無蝸殼風機的特性研究及應用

曹文斌 楊立軍 陳永寧 葉信學/浙江億利達風機股份有限公司

無蝸殼風機的特性研究及應用

曹文斌 楊立軍 陳永寧 葉信學/浙江億利達風機股份有限公司

0 引言

近年來，無蝸殼風機憑借體積小、出口方向任意、靜壓效率高、風量調(diào)節(jié)范圍大、傳動效率高等優(yōu)勢，在HVAC中開始逐漸應用。隨著大量知識密集型和技術密集型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如微電子、生物制藥、航天、精密機械加工和新型材料等高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給商用空調(diào)、精密空調(diào)、凈化空調(diào)的發(fā)展提供了廣闊的市場前景。同時潔凈技術和恒溫恒濕場地的特殊要求使得無蝸殼風機的應用得到迅速發(fā)展。

為方便無蝸殼風機的選型，本文介紹了該型風機的結構及常見結構形式，特征與應用。通過試驗數(shù)據(jù)分析了有、無蝸殼時風機特性的差異，給出了無蝸殼風機箱體和出口位置變化對性能影響的試驗結果，并對無蝸殼風機的測試方法與應用特點展開分析。為該型風機的應用設計及使用提供一些依據(jù)。

1 無蝸殼風機

無蝸殼風機是一種只有風葉沒有蝸殼的風機。由圖1可以看出，在有蝸殼離心風機設計中，風機蝸殼通常被設計成螺旋線的形狀，從風機蝸殼的蝸舌到風機出口，蝸殼的截面積是逐漸增大的,其作用是將從離心葉輪中流出的高速氣流的動壓轉換成可以克服系統(tǒng)阻力的靜壓[1]。

圖1 無蝸殼和有蝸殼離心風機

而經(jīng)過特殊設計的無蝸殼風機，其葉輪往往與箱體形成一個組合，具體見圖2。從葉輪流出的氣體可以與設備箱體直接形成一個靜壓箱，減少了氣體流動過程中的流動損失。但風機動壓完全損失掉了。所以在無蝸殼風機樣本中給出的壓力常常是靜壓[2]。

圖2 無蝸殼風機箱結構圖

2 無蝸殼風機的葉輪形式

葉輪是離心通風機的主要部件，而葉片數(shù)與葉片的進出口角對性能的影響很大。有蝸殼風機葉輪和無蝸殼風機葉輪設計對比圖見圖3。

兩者在葉片出口角與葉片數(shù)上通常不同，有蝸殼風機的最高全壓效率可以達到80％以上。高效無蝸殼離心風機葉輪的葉片數(shù)量少，葉片流道長。與有蝸殼風機葉輪相比，無蝸殼風機葉輪葉片出口角通常小于有蝸殼風機葉輪葉片出口角，葉輪出口絕對速度小于有蝸殼風機葉輪。

圖3 葉輪對比圖

圖4 無葉擴壓器

無蝸殼風機葉輪設計時通常采用無葉擴壓器，見圖4。早在1977年，在9-19高效前向高壓離心風機設計時已經(jīng)被采用[3]。由于后向離心葉輪葉片兩側存在壓差，即葉片有壓力面和吸力面，在葉輪出口處吸力面氣流存在分離，尾緣后形成尾渦，氣流出口后存在嚴重渦流。無葉擴壓器能減少葉輪出口渦流強度，改善葉輪出口氣體的流動。無葉擴壓器應用在無蝸殼風機葉輪設計中效果尤為明顯，可以適當提高風機葉輪效率和降低噪聲。

3 無蝸殼風機與有蝸殼風機的性能比較

將兩種葉輪直徑相同（不同葉輪）、轉速相同的有蝸殼風機和無蝸殼風機進行測試對比，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 同葉輪直徑（φ560）的風機，在同一轉速下有無蝸殼性能表

