论文部分内容阅读
摘要：现有的列车用轴流风机通常不能实现利用调整角度来调节风机风量和风压大小，且风机叶轮径向与导流器的间隙对风机的噪声、风压、效率影响较大。本研究开发了一种可调节风机风量和风压大小的可调轴流风机，能降低噪声、提高风机效率。试验结果表明，结合特殊导流器结构的可调轴流风机不会产生回流阻碍导流器的主进气，降低了涡流噪声，当风量>5900 m3/h时，噪声< 71.8 dB(A)；能有效提高风压及效率，当风量为5900~10000 m3/h范围内时，静压>225 Pa，风机效率>65%，风量为9950 m3/h时，风机效率可达 87.8%。
关键词：可调轴流风机，特殊导流器结构，风压，风机效率，噪声
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
本轴流风机適用于大铁路及地铁系列司机室通风机，由面板、叶片、支撑螺栓、叶轮轮毂、导流器、电机、电机架等组成 [1]。目前的列车用轴流风机的叶轮叶片安装结构种类很多，如铆接结构、焊接结构和整体压铸结构等。近年来，轴流风机的叶片安装结构技术有较大改进，但仍存在叶片安装定位不准确和风机性能不能调节的缺点。影响风机性能的还有导流器结构，尤其是风机叶轮径向与导流器的间隙会对风机噪声、风压及效率产生较大影响 [2]。根据叶轮内部流道流场分布、翼型对流场影响等动力学机理，应用FLUENT有限分析系统对叶栅内部流场作仿真分析，本研究已开发了一种可调节风机风量和风压大小的可调轴流风机，并在此基础上结合一种特殊导流器结构。为全面评定风机性能，必须了解各种工况下风机的风压、噪音、功率、效率与风量的关系，且风机在同一使用工况下的比较结果更为准确可靠，基于此，本研究测定并比较了可调轴流风机（结合特殊导流器结构）、普通可调轴流风机（无特殊导流器结构）和普通风机这三种风机的静压、A声级、风机效率和叶轮功率，为结合特殊导流器结构的可调轴流风机的应用及相关轴流风机的优化提供了技术参考。
2. 技术原理
轴流风机中，当气流流经叶轮时，在叶轮叶片的作用下，空气压力逐步增加，不同翼型的叶轮叶片最佳升力系数、升阻比、翼型相对厚度、失速性能及翼型形状都有差别，同一翼型，增加翼型相对厚度可以增加升力系数，因此该风机叶片设计为分体压铸结构的机翼型叶片，以获得优越的空气动力性能；对于机翼型叶片的轴流风机，为降低噪声，将径向线向来流的进气方向倾斜15°，得到前倾式叶片 [3]；不同的叶轮叶片角度会产生不同的风机性能，本研究所设计的叶片安装结构，安装时可通过调整叶片角度以满足不同的性能要求。相对径向间隙对轴流风机的全压、全压效率及噪声等都有较大的影响，全压系数大时，相对径向间隙对风机的性能影响较为严重，相对径向间隙的决定原则是在保证叶顶与机壳内壁不相碰的前提下，尽可能做到最小 [4]。本研究于导流器内腔滚压一道凹槽与叶片进口处形成一种凹凸槽结构，避免风压沿叶轮与导流器之间的间隙产生回流阻碍导流器进气。
3. 材料与方法
“静压、A声级、风机效率、叶轮功率”这四个指标是检测风机性能的重要参数，也用于检验风机特性是否符合工况要求，本风机适用场所提供的风量范围为5900~10000 m3/h，因此，本研究在该风量范围内设定多个梯度，测定不同风量梯度下的各指标数值。试验在空气动力性能检测室测定各风机在不同风量下的静压、A声级、风机效率和叶轮功率（见表1），其中，差压变送器用于测定风量、风压，有功功率用于测定功率，声级计用于测定A声级，每组指标分别测定5个重复。
表1 性能测试系统仪器仪表清单
4. 结果与讨论
了解风机的风压、噪音、效率、功率这四个指标与风量的关系，有利于全面评定风机性能。不同的轴流风机在同一使用工况下，风机静压越大，出口静压就越大，出口动压就越小，管路损失也就越小；在相同的工况条件下，噪音越低越好，风机效率越高越好；叶轮功率小，则风机内部流动损失功率小。
4.1. 不同风量下的静压
性能测试结果见图1，当风量范围为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的静压为257.7~229.8 Pa，比普通轴流风机的静压高59.5~12.4Pa。随着风量增加，结合特殊导流器结构的可调轴流风机静压降低不明显，风量为9954 m3/h时，静压为229.8 Pa，较风量为5933 m3/h时（静压为257.7 Pa）仅下降10%，而普通轴流风机的静压明显下降，降幅可达30%以上。因此，随着风量增加，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的静压并未明显降低。在相同工况条件下，该风机的静压较高，有利于增加风机的送风量。
4.2. 不同风量下的噪音
