內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能影響的探究

陳俊池， 徐洪海， 裘科名， 張 璟， 周卓異

（紹興市上虞區(qū)質(zhì)檢計(jì)量測(cè)試所， 浙江 紹興 312300）

引言

軸流式通風(fēng)機(jī)作為采用葉輪機(jī)械輸送氣體的裝置，在建筑通風(fēng)、礦物冶煉、化工生產(chǎn)等方面得到了廣泛的使用。本地?fù)碛酗L(fēng)機(jī)企業(yè)200 多家，多為生產(chǎn)民用建筑通風(fēng)機(jī)的中小型企業(yè)。產(chǎn)業(yè)集群化的發(fā)展模式降低了生產(chǎn)成本，形成了品牌效應(yīng)，但同時(shí)加劇了風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)。在某一批的風(fēng)機(jī)檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)有部分企業(yè)生產(chǎn)的軸流式通風(fēng)機(jī)采用沒(méi)有內(nèi)風(fēng)筒和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化形式。很多企業(yè)僅僅從降低生產(chǎn)成本的角度設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)的改變所造成的性能影響沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)，這種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化對(duì)通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生的影響，是本文所要討論的重點(diǎn)方向。

1 內(nèi)風(fēng)筒與導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

軸流式通風(fēng)機(jī)的內(nèi)風(fēng)筒為安裝在風(fēng)機(jī)外風(fēng)筒中央，包裹電動(dòng)機(jī)部分的結(jié)構(gòu)。其中一方面內(nèi)風(fēng)筒能在火災(zāi)等高溫環(huán)境中保障電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面可以提供安裝導(dǎo)葉的依托結(jié)構(gòu)。因此一般情況下內(nèi)風(fēng)筒和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)一起出現(xiàn)，并對(duì)通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一定影響。內(nèi)風(fēng)筒表面光滑平整，相較電動(dòng)機(jī)殼體部分的凹凸不平擁有更小的風(fēng)阻，利于氣流高速通過(guò)表面。導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的氣流方向和角度，提高葉輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率[1]。

2 試驗(yàn)方案確定

2.1 通風(fēng)機(jī)試驗(yàn)方法

想要得到通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)性能，在試驗(yàn)方法的選擇上，一般采用數(shù)值模擬或?qū)嵨镌囼?yàn)[2]。數(shù)值模擬可以更加直觀地得到通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但其計(jì)算結(jié)果是根據(jù)數(shù)學(xué)模型和各種經(jīng)驗(yàn)方程通過(guò)計(jì)算得出，不能保證模擬值與真實(shí)值的相似度。采用實(shí)物試驗(yàn)，則可確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，其偏差一般來(lái)源于測(cè)量?jī)x器。本實(shí)驗(yàn)室的儀器不確定度在2%以內(nèi)，可有效保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。試驗(yàn)采用工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)（GB/T 1236—2017），使用C 型測(cè)試裝置[3]：標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)口、自由出口、風(fēng)機(jī)試驗(yàn)裝置，如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過(guò)程中，采用逐步封閉試驗(yàn)風(fēng)管進(jìn)氣端的方式使管道加壓，模擬通風(fēng)機(jī)在各種不同壓力工況條件下的運(yùn)行狀態(tài)，最終得到風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)。

2.2 受試軸流式通風(fēng)機(jī)的選擇

選定本文的研究對(duì)象為10 號(hào)軸流式通風(fēng)機(jī)，并將通風(fēng)機(jī)分為A、B 兩結(jié)構(gòu)。其中A 結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)其電動(dòng)機(jī)安裝在內(nèi)風(fēng)筒中，內(nèi)風(fēng)筒則通過(guò)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)與外風(fēng)筒相連接；B 結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)沒(méi)有內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，其電動(dòng)機(jī)部分僅通過(guò)支架直接連接外風(fēng)筒（以下簡(jiǎn)稱A、B 風(fēng)機(jī)）。采用控制變量法保證其他無(wú)關(guān)參數(shù)不影響試驗(yàn)結(jié)果，即兩臺(tái)受試風(fēng)機(jī)除結(jié)構(gòu)不同外，其余參數(shù)如外風(fēng)筒型號(hào)大小、葉輪葉型及安裝角、電機(jī)型號(hào)、功率和轉(zhuǎn)速等均相同，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 A、B 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量的影響