根據(jù)表1繪制的高效有無蝸殼性能曲線（見圖5），由表1中的參數(shù)可以看出，在最高靜壓效率運行點,有蝸殼風機靜壓1 059Pa，而無蝸殼風機風機靜壓是644Pa，有蝸殼風機的靜壓大大高于無蝸殼風機靜壓。無蝸殼風機流量-靜壓曲線形狀與有蝸殼相似，由于葉片出口角度的不同，無蝸殼風機的壓力在同流量狀況下均要比有蝸殼的低。

將同一葉輪（φ760）進行有蝸殼和無蝸殼的兩種性能測試，數(shù)據(jù)見下表2。

表2 同葉輪的風機在相同轉速下有無蝸殼性能表

圖5 高效有無蝸殼風機性能曲線圖

圖6 同葉輪有無蝸殼風機性能曲線圖

通過表2繪制的同葉輪有無蝸殼性能曲線（見圖6）說明，蝸殼的存在對于中小風量起到增壓作用，將一部分氣體的動能轉化為靜壓[1]。同樣由于蝸殼的限制，導致了氣流的最大流量偏低。兩者的最高效率相差較多，但靜壓效率最高點均位于風機整條特性曲線的中間區(qū)域。

4 無蝸殼風機與有蝸殼風機的耗功比較

圖7是高效無蝸殼和有蝸殼風機的功率特性曲線。從圖中可以看到，在同一轉速下運行的無蝸殼風機最大耗功是在曲線中間，經(jīng)過該中間點后，風機耗功不隨風機流量增加而增大，反而減小，一般是在風機最高效率區(qū)耗功最大。而有蝸殼風機的最大耗功是在曲線右邊，隨著風量增加而耗功增加。

圖8為同葉輪有無蝸殼功率曲線，由圖明顯的看出，同葉輪在有蝸殼與無蝸殼中測試，同流量下所消耗的功率基本一樣（進風圈相同）。

圖7 高效有無蝸殼風機功率曲線圖

圖8 同葉輪有無蝸殼風機功率曲線圖

5 箱體大小對無蝸殼風機性能的影響

無蝸殼風機在HVAC上的應用，通常結構見圖9，風機段箱體的大小對風機性能有較大影響，結合圖2的無蝸殼風機箱結構圖，箱體尺寸A通常設計為不小于2D（D為風輪外徑），箱體太小會額外增大風機的靜壓損失。

表3 使用同一葉輪（φ355）和電機的三種不同箱體下的風機性能表

圖9 風機總裝結構圖

將同一無蝸殼風機（φ355）配3種不同尺寸的箱體進行測試對比，性能數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)表3繪制不同箱體下的性能的曲線（見圖10），由圖可得：箱體內(nèi)尺寸為1.6D時，風機性能會明顯的降低，箱體內(nèi)尺寸大于1.8D時，其性能與1.8D箱體性能十分接近。

圖10 不同箱體下的性能曲線圖

無蝸殼離心風機的箱體內(nèi)壁面與葉輪輪緣之間的理想距離為0.4D。當箱體距離小于0.4D后，箱體的靜壓損失很大。大于0.4D，則對氣流損失并無太大的幫助。應該注意的是無蝸殼風機箱體為正壓箱，箱體應有足夠的強度和密封性。

對于有蝸殼風機葉輪，當將內(nèi)部葉輪處在箱體中運行時，壓力要遠遠的低于有蝸殼的風機[4]。結合圖2，分析文獻[4]試驗箱體模型A= 1.45D，故壓力損失嚴重。

6 出風位置對性能的影響

圖11為無蝸殼風機箱出風示意圖，根據(jù)文獻[5]介紹，送風方向?qū)τ陲L機性能產(chǎn)生較大的影響，軸向送風(直出)的性能要比徑向送風（側出）的效果差，該試驗建立于特定的箱體中，對于該箱體具體尺寸無法從文獻中進行獲取。

圖11 無蝸殼風機箱出風示意圖

當同一無蝸殼風機（φ400）匹配1.8D箱體、出口尺寸相同，在改變出風方向進行測試，數(shù)據(jù)見表4。由表4繪制不同出風的性能曲線見圖12，箱體側出風與箱體直出風，風機性能基本相同。即當無蝸殼風機箱為不小于1.8D箱體時，出風方向可以任意設置。

