特性曲線在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孫玉波　劉劍飛　宋杰

摘 要：風(fēng)機(jī)主要包括離心風(fēng)機(jī)、混流風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)。它不僅應(yīng)用于國(guó)家工業(yè)體系的各個(gè)領(lǐng)域，而且在航天、航空中的應(yīng)用尤為突出。在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括飛機(jī)座艙的通風(fēng)換氣、電子設(shè)備艙的冷卻、貨倉(cāng)的空氣再循環(huán)、燃滑油及液壓系統(tǒng)的散熱。風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)中能耗較大，因此對(duì)于高效、節(jié)能及低噪風(fēng)機(jī)的研發(fā)已迫在眉睫。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，借助Amesim軟件進(jìn)行多學(xué)科仿真設(shè)計(jì)及Fluent進(jìn)行風(fēng)機(jī)流道內(nèi)流場(chǎng)分析，建立不同工況下的風(fēng)機(jī)計(jì)算模型，繪制相應(yīng)的特性曲線族，并選用高效特性曲線作為具體風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)，可為產(chǎn)品滿足飛機(jī)全包線的使用需求奠定理論基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)某型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，建立風(fēng)機(jī)在不同工況下的計(jì)算模型，論述特性曲線在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而為產(chǎn)品滿足飛機(jī)全包線內(nèi)的使用需求奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì);特性曲線;全包線

中圖分類號(hào)：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0041-03

Application of Characteristic Curve in Fan Design

SUN Yubo LIU Jianfei SONG Jie

（1.Naval Armament department，Luoyang Henan 471000;2.Military Representative Office of the Force Equipment in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;3.Xinxiang Aviation Industry（Group）Co.， Ltd.， Xinxiang Henan 453000）

Abstract： Fan mainly includes Centrifugal Fan， mixed flow fan and axial flow fan. It is not only applied in various fields of national industrial system， but also outstanding in spaceflight and aviation. The applications in aviation field include ventilation of aircraft cabin， cooling of electronic equipment cabin， air recirculation of cargo bin， heat dissipation of fuel oil and hydraulic system. Fan in the system of energy consumption is large， so for high-efficiency， energy-saving and low-noise fan research and development is imminent. According to different application scenarios， multi-discipline simulation design is carried out with Amesim software and flow field analysis in flow passage of fan is carried out by Fluent， calculation model of fan under different working conditions is established， and corresponding characteristic curve family is drawn， the high efficiency characteristic curve is chosen as the basis of the fan design， which can lay the theoretical foundation for the product to meet the requirement of the aircraft full envelope.

Keywords： fan design;characteristic curve;full envelope

1 特性曲線的分類

1.1 有因次特性曲線

風(fēng)機(jī)流量Q、全壓P、輸入功率[N]和效率[η]的關(guān)系密切，某一風(fēng)機(jī)在指定轉(zhuǎn)速下的P-Q、η-Q、N-Q的關(guān)系曲線如圖1所示。

1.2 無(wú)因次曲線

一般主要是指風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)P、流量系數(shù)Q、功率因數(shù)N、效率η之間關(guān)系的曲線，如圖2所示。

1.3 空氣動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)略圖

同一系列產(chǎn)品中，不同型號(hào)的產(chǎn)品都是按相似方法設(shè)計(jì)的，因此它們的無(wú)因次曲線相同，幾何形狀相似。它以葉輪外徑為特征尺寸求出通流部分其他尺寸相對(duì)葉輪外徑的尺寸值，并用此尺寸繪制通風(fēng)機(jī)的幾何圖形與無(wú)因次性能曲線。

1.4 綜合性能曲線

綜合性能曲線是指把同一系列產(chǎn)品的性能參數(shù)全壓、流量、蝸殼出口氣流速度、效率和葉輪直徑等相互關(guān)系綜合在一起的曲線。這些曲線是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，指導(dǎo)技術(shù)人員方便、快捷地開(kāi)發(fā)出所需要的高效產(chǎn)品。

2 特性曲線的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法包括全新設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)以及變型設(shè)計(jì)。無(wú)論采用哪種設(shè)計(jì)方法，最終目的都是要保證產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議滿足規(guī)定的使用要求，此外應(yīng)考慮產(chǎn)品可能隨飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)時(shí)的使用要求。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，高效區(qū)域要盡可能寬、效率曲線平坦、尺寸要小、質(zhì)量要輕以及噪聲要低[1]等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)特性曲線，選擇綜合性能較好的模型機(jī)作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)計(jì)算。

2.1 特性曲線法在相似設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1.1 模型機(jī)的選擇。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇模型機(jī)，確保模型機(jī)具有高效且效率曲線平坦的特點(diǎn)[2]。

2.1.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)。根據(jù)特性曲線上的性能點(diǎn)，分析設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)是否滿足相似條件，并按式（1）進(jìn)行判斷。

