I应用研究 Vol.36 No.4 2016.4 性能试验可知，原通风机组的振动噪声指标处于 我国同类通风机组的较低水平，我国对该同类通 风机组基本上没有应用典例，所以对原通风机组 进行改造设计很有必要，也非常迫切。对于新研 制的通风机组，其振动噪声指标必须处于我国同 类通风机组的先进水平，在同类通风机组中

7、还没 有实现，设计制造的难度非同一般。 对于新研制的通风机组，结合三维仿真计算 软件对整个电机通风系统进行建模和仿真分析， 得到电机的整体阻力性能与流量分布，温度场分 布，根据计算结果，在保证电机满足温升限值的 条件下，合理选取和优化通风机组的参数。 2.1新型通风机研制方案 本电机通风机的风量、风压与船上通常的通 风机相比，叶轮尺寸基本一致，但是转速较高 (3000 r/min 2000 r/min)， 蜗壳尺寸较小，使振 动噪声要求更高，研制难度较大。总的来说，通 风机是采用后倾式圆弧型空心叶片、圆弧形进风 口、小涡壳宽叶片，进行模拟样机研究。 一般通风机蜗壳的长宽比，为叶轮直径 的 1.

8、921.6)22.1)2父 1.7/)2。 对于本通风机， 最佳尺寸应为 988x832 mm 1092x884 mm之间。 但是本通风机因外形尺寸受到实船安装尺寸的限 制，不可能按上述最佳蜗壳尺寸设计，长宽比尺 寸只能为：1.5621.542，完全超出了设计的 最佳尺寸。对于同等大小的叶轮，蜗壳尺寸越大， 越有利于降低噪声，因此这增加了降噪的难度。 为此，我们开展了多方案的模拟样机试验研宄工 作，共设计制做了十余种不同叶片数、或叶片形 状的叶轮、或多种不同的降低噪声措施的蜗壳、 或不同曲线形状的进风口，对上述叶轮、进风口、 蜗壳进行了有针对性的排列组合，进行了大量空 气动力性能试验，绘制出各

9、种风机的无因次曲线， 比较各方案的噪声、流量、风压、效率的综合性 能，最后得到最佳设计方案。模拟样机的工作点 接近理想最优点，在满足风量、风压的同时 ， A 声压级为93 dB以下，最后通过通风机的性能核 算，各项性能指标可以满足研制要求。 由于船上的安装空间有限，在对 通风机进行 改进优化设计时，前提是不影响船上的安装。为 提高空气流量和风压，只能对蜗壳和叶轮尺寸作 少量调整，拟将蜗壳尺寸 300 mm调整到 350 mm。 将叶轮外径从原来的 0505拟提高到 $510 (D520 mm,厚度约增加约 20 mm左右，提高空气 流量和压力，并优化叶轮结构形式和叶片数量等， 提高制造工艺。叶

10、轮拟采用锻铝件或离心铸铝件 整体加工而成。降低叶轮重量，减轻对风机电机 轴承的载荷，同时对轴盘进行优化设计。 另外，通风机本体的噪声与振动主要与两点 有关，一是通风机的转速、叶片数等气动参数， 叶轮拟采用机翼型叶片与导流式进风口，优化叶 轮与进风口的轴向和径向间隙，以改善流动损失， 降低涡流噪声；二是通风机叶轮的动平衡精度。 改造后的通风机叶轮动平衡精度提高到 1级，降 低通风机转频振动和噪声。 通风机叶轮的动平衡精度提高后，其振动值 将降低，改造后的通风机要求风机叶轮和风机电 机转子先单独校动平衡，再将风机电机转子与风 机叶轮组合后一起再次校动平衡，从而确保其动 平衡精度。 该叶轮在前盘、后

