離心式筒形風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及噪聲特性試驗(yàn)研究?

吳和遠(yuǎn) 陳 強(qiáng) 賽慶毅 簡(jiǎn)曉書(shū) 朱志能

（1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心；3.上海理工大學(xué)）

離心式筒形風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及噪聲特性試驗(yàn)研究?

吳和遠(yuǎn)1,2陳 強(qiáng)1,2賽慶毅3簡(jiǎn)曉書(shū)1,2朱志能1,2

（1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心；3.上海理工大學(xué)）

本文對(duì)某型筒形風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：筒形風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能曲線平坦，高效區(qū)寬，無(wú)“駝峰”，在變工況下運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生“喘振”現(xiàn)象；比A聲級(jí)曲線平坦，且比A聲級(jí)噪聲隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速升高而略有下降的趨勢(shì)。

筒形風(fēng)機(jī)；氣動(dòng)性能；噪聲特性；試驗(yàn)研究

1 概述

筒形風(fēng)機(jī)是一種結(jié)合了離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)特點(diǎn)的離心式通風(fēng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、大流量、高壓頭、風(fēng)機(jī)流量壓力曲線平坦、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。由于風(fēng)機(jī)氣流方向與葉輪軸心方向相同，適用于小斷面長(zhǎng)距離獨(dú)頭巷道等特殊環(huán)境的局部通風(fēng)[1-2]。

目前筒形風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家和學(xué)者都進(jìn)行了大量研究和工作。楊儉[3-5]等人對(duì)風(fēng)機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了公式推導(dǎo)，并對(duì)相應(yīng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，使風(fēng)機(jī)額定工況處于高效運(yùn)行；但均未提及該種風(fēng)機(jī)全曲線范圍內(nèi)的參數(shù)關(guān)系以及噪聲影響。對(duì)用于特種用途的筒形離心式通風(fēng)機(jī)的選型及研制，還需要采用試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)某筒形風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)速下的性能和噪聲試驗(yàn)，得到試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能曲線和噪聲，并對(duì)風(fēng)機(jī)性能曲線和噪聲進(jìn)行分析研究。

2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)

2.1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

本文中所設(shè)計(jì)的筒型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由集流器、葉輪、前錐殼體、后導(dǎo)葉、無(wú)刷電機(jī)、尾部擴(kuò)散筒、尾部導(dǎo)流錐。集流器與葉輪前蓋采用套口形式，有效降低內(nèi)泄漏損失[6]；采用機(jī)翼型后導(dǎo)葉，靜壓效率可顯著提高[7]；風(fēng)機(jī)采用后彎式離心葉輪。

圖1 筒形風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cylindrical centrifugal fan’s structure

風(fēng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)：額定功耗不大于65W，流量5m3/min，全壓大于450Pa，進(jìn)風(fēng)口前方斜45°，1m處的噪聲不大于65dB（A）。筒形最大外徑D1=170mm，風(fēng)機(jī)總長(zhǎng)L=210mm，試驗(yàn)筒形風(fēng)機(jī)采用高效低噪無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)外形實(shí)物如圖2所示。葉片采用后向型機(jī)翼葉片，共12片，葉輪外徑D2=120mm，實(shí)物模型如圖3所示。

圖2 風(fēng)機(jī)整機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Cylindrical centrifugal fan

圖3 風(fēng)機(jī)葉輪實(shí)物圖Fig.3 Impeller of cylindrical centrifugal fan

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》和GB/T 2888-91《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》的要求設(shè)計(jì)和制造[8-9]。采用（B型）出氣試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，在風(fēng)機(jī)出氣端連接試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)系統(tǒng)如下圖4。風(fēng)機(jī)試驗(yàn)在符合ISO 3745標(biāo)準(zhǔn)的半消聲室中進(jìn)行，背景噪聲20dB（A），在進(jìn)風(fēng)口前方斜45°，1m處進(jìn)行噪聲測(cè)試，噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。試驗(yàn)結(jié)果均換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（1atm，20℃）下的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)儀器儀表量程和精度均能滿(mǎn)足上述標(biāo)準(zhǔn)，在檢定周期內(nèi)。

圖4 筒形風(fēng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)裝置Fig.4 Fan test rig system

圖5 筒形風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)及噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Noise and performance measurement on site