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)通風(fēng)機(jī)的空氣總量。在通風(fēng)機(jī)直接啟動(dòng)，不添加額外負(fù)載情況下測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果為通風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量。試驗(yàn)結(jié)果為A風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為52 724 m3/h，B 風(fēng)機(jī)測(cè)得最大風(fēng)量為52 001 m3/h，即風(fēng)量減少了1.4%，表明兩風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量差別不大。

分析其原因如下：電機(jī)參數(shù)相同情況下，電動(dòng)機(jī)輸出功率相同，所以最大風(fēng)量相近。但由于A、B 通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的差別，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載不同，因此A風(fēng)機(jī)的電機(jī)負(fù)載更小，輸出稍大的風(fēng)量。

3.2 內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)全壓與靜壓的影響

通風(fēng)機(jī)的全壓為出口截面的滯止壓力值與進(jìn)口截面的滯止壓力值之差，在數(shù)值上等于靜壓與動(dòng)壓之和，靜壓通過(guò)裝在測(cè)試管道內(nèi)的壓力表直接測(cè)量得到。在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，管道壓力越大，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量就越小，通過(guò)閉合測(cè)試管道的加壓方式可以得到通風(fēng)機(jī)壓力與風(fēng)量的性能曲線圖，如圖3 所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)全壓與靜壓下壓力與風(fēng)量關(guān)系圖

由圖3 可得，當(dāng)通風(fēng)機(jī)電機(jī)以額定功率運(yùn)行時(shí)，在A、B 風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量相同的情況下，A 風(fēng)機(jī)的全壓與靜壓均優(yōu)于B 風(fēng)機(jī)。取A、B 通風(fēng)機(jī)全壓效率處于最大值時(shí)的風(fēng)量為風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量。當(dāng)A 通風(fēng)機(jī)在44 500 m3/h 的額定風(fēng)量下，風(fēng)機(jī)全壓為605.3 Pa，靜壓為462.7 Pa；B 通風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)量下的風(fēng)機(jī)全壓為562.6 Pa，靜壓為419.9 Pa。減少內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)后通風(fēng)機(jī)全壓下降了7.1%、靜壓下降了9.3%，說(shuō)明內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)的全壓和靜壓存在較大影響。

3.3 內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)效率的影響

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)效率為通風(fēng)機(jī)空氣功率與葉輪輸入功率的比值，代表了通風(fēng)機(jī)葉輪將電動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能的能力大小[4]。其值越大，說(shuō)明該通風(fēng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化率越高，越節(jié)約能源，設(shè)計(jì)也就越合理。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)得到A、B 兩風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)量的關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 通風(fēng)機(jī)全壓效率與風(fēng)量的關(guān)系曲線

由圖4 可以得到，A、B 風(fēng)機(jī)均在44 500 m3/h 左右的風(fēng)量下取得風(fēng)機(jī)效率的最大值。A 風(fēng)機(jī)的效率最大值為60.3%，B 風(fēng)機(jī)的效率最大值為55.0%。由此可知，缺少的內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)使風(fēng)機(jī)效率降低了5.3%，降幅為8.8%。

4 結(jié)論

基于標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)，針對(duì)內(nèi)風(fēng)筒及導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能影響作了試驗(yàn)分析與探究，得出結(jié)論：通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量受內(nèi)風(fēng)筒導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的影響不大，減少該結(jié)構(gòu)后使風(fēng)機(jī)靜壓下降最多達(dá)9.3%，全壓下降約7.1%，通風(fēng)機(jī)效率也受其影響下降約5.3%。本研究可為風(fēng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，達(dá)到性能與成本的平衡提供理論參考與依據(jù)。