【摘 要】 本文從風機性能、技術要求、產品結構、產品設計和設計計算等方面，介紹了核電站常規島使用的大型屋頂風機的研制，有效解決了風機安全運行和風帽電動開啟等問題。為我國核電站風機全面實行國產化奠定了基礎。
【關鍵詞】 核電站 大型屋頂風機 研制
我國已投入運行的核電站中，其常規島使用的屋頂風機大部分是由國內生產廠家提供的，但存在風機運行可靠性差、維修和保養不方便，耐腐蝕性和抗風能力差等缺點，與進口風機相比存在一定差距，在一定程度上影響核電風機的國產化，核電設備以安全可靠為第一原則，國內核電風機存在的問題，是導致核電站業主不愿或不輕易采用國內生產的風機的主要原因。為此，迫切需要自主創新研制一種具有既可靠方便又經濟實用的核電站常規島大型屋頂風機，從而滿足核電站風機全面實行國產化需要。
1 性能參數、技術要求
1.1 性能參數
葉輪直徑：2200mm；葉輪轉速：320r/min；風量：155000m3/h；風壓：135pa；噪聲：≤75dB（A）；振動速度：≤2.8mm/s。
1.2 技術要求
設計壽命：正常情況運行40a（易損件除外）；軸承壽命：100000h，SKF品牌；轉子臨界轉速：大于最高工作轉速的1.3倍；防爆電機：YB225M-16，11KW，IP55/F級，防爆等級：ExdⅡBT4；轉子平衡品質等級：不低于G2.5級；風帽電動開啟裝置：便于電機、葉輪吊裝維修；風速：50m/s。
2 產品結構
根據產品性能要求選用防爆軸流式屋頂通風機，產品結構主要由風帽、防鳥網、風筒、底座、安全網、電動風閥、葉輪、電機、電機支架、風帽自動開啟機構等組成，風機結構見圖1。
3 產品設計
3.1 葉輪
葉輪和輪轂的材料采用鋁合金低壓鑄造，并經過100%退火處理和X射線探傷檢驗保證質量。采用低噪聲、空間扭曲機翼型葉型，葉柄采用法蘭式安裝結構，輪轂的形狀為流線盤狀結構，輪轂外表面周邊設有用于安裝法蘭式葉柄的沉孔，葉片與輪轂的安裝角可調，滿足風機的性能要求。
3.2 風帽結構及開啟機構
風帽結構設計根據設計壽命及室外氣象條件，保證能承受可能出現的風雪載荷，選用不銹鋼材料制作。風帽為流線扁平形，外形垂直投影為正方形，風帽內部設有流線形導流罩，以盡可能減少排風阻力。風帽的外形尺寸能確保遮蓋住屋頂式通風機，以確保不使室外雨、雪飄落到風機風筒內。
為方便風機葉輪、電機維修和保養，風帽設有開啟機構。風帽開啟方式采用電動推桿，其傳動機構原理：電機帶動蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，蝸輪連動絲杠轉動，絲杠上裝有螺母，當絲杠轉動時帶動螺母移動，螺母連接推桿作直線運動，通過控制推桿的旋轉方向實現風帽開啟。電動推桿機構一端鉸鏈連接風帽，另一端固定在電動風閥平面上。風帽與風筒采用鉸鏈連接，從而可以使風帽開啟時繞支點靈活轉動，風帽開啟設計方案見圖2。
4 設計計算
4.1 葉輪強度計算及校核
屋頂式軸流風機葉輪運轉時，受到離心力和氣流流動壓力的雙重作用，使葉片受到拉伸應力和彎曲應力，按第一和第四強度理論，計算出葉片危險截面的合成應力。根據所用材料的屈服應力，校核葉片的強度，一般所取的安全系數為5～6，葉輪固有頻率避開干擾頻率的整數倍。葉輪的有限元強度計算模型和應力分布，見圖3葉片有限元模型；圖4輪轂有限元模型；圖5葉片應力分布圖； 圖6輪轂應力分布圖。
4.2 機殼強度設計及校核
風機的運行必須安全可靠，風機的外殼也應作為自身撞擊能量的包容和吸收體，因此風機殼體必須有足夠的剛度和強度。設計時應考慮殼體與風道的連接、風機的安裝方式等因素，還應考慮風筒與葉片的間隙。使用ANSYS 有限元分析軟件進行機殼的應力分析計算和校核。
4.3 葉輪轉動慣量的計算
風機轉子轉動慣量即隨電機軸一起旋轉的各零部件的轉動慣量之和。對于葉輪輪轂可按中間有孔的等厚圓盤進行計算，葉片按等厚的圓環進行計算，電機軸按等厚圓柱進行計算。
4.4 葉輪轉子臨界轉速的計算
風機的轉子達到一定轉速時，致使周期性干擾力的頻率與轉軸的固有頻率重合時，運行的轉子會產生激烈的振動，如果風機在該轉速下長時間運行，將導致轉子損壞。因此需要對轉子進行臨界轉速的計算。因通風機的轉速較低，按剛性軸進行設計計算。臨界轉速應大于最高工作轉速的1.3倍。
5 結語
通過對核電站常規島大型屋頂風機的研制，有效地解決了風機運行安全可靠性的問題，通過自主創新研制風帽開啟機構，有效地解決了風帽電動開啟問題，極大方便風機檢修。本文介紹屋頂風機已應用在三門核電站、海南昌江核電站，實踐證明該核電站常規島大型屋頂風機的研制是成功的。
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