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1、碳纤维复合材料（CFRP）系列JXTF30/35-16纺织节能轴流风机开发与应用胡炎楷 吴子才 （山东省金信纺织风机空调设备有限公司）摘要 由碳纤维复合材料（简称CFRP）制造的新型节能风机，寿命长、风阻小、惯性能耗少，在翼型叶片和结构设计方面，充分体现碳纤维的材料优点。形成的单级无前后导流结构的纺织轴流风机JXTF30/35-16，最高效率达到91.5 %。关键词 CFRP 节能风机 开发与应用The Development and Application of JXTF30/35-16 textile energy-saving axial flow fanHu yankai Wu zic
2、aiJinxin 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
3、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、 现代纺织用节能轴流风机的设计要求第 6 页 共 6 页节能纺织轴流风机，既用于纺织厂空调送风，又可用来抽取车间回风。归纳多年从事纺织空调系统设计范式得出，新一代纺织节能
4、轴流风机必须符合如下条件：1. 风量：符合工艺设备布局和送、回风分区要求。无论是传统式，还是当今流行的多风机系统，风机风量大多选用范围为1020104m3/h。2. 体积小巧，防纤维缠绕，满足空间和工艺条件的限制要求。纺织厂空调室总长度一般18m，留给风机段的安装空间较小，为降低风机口涡流损失，留给风机口气流方向改变的空调间一般是风机直径的1.5倍以上长度，作为风速降低形成的动压转换为静压的空间，留给风机的轴向长度一般少于8001000mm，扣去吸口喇叭长度，风机本体600mm；而风机叶轮直径一般控制在2000mm以内，因此，该类风机必须简化为紧凑性结构。即风机只能有单叶轮、风壳、电机（直联）
5、、进口集风器、电机支架5部分组成。无一般高效风机配套的导流栅、无扩压器、无整流罩。3. 系统阻力变动因素较大，高效区运行范围宽。作为风机负载的风管(风道)，总长度60120m,计算管道阻力500 pa左右，考虑空调室构件阻力与环境设计系数，风机全压选用，大多按最大要求设定在500700Pa之间，实际运行中，风机全压会随着工序工艺不同、系统的差异、季节变换等调节需要，在250700 Pa范围波动， 依然高效运行；4. 电机直径限定轮箍最小直径。为确保通流面积，保证大流量需要，轮箍直径按最小化设计，即轮箍比要小，计算结果为轮箍比0.30.35之间；5. 风机转速。在电机工频转速范围内达到高效运行工
6、况点,同时适应变频工况；6. 兼顾材料经济性、安全性，风机叶片的最大线速度一般在130160m/s；7. 性能曲线平坦，最高效率达到90%以上。在无防喘振装置的情况下实现变速变风量调节，无失速喘振现象；即使在上述变工况条件下，风机效率也不能低，80%以上甚至更高，加上工况调整带来的节能效果叠加计算，就是风机系统节能的技术成果。而这个效率是在公认的国标方法体系基础的评价。因此对应的风机选用参数一般为8891%效率；8. 适应相对湿度98%高湿环境，24小时运行工作制，且防暴、耐腐、不易缠绕纤维；9. 维护方便。重量轻、购置、维护成本低，锥套连接。二、 新型纺织节能轴流风机设计要点节能纺织风机开发
7、，是针对市场上面广量大的FZ系列纺织风机存在不足而提出的。改进点主要是效率不够高、压力偏低，尤其不适应节能与大跨度厂房空调的需要。通过对风机耗能机理和相关要件的再研究，拟出重新设计的技术路径如下：1、 JXTF30/35纺织轴流风机节能性能形成要点 轴流风机节能设计，主要是叶片气动设计、风机结构、材质的选用。叶片气动设计即叶片型线设计是核心，结构是基础，材质是保障。鉴于JXTF30/35纺织轴流风机属于中低压风机范畴，利用翼型技术成果，运用叶栅理论和孤立翼型混合设计法，借助CFD进行流场模拟，制成样机后，再进行实际吹风（风洞试验）验证。2、 叶片翼型的选择与优化 电动机在工频转速下运行，满足单
