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风机行业是否还有机会?

风机行业是否还有机会?这确实是一个值得讨论的话题。在讨论风机之前,我们先对风机进行分类:按排气压力的高低,风机可分为压缩机、鼓风机、通风机。压缩机的排气压力高于34.3×10^4 Pa,鼓风机的排气压力11.27×10^4 ~34.3×10^4Pa,通风机的排气压力低于11.27×10^4 Pa。本文所讲的风机皆指通风风机。

首先,风机作为一种比较简单的旋转机械,确实在设计和工艺上几近成熟。当然这是相对于ebmpast、ZIEHL-ABEGG、Multi-Wing、Kruger、LMB等国际一流的风机设计制造商而言,其他的风机公司各有所长,但还是有一定的提升空间。风机市场是一个非常包容且应用场景千变万化的市场,未来的风机供应商最需要做的是从销售风机单品到提供系统性的解决方案(solution)。也就是说,风机的设计单位要尽可能地模拟不同的应用场景,而不是简单地基于AMCA试验标准给出Q—P曲线供客户选择。基于个人理解,风机在以下应用场景中还有诸多的技术细节要做:

(1)通信基站上风扇与风冷散热器的组合,潜在的问题是效率和效果的平衡,特别是UPS模式下如何获取更长的续航时间。相变换热器材(热管或均温板)在中高热流密度产品中有着广泛地应用,在此基础上风机单元需要以更均匀的气流组织把热流带走,相应的导风结构设计比较关键。

图 1 某供应商的板卡型均温板

(2)航空电子领域(如雷达)散热中存在的问题是尺寸极其紧凑,重量限制极其严格,致使散热面积较小或风阻过大,同时为了保证风量和静压要选用小尺寸、轻质(钛合金、镁合金、碳纤维)、高转速(10000rpm以上)的特种风机。过高的转速决定了叶轮直径不会太大,通常为了获得较大的风量需要多个风机并联,此时的难题是并联后P-Q曲线的准确模拟或计算。例如进气端的微小差异、以及叶形、顶隙等参数的微小差异会高转速风机工作点发生较大的变动。

(3)风电领域:风电机组的热源主要来自于发电机、变流柜、变压器、机械传动系、主轴承、变桨和刹车等液压油系等。对于当前的风机产品,不论是采用何种散热方案,热量最终通过风扇驱动排入大气中。对于海上风机,虽然笔者也曾参与论证过海水间冷方案,即以泵系循环为主冷方式,但这方面的实质进展较小。风电领域的散热特点是热量极大,所需风量也极大,因此风扇的直径也较大。大直径轴流风扇的问题是面内流量不均匀性明显,不仅要与散热器的阻力曲线匹配,还要考虑换热器阵面上的温度分布

图 2 风电外冷散热器的CFD模拟

(4)汽车领域:不论是传统汽车还是新能源汽车,热管理问题一直是最重要的核心技术之一。按功能来划分具体涉及发动机热管理、空调系统与舱内热管理、电池热管理(燃料电池水热管理)、电机热管理与控制器系统热管理。以某混动汽车的热管理系统图为例,根据温度梯度的需要环境风需要按一定的比例供给HVAC系统、ICE热管理系统和电驱动系统。考虑户外环境变化、汽车行驶状态的变化,各个风阀的开度始终处于动态调节之中,进而风阻(管网特性)和风量也是在不断的变化中,这使得风机的工作点也在不断地变化。有文献对用于新能源汽车离心风机的效率、无量纲风量系数、无量纲静压系数结合潜在散热效果做了对比研究,最后给出的建议是该场景下风机的设计应以流量和静压优先。

图 3 某混动汽车的热管理系统图

在Thermal领域,汽车行业对散热技术的一直是热点,Audi驱动电机的最新冷却技术采用液冷、Tesla的Battery Pack和PCB上的部分模块也采用了液冷。

图 4 某新能源汽车的液冷CFD模拟结果

(5)电机、发电机领域同样是以风冷为主的行业,但就目前的现状而言,常规电机与一般交流发电机的散热风扇设计水平与其他行业相比还是有一定差距的。或是由于产品非标化严重,或是由于市场价值过小且呈现零散杂乱状态,主流风机设计厂商并不太关注此领域。该类产品的特点是:1)风机固定在转子上,而转子的工作频率是固定的;2)风机的进、出口端的边界条件较为混乱。马太效应的结果是传统电机、或交流发电机领域的风扇设计一直处在相对滞后的状态。

图 5 某弱轴流离心风机的设计

(6)各类柜式电子产品内部风冷散热,更多涉及不同风道内的风量控制、进出风位置优化、风机的串并联组合分析等。

最后的结论是:机会肯定是有的,但只是做风机并赠送解决方案犹如做慈善。可是要想找到非常合适的领域——能把风机、附件和相应的解决方案划为有边界的系统,又是非常难的。

笔者从事工程车辆、航空电子、风力发电等领域的技术工作近十年时间,先后接触了各种类型风机,小到机柜用的轴流风扇,大到桨叶直径1m多的大型轴流风扇。其间也做了大量的CFD分析工作,模拟过最大的叶轮源自风力发电机,直径约150米,但风力发电机的叶轮设计是以吸收气动能为目的的

图 6 某风力发电机叶片的气动性能模拟