由图2可见，当风量为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的A声级为71.8~67.7 dB(A)，比普通轴流风机的A声级低7dB(A)，比普通可调轴流风机低1.5 dB(A)。且噪音随着风量增大而降低。因此，在相同工况条件下，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的噪音较低，最高不超过72dB(A)，符合JBT 8690-1998工业通风机噪声限值标准 [5]。
4.3. 不同风量下的风机效率
图3为不同风量下，三种轴流风机的风机效率。当风量为5933~9954 m3/h 时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的风机效率为65.1~87.8%，比普通轴流风机的效率提高18%左右，同时比普通可调轴流风机提高3%。随着风量增大，风机效率也逐渐提高，当风量为9954 m3/h时，风机效率较5933m3/h时增加35%。即使风量仅为5933m3/h时，风机效率也高达65.1%，接近于普通轴流风机在最大风量时表现的最大效率。因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的风机效率较高，有利于降低风机能量的损耗。
4.4. 不同风量下的叶轮功率
当风量范围为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的叶轮功率为 0.58~0.49 kW，比普通轴流风机的功率明显降低26~29%，同时比普通可调轴流风机低15~17%。随着风量增大，叶轮功率逐渐降低，当风量为9954 m3/h时，叶轮功率较5933 m3/h时降低16%。当风量为5933 m3/h时，叶轮功率也仅为0.58 kW，低于普通轴流风机在最大风量时表现的叶轮功率（0.69 kW）。因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的叶轮功率较低，风机内部流动损失功率小。
图1图2
图3图4
5. 结论
采用可调节风量和风压的可调轴流风机，并在该基础上结合特殊导流器结构，可避免风压沿叶轮与导流器之间的间隙产生回流阻碍导流器的主进气，降低了风压回流与进气气流产生碰撞而造成的涡流噪声，在本风机适用场所需的风量范围，噪声始终低于72 dB(A)。该结构有效提高了风压及效率，当风量为 5900~10000 m3/h范围时，静压>225Pa，风机效率>65%，风量为99050 m3/h时，风机效率可达87.8%，叶轮功率为0.49 kW，因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机在拥有较高的风机效率时，管路损失小、噪音低、风机内部流动损失功率小，表现出了优越的性能。
参考文献
孙研. 通风机选型实用手册.北京: 机械工业出版社, 2000
昌泽舟, 安庆丰. 轴流式通风机实用技术. 北京: 机械工业出版社, 2005
商景泰. 通风机实用技术手册. 北京: 机械工业出版社, 2005
张卫国. 径向间隙对风机性能影响及调节. 矿业安全与环保,2002,29(4):23-24
JB/T 8690-1998工业通风机 噪声限值. 北京: 机械工业部机械标准化研究所.1998
关键词：可调轴流风机，特殊导流器结构，风压，风机效率，噪声
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
本轴流风机適用于大铁路及地铁系列司机室通风机，由面板、叶片、支撑螺栓、叶轮轮毂、导流器、电机、电机架等组成 [1]。目前的列车用轴流风机的叶轮叶片安装结构种类很多，如铆接结构、焊接结构和整体压铸结构等。近年来，轴流风机的叶片安装结构技术有较大改进，但仍存在叶片安装定位不准确和风机性能不能调节的缺点。影响风机性能的还有导流器结构，尤其是风机叶轮径向与导流器的间隙会对风机噪声、风压及效率产生较大影响 [2]。根据叶轮内部流道流场分布、翼型对流场影响等动力学机理，应用FLUENT有限分析系统对叶栅内部流场作仿真分析，本研究已开发了一种可调节风机风量和风压大小的可调轴流风机，并在此基础上结合一种特殊导流器结构。为全面评定风机性能，必须了解各种工况下风机的风压、噪音、功率、效率与风量的关系，且风机在同一使用工况下的比较结果更为准确可靠，基于此，本研究测定并比较了可调轴流风机（结合特殊导流器结构）、普通可调轴流风机（无特殊导流器结构）和普通风机这三种风机的静压、A声级、风机效率和叶轮功率，为结合特殊导流器结构的可调轴流风机的应用及相关轴流风机的优化提供了技术参考。
2. 技术原理