圖12 不同出風的風機性能曲線圖

7 無蝸殼風機測試方法

美國AMCA對無蝸殼風機性能測試通常按AMCA210-07標準。采用fig15進氣風室及A型安裝方式[6]。風機效率測試采用電測法，先測得電機輸入功率，然后按標定后的電機性能曲線計算電機輸出功率，得到風機效率。噪聲測試通常采用混響法，按AMCA300-14測試獲得風機的聲功率[7]。國內(nèi)無蝸殼風機性能測試通常參照GB/T 1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗[8]，噪聲測試采用GB/T 2888-2008風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法[9]，本文所提供的無蝸殼性能參數(shù)均采用GB/T 1236-2000標準中的圖70-g）用風室中多噴嘴測定流量獲得，有蝸殼性能參數(shù)均采用GB/T 1236-2000標準中的圖73-b)用風室中多噴嘴測定流量獲得。（由于測試裝置所限，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用無蝸殼風機帶一定大小的箱體，形成無蝸殼箱體風機，采用有蝸殼測試方法，將所測數(shù)據(jù)用作研究無蝸殼風機。如箱體的大小沒有達到本文第5部分箱體大小對無蝸殼風機性能影響的要求，實際數(shù)值研究時有一定的差異性。

圖13是歐洲風機企業(yè)通常采用的測試方法。該方法是采用扭矩儀測量風機葉輪功率，計算風機效率。采用此方法除了測試風機葉輪和進風圈的組合性能，同時可確定風機運行的需求功率。

表4 同一風機（φ400）與箱體，不同出口方向風機性能表

圖13 無蝸殼風機測試裝置圖

8 無蝸殼風機的特點及其應用

1）結構簡單

可以是電機直連，采用變頻電機和變頻器，或采用EC電機，通過調(diào)速來調(diào)節(jié)風機性能?？捎啥嗯_小型無蝸殼風機組成的風機墻來代替大型離心風機。由于各單元無蝸殼箱體風機可獨立運行，在需要24小時運行的重要場所，無需備用風機。

2）風機并聯(lián)運行氣體流動穩(wěn)定

3臺相同規(guī)格的無蝸殼箱體風機（箱體的內(nèi)壁尺寸分別距離葉輪外徑0.6D）并聯(lián)運行，分別將3臺與2臺所測數(shù)據(jù)換算成單臺，換算后的對比曲線見圖14。由曲線得：風機所測性能數(shù)據(jù)區(qū)域均位于拋物線右側且無峰值特性，多臺風機并聯(lián)運行時，在壓力不變的情況下，風量可進行簡單疊加。多臺風機并聯(lián)運行沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定與震蕩[10]。

3）噪聲易處理

無蝸殼風機通常處于高轉速運行，可大幅度降低電機的低頻噪聲[11]，噪聲主要是高頻噪聲，易消除。消聲器成本低，消聲器直接安裝在風機箱體上，無需增加消聲段，消聲器沒有增加額外阻力。

圖14 多臺風機換算至單臺時的曲線比較

4）運行成本低

風機在管網(wǎng)里的運行曲線見圖15、圖16。從圖15中可以看出使用變頻器或直流無刷電機調(diào)速時，可以獲得最佳的運行工作點；通過調(diào)節(jié)風機轉速，根據(jù)實際需求調(diào)整風量，始終保持風機在高效區(qū)運行，而不是通過截流閥來調(diào)節(jié)風量。

圖15 風機在管網(wǎng)里的運行曲線圖

圖16 多臺風機并聯(lián)運行的復合曲線圖

圖16表示當兩臺風機同時在一個系統(tǒng)中運行時，其運行點在N點（高效區(qū)），單臺風機流量為Q1，兩臺風機總流量為2×Q1。當關閉一臺風機時，單臺風機的運行點會移到M點，其流量將是Q2，大于Q1，而這時單臺風機的耗功則減少，有效地節(jié)約能源。

