摘要：本文在分析无叶换气扇形状特征的基础上，使用三维机械设计软件SolidWorks 2010 对无叶换气扇进行了三维实体造型设计与建模。此设计拓展了无叶换气扇的应用领域，并优化了产品结构，节约生产成本。
关键词：无叶换气扇；SolidWorks；复杂形状；三维建模
1 引言
仓库一般被用于物品的放置与储藏，仓库的储藏环境直接影响着储藏物品的质量，仓库的通风情况和仓库的储藏温度对储藏物品质量起着决定性作用。目前各种型号库房的换气装置大都使用传统的有叶换气扇进行室内外空气的交换。传统的有叶换气扇存在以下缺陷：能耗过高、密封性差、安全性低、舒适性差、无法进行无级变速、以及不易清洁等问题[1]。
针对现有的有叶换气扇在通风换气过程中存在的缺陷，本文提出了一种具有自然通风、强制换风和防尘避雨功能的多用途无叶换气装置的设计方案。该方案所设计的无叶换气扇具有密封舱结构，因此能够在实现防雨防尘、保证仓库内部干燥清洁的前提下完成通风换气功能。
2 无叶换气扇原理
无叶电风扇的底座设置了一个功率为40w的直流有刷电机，此电机可保证33L/s空气吸入速度，吸入的气体被气旋加速器进行加速处理，有效提升了空气的流通速度，之后利用扇头将气体从内环中吹出。在环绕力因素影响下，可以带动附近空气的旋转，产生“风”。与传统风扇相比，无叶换气扇的最大不同就是没有设置叶片，无叶换气扇的技术与汽车涡轮增压或者喷气式飞机原理相似[2]，采取将空气从底部吸入，利用隐藏的叶轮将空气沿着一个圆形轨迹喷出，营造出源源不断的持续空气流动。这种空气的流动性比有叶换气扇产生的空气流动更加平稳。无叶换气扇最早由戴森公司发明[2]，与传统风扇相比，无业风扇有着显著的优势，噪音小、能耗低、容易清洁，但是无叶换气扇的本质依然是风扇，无法像空调一样产生制冷效果。
3 无叶换气扇总体设计
无叶换气扇产生“风”的原理在于气体在最开始的时候由无叶换气扇圆环中的一个细微的风槽吹出。即无叶换气扇头顶中的巨大圆环，圆环的中央有一条宽1毫米的“小通道”，风最早就是由风扇底部中的涡轮风扇抽取其旁边的空气从这个“小通道中”吹出来的。当空气以55 m/s的速度从宽1mm的细缝中吹出来时，该气流会带动周围空气向前流动，该情况会降低圆环后边的气压，风扇后边的空气会因平衡气压的作用被压到前方。在这两个条件下，气流的作用被明显加大，使涡轮风扇自身的抽取量增加约15倍以上。无叶换气扇借鉴了飞机涡轮发动机原理，将其分为进气口以及出气口两个组成，进气口设置在圆柱位置，出气口则设置在风口。在电机的转动下，扇叶会随之进行转动，将外界的气体吹入到通道中，随着圆柱中空气的减少，气体会大量进入到进气口，在大气压力的作用下，进气口的流速会加快，从而有效保障了无叶换气扇的风量要求。
4无叶换气扇三维建模及分析
本文设计的无叶换气装置由扇头、风管、电机和叶轮四个部分组成。其结构如图1所示，扇头的壁面上设置有一圆孔，风管通过圆孔固定在扇头上，电机设置在风管内的底部，在电机的输出轴上固定连接有光轴，光轴上设置有蜗轮蜗杆组，蜗轮蜗杆组通过电动离合器与减速齿轮组传动连接，减速齿轮组与密封舱门通过若干齿轮传动连接，蜗轮蜗杆组的上部依次设置有叶轮和空气滤芯，叶轮和空气滤芯分别套接在光轴上，扇头的一侧设置有密封舱门。
图1 无叶换气扇整体结构图
4.1扇头防护设计
针对现有的有叶换气扇在通风换气中存在的技术缺陷，本文研究提出了一种具有自然通风、强制换风和防尘避雨功能的多用途无叶换气装置。在密封舱门开启时实现自然风对仓库内部空气的自然交换或强制换风的功能；在密封舱门关闭时，可实现防雨防尘、保证仓库内部干燥清洁的功能。
4.2密封性检测及流体线路径分析
为了有效提高换气扇产生的空气对流效果，通过ANSYS软件对扇头内部空气流通路径进行了分析，以实现在允许范围内尽可能地提高出风量，同时检测扇头的气密性设计，以满足系统实际需要。图2是内部空气流通路径的仿真模拟图，从图中可以看出换气扇内部在上述结构设计完成的前提下，产生了对流效果。
图2扇头流体线路径分析
4.3扇头结构静应力分析
为了合理选择扇头材料，本设计对扇头结构进行了静应力分析，有效检测出扇头在作业过程中所受应力情况，为实际材料选择提供了有利参考。根据扇头结构应力分析的结果，进行分析后的云图如图3所示，可以看出扇头的应力集中部分位于圆弧结构的上半部分。
图3扇头结构静应力分析
5 结论
本文以三维机械设计软件SolidWorks2010为工具进行了实体建模，之后使用ANSYS软件对无叶换气扇进行了力学仿真。根据仿真结果表明本设计增加的扇头密封舱门设计，使得此设计相比已有无叶换气扇具有适用范围广、效率高、操作简便等优势。
参考文献：
[1]刘厚林，袁寿其，施卫东，等．离心泵水力元件三维实体造型的研究[J]．水泵技术，2003（3）:23-24．
[2]周玉娟．离心泵叶轮叶片的几何造型技术研究[J]．河北建筑科技学院学报（自然科学版），2004（1）:101-104．
[3]刑启思，雷文平，苏国彬，等．SolidWorks2001中文版实用技术精粹[M]．北京：清华大学出版社，2002．
[4]吴波，向勇．基于SolidWorks的渣浆泵叶轮三维几何造型设计[J]．金属矿山，2003（5）：28-40．
论文作者:喻迟心琢1,边彤飞2,郭瑞3,张旭辉3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/29
标签：换气扇论文; 空气论文; 叶轮论文; 风扇论文; 应力论文; 舱门论文; 风管论文; 《电力设备》2019年第15期论文;