8、级叶轮无前后导叶的风机设计，翼型必须有优良的短程做功能力。叶型升力系数设定为0.7，从常见的5个基本翼型（图1）中筛选内凹形高效翼型作为本风机叶型的基本翼型，并以此基础上优化、最后形成了“双弧机翼”特征。 图 1 常用翼形3、 节能轴流风机运行的阻力分析与风机结构优化图 2 翼形升力1) 风机运行受力分析（见图2） 当空气接近机翼前缘时,气流开始折转,气流被机翼分割为上下两部分时,由于翼型上表面凸起较多而下是凹的,加上机翼有一定的攻角,使流过机翼上表面的流管面积比机翼前方的面积减少而流速增大，由伯努利定理可知,上下翼面之间产生一个静压差即升力Y. 由公式分析（参见图3）叶片的升力Y与升力系数C
9、y、空气密度p,为叶片切割空气速度v的平方、机翼的平面投影面积s成正比。 从翼剖面流线图中所示的作用在机翼上的力可知，按产生阻力的原因分为：空气粘性产生的摩擦阻力，压差阻力，诱导阻力（伴生阻力）、惯性阻力和干扰阻力等(Fa)。风机叶片产生阻力外，其他部分如机架、轮箍也产生阻力。 图 3 翼形叶栅受力分析减少这些阻力，途径如下：A. 工艺上保证表面光滑，CFRP材料工艺上可以做成镜面效果，将此阻力降到最低；B. 将风机叶轮传动组设计成流线整流体；采用小轮箍等；C. 风机电机、轮箍、支架等气流相互干扰而产生的一种额外阻力，将叶根与轮箍罩的连接缝隙小化等，如电机支板的断面和分布等，也是产生次声噪声的
10、部位。采取非等分布局， 控制阻力的同时，抑制低频噪音；D. 采用新材料，减轻自重，降低惯性能量分量。 4、 CFRP碳纤维复合材料叶片应用碳纤维材料大多用于“高科技”领域。风力发电、军事装备、航空航天器都有应用。纺织轴流风机叶片材料的一般为铝合金铸造，如FZ系列。也有采用钢板或玻璃钢叶片的（50A2）。金属耗用多，轮箍比也大。20#风机产品叶轮自重高达180kg！高碳纤维及其复合材料的出现，为节能风机叶片制造提供了机会。纺织风机与风电风机比，有速度快、风压相对较高特点，二者使用条件差别很大。材料的强度、刚度和稳定性方面都早已不是问题。碳纤维基材，其比强是Q235A的10倍，抗拉强度一般都在35
11、00Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2343GPa亦高于钢。因此CFRP的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而Q235钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高（3）。为了生产高性能的高碳纤维产品，我们采用美国进口的特种改性树脂，选用日本产著名品牌的高碳纤维制品，组织专家反复试验，结合多年玻璃钢复合材料生产经验，筛选出最佳工艺配方与工艺路线，材料和叶片成品通过性能试验和老化实验，其强度、韧性、刚度、形变、寿命等指标，全部优于设计要求。而产品单叶片重量却减少了53%，一台20#轴流风机求叶片总重净减少56kg。这个全新的产品，
12、经气动性能测试和对比试验，产品测试结果见图4。风量风压相同条件下，电机运行电流平均下降11.2%的直观效果。图4 主要性能图三、 应用举例我们选取了2套不同的比较方法，一是用该产品替换国内近年出现的新翼型风机对比，二是与国内仿罗瓦型FZ35/40-11产品进行替换对比。节能效果见实例测试统计表1（可以重复验证）。风机性能测试，通常按GB/T1236-2000风机性能检测标准考核，严密、科学、具有权威性。缺点是不够直观，纺织厂用户往往采用直接比较，类似于GB/10178-86 工业通风机 性能现场试验。风机能否在“高效点”运行，与风机设计、选型、维护、使用管理等诸多方面因素有关。而市场上各厂家风
13、机产品的实际使用与资料大多存在差距，用户大多相信直觉，最好的鉴别办法，就是现场替代法了。把风机叶轮做一次调换，在空调室挡水板前（或后）采用风俗仪、压力计测定风量和风压、用电流表或电功表等仪器间接或直接读出能耗参数，计算出结果。表1实测结果就是采用上述标准实测汇总所得，在山东恒丰集团、雅美集团、河南项城纺织、华兴纺织、湖北荆州奥达、祥和纺织、河南焦作海华等都得到验证。“双弧翼型节能风机叶型专利技术+CFRP”形成的新一代节能纺织轴流风机，性能大幅度超过80年行业代推出的FZ纺织轴流风机，风量风压保持不变的情况下，实际节电2535%。风机现场测试记录及计算结果( 范例1)测点地点6#细纱空调送风方