用多臺無蝸殼風機代替單臺有蝸殼風機在額定工況下可能并不節(jié)能，但在非額定工況下其節(jié)能效果會很明顯，它可以根據(jù)對風量的需求確定關閉風機的數(shù)量[11]。

5）可實時監(jiān)控

在進風口增加壓力探測點，可以在線實時監(jiān)測風機運行流量,裝置示意圖見圖17。流量可以通過公式1計算并直接顯示。公式中系數(shù)K可以在實驗室獲得或從廠家獲取。

圖17 裝置示意圖

式中，qv為風機進口流量，m3/h；ρ1為風機進口密度，kg/m3；Δp為進口壓差，Pa。

9 結論

1）有無蝸殼風機(同一風輪)對于耗功特性與氣動性能的影響：蝸殼的存在，增加了中小風量下的壓力，同時減小了風機的最大流量。而對于同流量下的功耗改變并不明顯，從而導致有蝸殼風機增壓區(qū)的效率高于無蝸殼風機。

2）無蝸殼風機由于特性曲線的特殊性，當多個相同規(guī)格風機并聯(lián)運行時，系統(tǒng)風量可進行簡單的代數(shù)加減。

3）無蝸殼風機配箱體后，箱體的大小對無蝸殼風機的影響，箱體的3面與葉輪外徑距離控制在0.4D（風輪外徑）以上，箱體的存在，對風機箱性能影響很小，且對于箱體的出風方向可進行隨意選擇。

4）無蝸殼風機通常采用A裝置進氣試驗法，風機進口直接與風室相連，葉輪出口完全向環(huán)境敞開，無需輔助風管。有蝸殼風機通常采用B裝置出氣試驗，往往在風機出口接2～3倍的出口當量直徑排向風室[8]。

[1]商景泰.通風機實用技術手冊1版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]高鈺，孟麗，賈玲，等.無蝸殼風機研發(fā)中的幾個問題[J].風機技術，2012（3）：16-18，25.

[3]清華大學9-19風機研制組，北京風機廠.9-19風機的氣動力設計問題[J].透平壓縮機械，1980（3）：20-30.

[4]劉懷耀，汪義玲.無蝸殼箱體風機[J].風機技術，2006（2）：17-18，14.

[5]郁惟昌，唐學波，卜庭棟，等.無蝸殼風機的特性研究[J].暖通空調(diào),2005，35（1）：61-64.

[6]ANSI/AMCA 210-07.ANSI/ASHRAE 51-07.Laboratory Methodsof Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating [S].

[7]ANSI/AMCA Standard 300-14.Reverberant Room Method for Sound Testingof Fans[S].

[8]沈陽鼓風機研究所.GB/T1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗[S].

[9]沈陽鼓風機研究所.GB/T2888-2008風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法[S].

[10]B.?？?通風機1版[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[11]陳玉良.風機墻組合式空調(diào)機組[J].制冷與空調(diào)，2010，10（3）：38-40.

■

為不同形式的有無蝸殼風機提供了性能試驗數(shù)據(jù)對比，分析了箱體結構大小及出口位置對風機性能的影響，并對該型風機的測試方法與運行特點展開分析，進而為無蝸殼風機的設計、試驗及應用提供了參考依據(jù)。

無蝸殼風機；無葉擴壓器；特性

Characteristics and App lication of Fans W ithoutVolute Casing

Cao Wen-bin，Yang Li-jun，Chen Yongning，Ye Xin-xue/Zhejiang Yilida ventilator Co.,Ltd

Abstract：Provide the comparison of performance data for two types of fans with volute casing and without volute casing. Analyze the impact of causing structure size and outlet position on fan performance. Analyze the testing method and operation characteristics of these fans.It provides the base reference for the design,testing,and application ofplenum fans.

fan without volute casing；vaneless diffuser；characteristic

TH432;TK05

A

1006-8155（2016）03-0017-07

10.16492/j.fjjs.2016.03.0008

2015-08-21浙江臺州318056