3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)及試驗(yàn)曲線

3.1 額定設(shè)計(jì)點(diǎn)性能及噪聲測(cè)試

將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 400r/min進(jìn)行試驗(yàn)，額定點(diǎn)的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 筒形風(fēng)機(jī)額定點(diǎn)參數(shù)表Tab.1 Cylindrical centrifugal fan rated parameter

風(fēng)機(jī)全壓內(nèi)效率計(jì)算按：

式中，ηt為風(fēng)機(jī)全壓下的內(nèi)效率；qv為風(fēng)機(jī)體積流量，m3/s；ptF為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；η電機(jī)為電機(jī)效率，試驗(yàn)電機(jī)效率82%。

風(fēng)機(jī)流量系數(shù)計(jì)算按：

式中，φ為流量系數(shù)；D2為葉輪外徑，m；u2為葉輪外緣圓周速度，m/s。

風(fēng)機(jī)壓力系數(shù)計(jì)算按：

式中，ψF為壓力系數(shù)（全壓或靜壓）；pF為全壓或靜壓，Pa；ρ為風(fēng)機(jī)進(jìn)口的氣體密度，kg/m3。

風(fēng)機(jī)噪聲比A聲級(jí)計(jì)算按：

式中，LsA為風(fēng)機(jī)比A聲級(jí)噪聲，dB（A）；LA為風(fēng)機(jī)A聲級(jí)噪聲，dB（A）；qv為風(fēng)機(jī)流量，m3/min。

通過(guò)公式（1）～公式（4），計(jì)算出試驗(yàn)筒形風(fēng)機(jī)額定點(diǎn)的無(wú)因次參數(shù)，見(jiàn)表2。

筒形風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率約為74%，與文獻(xiàn)[1，3，4，7]描述的風(fēng)機(jī)內(nèi)效率達(dá)80%以上有一定的差距，對(duì)此，不排除由于試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉輪直徑較小導(dǎo)致效率降低。

表2 筒形風(fēng)機(jī)額定點(diǎn)無(wú)因次參數(shù)表Tab.2 Fan rated dimensionless parameter

測(cè)試風(fēng)機(jī)工作在額定點(diǎn)（5m3/min）的噪聲頻譜，見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)額定點(diǎn)倍頻程噪聲頻譜圖Fig.6 Fan noise spectrum

試驗(yàn)用筒形風(fēng)機(jī)的噪聲主要分布在中高頻，噪聲主要來(lái)源于試驗(yàn)葉輪高速旋轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲。

3.2 風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下性能曲線測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)及噪聲測(cè)試方法，進(jìn)行了試驗(yàn)筒形風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能曲線測(cè)試，風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的性能曲線見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能曲線圖Fig.7 Fan performance curve

對(duì)風(fēng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)因次性能參數(shù)計(jì)算，見(jiàn)圖8。

圖8 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能曲線圖Fig.8 Fan performance curve

由圖7和圖8可見(jiàn)，筒形風(fēng)機(jī)動(dòng)壓較小，靜壓曲線與全壓曲線基本重合；風(fēng)機(jī)壓力曲線平緩無(wú)駝峰，表明筒形風(fēng)機(jī)在變工況下運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生“喘振”現(xiàn)象[6]；整機(jī)最高效率點(diǎn)（63%）出現(xiàn)在流量系數(shù)為0.2左右，考慮電機(jī)效率為82%，試驗(yàn)筒形風(fēng)機(jī)最大內(nèi)效率約為76%。

JB/T 8690-1998《工業(yè)通風(fēng)機(jī)噪聲限值》規(guī)定了各種型式通風(fēng)機(jī)噪聲在最高效率工況點(diǎn)的比A聲級(jí)LsA限值[10]，見(jiàn)表3。

表3 通風(fēng)機(jī)噪聲限值表Tab.3 Ventilator noise limits

筒形風(fēng)機(jī)在較寬的流量范圍內(nèi)比A聲級(jí)曲線平坦，寬流量范圍內(nèi)滿(mǎn)足JB/T 8690-1998規(guī)定的離心風(fēng)機(jī)最低噪聲限值要求。目前性能較好的離心風(fēng)機(jī)，其噪聲都低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低限值要求，如后向板型離心風(fēng)機(jī)的比A聲壓級(jí)多在18dB(A)左右（進(jìn)氣試驗(yàn)），甚至達(dá)到16dB(A)以下（進(jìn)出氣試驗(yàn)）[11]。從筒形風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可知道，筒形風(fēng)機(jī)由于沒(méi)有蝸殼，葉輪出口氣流直接沖擊在前錐殼體上，對(duì)于噪聲和效率都是不利的。