11、盘上进行焊接时，一般采 用45 ，根据试验情况进行微小的调整。焊接质 量按照我国标准执行，叶轮焊接成型（见 图 1)后， 在精度符合要求的动平衡仪上进行动平衡校正。 动平衡校正时，根据试验测量情况，将合适大小 和质量的平衡块在前盘、后盘上焊接牢固。 叶轮的宽度根据试验情况进行调整，拟在 130 140 mm之间。其他要求，例如叶轮与风机电动 机的接口尺寸，在整个研制过程中一直保持不变。 图 1焊接式叶轮结构示意图 通风机进风口的设计采用整体式铸铝结构， 并适当考虑在这种材料中增加钛合金，这种结构 的优点是重量轻、声学流线型好。进风口与叶轮 前盘的配合间隙至关重要，一般控制在 5 mm左 右。

12、在进行焊接式叶轮通风机性能试验时，通风 机轴盘也采用整体式钢结构，以确保机械传动性 能。 这样，新型通风机除蜗壳以外，基本上都是 采用整体式铸铝结构，而蜗壳采用钢板结构，主 58 Vol.36 No.4 2016.4 要是考虑到振动噪声的高指标要求，而且通风机 组的整体重量可以做到与原引俄通风机组相当。 通风性能见图 2。 图 2通风机风量、压力、转速三者关系曲线 经过试验验证后，分析确定整体式叶轮的结 构尺寸，整体式叶轮的结构如图 3所示。为了保 证通风性能和振动噪声指标要求，在进行铸造整 体式叶轮设计、制造与试验时，采取了如下措施 : 1 2 3 4 5 6 7 8 图 3整体式叶轮的结构

13、示意图 1) 利用声学设计计算，合理设计叶轮直径、 叶片数量、叶片倾角、叶片立体形态等结构参数 ; 2) 叶轮前盘、叶片进行流线型设计； 3) 为了保证叶轮与风机电动机转轴的机械 连接可靠性，在铸造时提前放置一个强度合适的 钢套，代替轴盘结构部分； 4) 在叶轮后盘适当部位，沿圆周方向设计 供校正动平衡所用的减重凸台，以方便于噪声指 标的校正； 5) 采用铸造技术，使整体式叶轮质地紧密 而不会出现疏松、气孔等不良现象； 6) 叶轮的材质，用 Ansys软件进行仿真计 算其机械强度来确定，并适当考虑在这种材料中 增加钛合金，使结构更轻； 7) 叶轮制成后，进行 120 %的额定转速的 超速试验；

14、 8) 叶轮超速试验后，利用高精度动平衡校 正设备，先单独进行动平衡校正，在风机电动机 转子单独完成了动平衡校正之后，再将叶轮与风 船电技术 |应用研究 机电动机的转子一起进行动平衡校正，同时利用 转子上的加重和叶轮的减重技术，保证噪声指标 满足研制要求； 9) 叶轮与风机电动机转子利用键槽按照标 准要求，进行机械连接配合设计相关尺寸； 10) 叶轮制成后，进行专业的外观尺寸检 查，并进行超声波探伤检查，对于加工前对材质 已进行探伤检查合格的，可以不再进行探伤检查； 11) 在通风机组进行噪声测试时，必要时， 对叶轮与转子进行反复动平衡校正，以达到最佳 动平衡状态； 12) 由于整体式叶轮的缺

15、点是质地比钢制 要脆，在叶轮旋转过程中，不能有异物触碰，因 此试验时，尽量注意通风机内部情况的仔细检查。 在进行通风机其他结构设计、制造与试验时， 采取了如下措施： 1) 在确保上船安装的可行性，确定蜗壳尺 寸不变； 2) 在蜗壳上进行多次声学设计与试验，在 蜗壳噪声较大的辐射面上，粘贴吸声材料，将该 辐射面设计成双层隔 振结构； 3) 在涡舌处进行多次微穿孔板声学设计与 试验，在确保通风性能的前提下，变换微穿孔板 结构，使辐射噪声得到最大程度的吸收； 4) 多次寻求不同结构尺寸叶轮与不同声学 设计的蜗壳的最佳组合。 2.2风机电动机方案 风机电动机仍为直流电动机，中心高与原风 机电动机一致，

