【摘 要】 本文从风机性能、技术要求、产品结构、产品设计和设计计算等方面，介绍了核电站常规岛使用的大型屋顶风机的研制，有效解决了风机安全运行和风帽电动开启等问题。为我国核电站风机全面实行国产化奠定了基础。
【关键词】 核电站 大型屋顶风机 研制
我国已投入运行的核电站中，其常规岛使用的屋顶风机大部分是由国内生产厂家提供的，但存在风机运行可靠性差、维修和保养不方便，耐腐蚀性和抗风能力差等缺点，与进口风机相比存在一定差距，在一定程度上影响核电风机的国产化，核电设备以安全可靠为第一原则，国内核电风机存在的问题，是导致核电站业主不愿或不轻易采用国内生产的风机的主要原因。为此，迫切需要自主创新研制一种具有既可靠方便又经济实用的核电站常规岛大型屋顶风机，从而满足核电站风机全面实行国产化需要。
1 性能参数、技术要求
1.1 性能参数
叶轮直径：2200mm；叶轮转速：320r/min；风量：155000m3/h；风压：135pa；噪声：≤75dB（A）；振动速度：≤2.8mm/s。
1.2 技术要求
设计寿命：正常情况运行40a（易损件除外）；轴承寿命：100000h，SKF品牌；转子临界转速：大于最高工作转速的1.3倍；防爆电机：YB225M-16，11KW，IP55/F级，防爆等级：ExdⅡBT4；转子平衡品质等级：不低于G2.5级；风帽电动开启装置：便于电机、叶轮吊装维修；风速：50m/s。
2 产品结构
根据产品性能要求选用防爆轴流式屋顶通风机，产品结构主要由风帽、防鸟网、风筒、底座、安全网、电动风阀、叶轮、电机、电机支架、风帽自动开启机构等组成，风机结构见图1。
3 产品设计
3.1 叶轮
叶轮和轮毂的材料采用铝合金低压铸造，并经过100%退火处理和X射线探伤检验保证质量。采用低噪声、空间扭曲机翼型叶型，叶柄采用法兰式安装结构，轮毂的形状为流线盘状结构，轮毂外表面周边设有用于安装法兰式叶柄的沉孔，叶片与轮毂的安装角可调，满足风机的性能要求。
3.2 风帽结构及开启机构
风帽结构设计根据设计寿命及室外气象条件，保证能承受可能出现的风雪载荷，选用不锈钢材料制作。风帽为流线扁平形，外形垂直投影为正方形，风帽内部设有流线形导流罩，以尽可能减少排风阻力。风帽的外形尺寸能确保遮盖住屋顶式通风机，以确保不使室外雨、雪飘落到风机风筒内。
为方便风机叶轮、电机维修和保养，风帽设有开启机构。风帽开启方式采用电动推杆，其传动机构原理：电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮连动丝杠转动，丝杠上装有螺母，当丝杠转动时带动螺母移动，螺母连接推杆作直线运动，通过控制推杆的旋转方向实现风帽开启。电动推杆机构一端铰链连接风帽，另一端固定在电动风阀平面上。风帽与风筒采用铰链连接，从而可以使风帽开启时绕支点灵活转动，风帽开启设计方案见图2。
4 设计计算
4.1 叶轮强度计算及校核
屋顶式轴流风机叶轮运转时，受到离心力和气流流动压力的双重作用，使叶片受到拉伸应力和弯曲应力，按第一和第四强度理论，计算出叶片危险截面的合成应力。根据所用材料的屈服应力，校核叶片的强度，一般所取的安全系数为5～6，叶轮固有频率避开干扰频率的整数倍。叶轮的有限元强度计算模型和应力分布，见图3叶片有限元模型；图4轮毂有限元模型；图5叶片应力分布图； 图6轮毂应力分布图。
4.2 机壳强度设计及校核
风机的运行必须安全可靠，风机的外壳也应作为自身撞击能量的包容和吸收体，因此风机壳体必须有足够的刚度和强度。设计时应考虑壳体与风道的连接、风机的安装方式等因素，还应考虑风筒与叶片的间隙。使用ANSYS 有限元分析软件进行机壳的应力分析计算和校核。
4.3 叶轮转动惯量的计算
风机转子转动惯量即随电机轴一起旋转的各零部件的转动惯量之和。对于叶轮轮毂可按中间有孔的等厚圆盘进行计算，叶片按等厚的圆环进行计算，电机轴按等厚圆柱进行计算。
4.4 叶轮转子临界转速的计算
风机的转子达到一定转速时，致使周期性干扰力的频率与转轴的固有频率重合时，运行的转子会产生激烈的振动，如果风机在该转速下长时间运行，将导致转子损坏。因此需要对转子进行临界转速的计算。因通风机的转速较低，按刚性轴进行设计计算。临界转速应大于最高工作转速的1.3倍。
5 结语
通过对核电站常规岛大型屋顶风机的研制，有效地解决了风机运行安全可靠性的问题，通过自主创新研制风帽开启机构，有效地解决了风帽电动开启问题，极大方便风机检修。本文介绍屋顶风机已应用在三门核电站、海南昌江核电站，实践证明该核电站常规岛大型屋顶风机的研制是成功的。
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