筒形風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際比轉(zhuǎn)速按公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中，ns為風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速；n為運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min；ptF為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ρ為風(fēng)機(jī)進(jìn)口的氣體密度，kg/m3。

根據(jù)公式（1）（3）（5），計(jì)算出風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)內(nèi)效率、壓力系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖9。

圖9 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能曲線圖Fig.9 Fan performance curve

通常以風(fēng)機(jī)最高效率點(diǎn)的比轉(zhuǎn)速來(lái)確定風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速，該試驗(yàn)筒形風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速為80。按比轉(zhuǎn)速來(lái)確定風(fēng)機(jī)類(lèi)型[6]，該風(fēng)機(jī)屬于混流式通風(fēng)機(jī)。

3.3 不同轉(zhuǎn)速下噪聲性能測(cè)試

孫亞平[12]等人研究了離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)噪聲和性能的影響，離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)機(jī)的相對(duì)噪聲就越大。

對(duì)筒形風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速對(duì)噪聲的影響試驗(yàn)，為進(jìn)行對(duì)比，采用同一套試驗(yàn)設(shè)備在半消聲室進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備包括筒形風(fēng)機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、精密級(jí)聲級(jí)計(jì)，固定筒形風(fēng)機(jī)的安裝位置和噪聲檢測(cè)設(shè)備的位置，調(diào)節(jié)電源電壓使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速下，測(cè)試出不同轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)，見(jiàn)圖10；計(jì)算出流量系數(shù)與比A聲級(jí)的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖11。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能曲圖Fig.10 Fan performance curve under of different rotating speed

圖11 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)運(yùn)行比A聲級(jí)對(duì)比圖Fig.11 A-weighted sound pressure level under different rotating speed

圖10表明，筒形風(fēng)機(jī)隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速的升高，流量、壓力和噪聲曲線逐漸增大。圖11表明，隨著轉(zhuǎn)速的升高，筒形風(fēng)機(jī)比A聲級(jí)曲線略微下降。

4 結(jié)論

筒形離心通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是采用離心式葉輪、軸向?qū)Я鞯耐残瓮鈿?。筒形風(fēng)機(jī)采用后彎式離心葉輪，氣體軸向進(jìn)入葉輪，從葉片獲得能量后徑向流出葉輪。由葉輪流出的氣體撞到外殼體的錐體部，然后軸向進(jìn)入后導(dǎo)葉，經(jīng)軸向?qū)~整流后由軸向出口排除。從該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，小型筒形風(fēng)機(jī)具有幾大特點(diǎn)：

a）筒形風(fēng)機(jī)具有軸流風(fēng)機(jī)大流量系數(shù)與離心風(fēng)機(jī)的高壓系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，比轉(zhuǎn)速屬于混流式風(fēng)機(jī)系列；

b）筒形風(fēng)機(jī)性能曲線平坦，高效區(qū)寬，無(wú)“駝峰”，在變工況下運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生“喘振”現(xiàn)象；

c）筒形風(fēng)機(jī)的比A聲級(jí)曲線平坦，且隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速升高而略有下降。

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Experimental Study of the Aerodynamic Performance and Noise Characteristics of Cylindrical Centrifugal Fans

He-yuan Wu1,2Qiang Chen1,2Qing-yi Sai3Xiao-shu Jian1,2Zhi-neng Zhu1,2
(1.Guizhou Aerospace Linquan Motor Co.Ltd.，；2.National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors)

Detailed experimental studies of the aerodynamic performance and the noise characteristics of a cylindrical fan are performed in this paper.The test results show the cylindrical fan’s aerodynamic performance curve to be flat,in the high efficiency area without‘hump’,and no surge under variable working conditions.The A-weighted sound pressure level curve is flat,and it shows a decreasing tendency with increasing rotational speed.

cylindrical fan,aerodynamic performance,noise characteristics,experimental study

TH43；TK05

1006-8155-(2017)04-0074-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0012

獲得黔科合人才團(tuán)隊(duì)[2014]4023號(hào)資助，貴州省航天用低噪音、長(zhǎng)壽命、高可靠微特電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)改關(guān)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

2017-04-21 貴州 貴陽(yáng) 550081