16、安装接口保持不变。为了保证通 风冷却装置的整体性能，同时考虑风机电动机的 运行环境要求，风机电动机方案主要通过两方面 开展，一方面通过多方案多目标优化电磁设计来 满足要求，适当降低电密，降低热负荷；另一方 面，工艺上严格质量和加工精度控制，要求动平 衡精度为 1级。 利用我国小型直流电机成熟的工艺技术，比 较来说，仍然存在关键工艺。本电机采用的关键 工艺体现在：电枢斜槽冲片叠压、电枢斜槽波绕 组、电枢真空压力浸漆和烘焙、转子热套、主磁 极线圈的直接绕制、真空压力浸漆和烘焙、换向 器灌胶、主体绝缘结构、轴带风扇结构等，这些 主要工艺，均已成功应用。但是，由于减振降噪 的更高要求，还必须采取有效措

17、施，主要体现在： 1) 在保证电机接口不变的情况下，合理设计 59 船电技术 I应用研究 布置电机底脚的中心位置，尽量使电机的 质量重 心处于该中心线上，并适当考虑通风机的质量； 2) 合理设计轴带风扇的通风性能，优化设计 风扇叶轮的直径和片数，合理设计风扇底座等； 3) 选择低振动的 SKF进口滚动轴承，并注 意优中选优进行挑选合适的轴承，合理设计轴承 的安装结构； 4) 合理设计机座的结构形式，采用钢板叠压 结构，既考虑电机磁路的合理需要，有考虑电机 散热的优越性，并且整体性好； 5) 提高转子动平衡精度，合理设计布置电枢 绕组的端部结构，使电枢绕组的端部结构质量尽 量均匀分布。 6) 同

18、时进行风机电动机的起动电阻及其相关 校算，以确保控制系统的匹配性。 2.3进风过滤器 通风机进风过滤器可以直接加在蜗壳上，过 滤器的大小约为 0450 mmx200 mm,选用风阻为 200 Pa左右的滤料。滤料的选取，要求既有效地 拦截尘埃粒子，又不对气流形成过大的阻力。本 滤料采用的非织造纤维材料符合这一要求，杂乱 交织的纤维形成对粒子的无数道屏障，纤维间宽 阔的空间允许气流通过。目前国内船用电机用空 气滤料普遍采用这种材料，厚度为 3 5 mm, 般能过滤0.2 0.5 urn的尘埃粒子和油污颗粒。 这种材料应用于船内的效果较好，阻力也比较适 宜，在配套试验中得到验证。 2.4通风管路方

19、案 原通风系统的风道存在开裂、螺栓松动等问 题，需要重新制造风管，为减小噪音，风管上建 议敷设阻尼材料。对于完好无损的通风管路经确 认可以利用。 3 结论 改造前后性能参数对照表见表 1。船用通风 冷却装置是极其重要的设备，关系着电机电器的 Vol.36 No.4 2016.4 长期安全地运行。设计过程中优先采用成熟的设 计计算技术，追求运行可靠和技术先进的两者统 一。在产品设计、结构、材料、工艺等方面不采 用不成熟的新技术。新技术的采用必须有良好的 预研基础或进行严格的试验和鉴定，确保风险可 控。新型通风机组具有转速高、风量大、噪声低、 振动小的优点，值得我国船用大型电机各种通风 冷却系统的

20、推广应用。 表 1改造前后性能参数对照表 技术参数 改进前 改进后 进风过滤器 无 有 空气流量 2.78 m3/s 3.2 m3/s 总压力 2600 Pa 2800 Pa 电压 175 320 V 175 320 V 所需电流 107/58.7 A 123/66 A 额定功率 16 kW 18 kW 额定转速 3000 r/min 3000 r/min 系统总长 1100mm 1100mm 振动加速度级 135 dB 125 dB 噪声 106 dbA 3 dbA 外形尺寸 mm 1100x804x806 1100x810x810 重量 350 kg 450 kg 参考文献 : 1 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编 .电机 工程手册第四卷 M.北京：机械工业出版社， 1982 年 8月 . 2 魏士贵等 .理论力学解题方法 M.天津 :天津科学 技术出版社， 1986年 12月 . 3 华绍曾等 .实用流体阻力手册 M.北京：国防工业 出版社，1985年 . 4 丁舜年著 .大型电机的发热与冷却 M.北京：科学 出版社，1992年 . 60