14、式吸入式电机型号45kW-6额定电流85.5A频率50HZ有变频室外温度28回风温度31车间相对湿度56%地吸与工艺回风测试条件更换叶轮对比风机变化部件叶轮测量截面（m2）10.9512测点数量20测点位置坐标点均布测试仪器热球风速仪、比托管、压力计，电流表，钢尺等测试数据对比风机类型风机型号电机运行转速（HZ）平均风速m/s实际风量m3/h电流（A）电压(V)COS万风量耗电kW开喷淋水节电比例原风机18#（江苏）45kW-6251.837214729.23780.852.25开1302.168515735.32.3开352.499816741.32.34开金信碳纤维叶轮原风机壳体+金光叶轮
15、18#45kW-6252.678718128.00.851.78开0.726303.011827333.71.59开353.4213483139.41.63开附计算方法风量=断面风速*截面积*3600；完风量耗电（功率）=3*电流*电压*功率因素（COS）。结论：同工况，金信风机叶轮节电27.4%风机现场测试记录及计算结果( 案例2 )测点地点5#与6#细纱空调送风方式吸入式，总送风道互通电机型号45kW-6（位置不同的2台）额定电流85.5A频率50HZ有变频室外温度28回风温度31车间相对湿度55%地吸与工艺回风测试条件不同空调室不同电机风机变化部件叶轮测量截面（m2）10.9512测点数
16、量20测点位置坐标点均布测试仪器热球风速仪、比托管、压力计，电流表，钢尺等测试数据对比风机类型风机型号电机运行转速（HZ）平均风速m/s实际风量m3/h电流（A）电压(V)COS万风量耗电kW开喷淋水节电比例原风机18#(陕西)45kW-6252.088418626.83830.852.11开1302.1587019322.07开352.6210644637.41.98开金信碳纤维叶轮原风机壳体+金光叶轮18#45kW-6252.678718128.03780.851.78开0.82303.011827333.71.59开353.4213483139.41.63开计算方法风量=断面风速*截面积
17、*3600；完风量耗电（功率）=3*电流*电压*功率因素（COS）。结论：同工况，金信风机叶轮节电18%从上述2个范例测试结果分析，结论是，翼型类似，机号同样，测试条件相同，性能要求一致的情况下，JXTF30/35纺织轴流风机启动电流降低23%，达到额定参数时，电机工作电流同比下降了1018%。与翼型差异较大的FZ系列产品对比，电机工作电流同比下降了2028%以上。经技术监督部门鉴定，JXTF30/35碳纤维纺织风机性能独特，节能效果显著，填补了国内空白，技术领先。四、 JXTF30/35轴流节能纺织风机优势分析1. 风机叶轮转子重量更轻，维护更方便。启动扭矩小，冲击小，振动小，既节能又保护了
18、电机及传动部件的安全运行；2. 冲击吸收性好，产品更安全。因其单体吸收的能量小（MV小）（质量与速度的积），即使是遇到意外事故毁坏叶片，其危险性也大大降低；3. 防爆性能独特。因碳纤维导电性，制成的产品使用中无静电产生，也无火花，可以在纺织厂作“回风机”使用；4. 噪声低，更环保。因材料加工过程的可塑性强，采用现代模压技术与表面处理技术，碳纤维复合材料叶片表面精美，光滑，型线流畅，致使风机叶轮切割空气的风阻小，因此噪声也降低了约2dB；5. CFRP的疏水性，导热、耐腐等综合性能更优越。光滑风机叶片不粘挂、不积灰、不腐蚀，有抗缠扰的优点，杜绝了纺织空调除尘环境积灰、积尘，导致叶轮不平衡的问题。
19、五、 结 论由新材料、新工艺形成的JXTF30/35纺织轴流风机新产品，以先进翼型设计为基础，移植CFRP真空模压技术，采用碳纤维的独特性能来制造，是获得产品优良性能三个关键因素。较小的启动惯量，极小的风阻损失的，同等条件下应用对比实测，节能与安全性能显现出明显优势。随着这项产品的推广，将促进全国近亿锭棉纺业和其他类似领域通风空调的节能事业发展。参 考 文 献1 李庆宜.通风机M.机械工业出版社,19812 商景泰，等 . 通风机手册 M. 北京：机械工业出版社， 19943 张杰等碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究中国粘胶剂 2009.3.18西北工业大学4 B.Eck,Fans,1973