如果求出的比轉(zhuǎn)速與模型機(jī)的比轉(zhuǎn)速近似相等，且設(shè)計(jì)點(diǎn)的全壓與流量滿足相似條件，即可按相似設(shè)計(jì)。

2.1.3 葉輪直徑的計(jì)算。由模型機(jī)特性曲線與式（3）可求出設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的葉輪直徑：

相似的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一定滿足幾何相似，即它們流道對(duì)應(yīng)部分的幾何尺寸成比例[4]。當(dāng)葉輪外徑確定后，機(jī)殼、葉輪、集流器尺寸根據(jù)相似原理即為確定的值。

2.2 特性曲線法在變型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.2.1 設(shè)計(jì)模型的選取。協(xié)議要求產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)：①工作介質(zhì)為空氣;②進(jìn)口溫度為常溫;③進(jìn)氣壓力P=0.101 325 MPa。主要性能指標(biāo)：①全壓P≥9 000 Pa;②流量Q≥11 000 m/h;③輸入功率N≤55 kW。

按照協(xié)議對(duì)風(fēng)機(jī)流量及壓力的要求，給定合適的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)計(jì)算的風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速及壓力系數(shù)的大小，選用一種成熟的高效風(fēng)機(jī)作為模型機(jī)。根據(jù)模型機(jī)要求設(shè)計(jì)并加工了一套產(chǎn)品（葉輪直徑為630 mm），并進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試。

2.2.2 試驗(yàn)情況。采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)的方式對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行全工況性能測(cè)試（風(fēng)機(jī)流量從最小到最大），詳細(xì)的測(cè)試情況見(jiàn)表1。

從表1可以看出，該型風(fēng)機(jī)能夠滿足協(xié)議規(guī)定的全壓及流量要求，但將該風(fēng)機(jī)安裝到實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中使用時(shí)，流量明顯偏小。后來(lái)，技術(shù)攻關(guān)小組通過(guò)對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行調(diào)查，了解到產(chǎn)品原動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用電流明顯低于其額定電流，表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)處于小流量運(yùn)行。因此，攻關(guān)小組認(rèn)為產(chǎn)品產(chǎn)生流量偏小的故障原因是，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)缺乏對(duì)產(chǎn)品變工況因素影響的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)品不能滿足使用要求。通過(guò)分析產(chǎn)品產(chǎn)生故障的原因，技術(shù)攻關(guān)小組在不改變協(xié)議要求的外形及接口尺寸的前提下，根據(jù)模型機(jī)的特性曲線對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。

2.2.3 變型設(shè)計(jì)及校核，對(duì)于變型設(shè)計(jì)過(guò)程，據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試情況，各性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量及壓力分別為A（8 588，9 698）、B（9 415，9 616）、C（9 600，9 590）、D（11 056，9 195）、E（11 883，8 915）、F（12 699，8 636）、G（13 525，8 310），然后繪制出該風(fēng)機(jī)的有因次特性曲線（見(jiàn)圖3），風(fēng)機(jī)曲線與管網(wǎng)曲線的交點(diǎn)為M即為實(shí)際工況點(diǎn)，其性能坐標(biāo)為M（9 530，9 500）。根據(jù)模型機(jī)有因次曲線圖及模型機(jī)的實(shí)際使用功率情況分析，要使風(fēng)機(jī)滿足實(shí)際使用系統(tǒng)需求，必須使風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口狀態(tài)下全壓值P≥9 500 Pa，流量Q≥11 000 m/h，而將工況點(diǎn)從M點(diǎn)移到M點(diǎn)，而以原始風(fēng)機(jī)作為模型機(jī)進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，可達(dá)到系統(tǒng)需求[5]。

2.2.4 寬度修正。如果變型設(shè)計(jì)求出的流量和預(yù)期流量不一致，則可按式（10）、式（11）和式（12）對(duì)以上設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的寬度進(jìn)行修正。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這種變型設(shè)計(jì)法既可保證與模型機(jī)基本相等的效率，又具有方便、快捷的特點(diǎn)，因此被風(fēng)機(jī)行業(yè)設(shè)計(jì)部門廣泛采用。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)證明特性曲線法在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中具有突出優(yōu)點(diǎn)，與全新設(shè)計(jì)相比具有周期短、效率曲線平坦、性能可靠且設(shè)計(jì)計(jì)算的性能與產(chǎn)品工作時(shí)實(shí)際性能較為接近的優(yōu)勢(shì)。這種方法不僅適用于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)于渦輪、壓縮機(jī)等透平式機(jī)械設(shè)計(jì)，只要壓比和效率相近，也可參考已有高效產(chǎn)品，利用其特性曲線進(jìn)行相似或變型設(shè)計(jì)。

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