轴流风机中，当气流流经叶轮时，在叶轮叶片的作用下，空气压力逐步增加，不同翼型的叶轮叶片最佳升力系数、升阻比、翼型相对厚度、失速性能及翼型形状都有差别，同一翼型，增加翼型相对厚度可以增加升力系数，因此该风机叶片设计为分体压铸结构的机翼型叶片，以获得优越的空气动力性能；对于机翼型叶片的轴流风机，为降低噪声，将径向线向来流的进气方向倾斜15°，得到前倾式叶片 [3]；不同的叶轮叶片角度会产生不同的风机性能，本研究所设计的叶片安装结构，安装时可通过调整叶片角度以满足不同的性能要求。相对径向间隙对轴流风机的全压、全压效率及噪声等都有较大的影响，全压系数大时，相对径向间隙对风机的性能影响较为严重，相对径向间隙的决定原则是在保证叶顶与机壳内壁不相碰的前提下，尽可能做到最小 [4]。本研究于导流器内腔滚压一道凹槽与叶片进口处形成一种凹凸槽结构，避免风压沿叶轮与导流器之间的间隙产生回流阻碍导流器进气。
3. 材料与方法
“静压、A声级、风机效率、叶轮功率”这四个指标是检测风机性能的重要参数，也用于检验风机特性是否符合工况要求，本风机适用场所提供的风量范围为5900~10000 m3/h，因此，本研究在该风量范围内设定多个梯度，测定不同风量梯度下的各指标数值。试验在空气动力性能检测室测定各风机在不同风量下的静压、A声级、风机效率和叶轮功率（见表1），其中，差压变送器用于测定风量、风压，有功功率用于测定功率，声级计用于测定A声级，每组指标分别测定5个重复。
表1 性能测试系统仪器仪表清单
4. 结果与讨论
了解风机的风压、噪音、效率、功率这四个指标与风量的关系，有利于全面评定风机性能。不同的轴流风机在同一使用工况下，风机静压越大，出口静压就越大，出口动压就越小，管路损失也就越小；在相同的工况条件下，噪音越低越好，风机效率越高越好；叶轮功率小，则风机内部流动损失功率小。
4.1. 不同风量下的静压
性能测试结果见图1，当风量范围为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的静压为257.7~229.8 Pa，比普通轴流风机的静压高59.5~12.4Pa。随着风量增加，结合特殊导流器结构的可调轴流风机静压降低不明显，风量为9954 m3/h时，静压为229.8 Pa，较风量为5933 m3/h时（静压为257.7 Pa）仅下降10%，而普通轴流风机的静压明显下降，降幅可达30%以上。因此，随着风量增加，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的静压并未明显降低。在相同工况条件下，该风机的静压较高，有利于增加风机的送风量。
4.2. 不同风量下的噪音
由图2可见，当风量为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的A声级为71.8~67.7 dB(A)，比普通轴流风机的A声级低7dB(A)，比普通可调轴流风机低1.5 dB(A)。且噪音随着风量增大而降低。因此，在相同工况条件下，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的噪音较低，最高不超过72dB(A)，符合JBT 8690-1998工业通风机噪声限值标准 [5]。
4.3. 不同风量下的风机效率
图3为不同风量下，三种轴流风机的风机效率。当风量为5933~9954 m3/h 时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的风机效率为65.1~87.8%，比普通轴流风机的效率提高18%左右，同时比普通可调轴流风机提高3%。随着风量增大，风机效率也逐渐提高，当风量为9954 m3/h时，风机效率较5933m3/h时增加35%。即使风量仅为5933m3/h时，风机效率也高达65.1%，接近于普通轴流风机在最大风量时表现的最大效率。因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的风机效率较高，有利于降低风机能量的损耗。
4.4. 不同风量下的叶轮功率
当风量范围为5933~9954 m3/h时，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的叶轮功率为 0.58~0.49 kW，比普通轴流风机的功率明显降低26~29%，同时比普通可调轴流风机低15~17%。随着风量增大，叶轮功率逐渐降低，当风量为9954 m3/h时，叶轮功率较5933 m3/h时降低16%。当风量为5933 m3/h时，叶轮功率也仅为0.58 kW，低于普通轴流风机在最大风量时表现的叶轮功率（0.69 kW）。因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机的叶轮功率较低，风机内部流动损失功率小。
图1图2
图3图4
5. 结论
采用可调节风量和风压的可调轴流风机，并在该基础上结合特殊导流器结构，可避免风压沿叶轮与导流器之间的间隙产生回流阻碍导流器的主进气，降低了风压回流与进气气流产生碰撞而造成的涡流噪声，在本风机适用场所需的风量范围，噪声始终低于72 dB(A)。该结构有效提高了风压及效率，当风量为 5900~10000 m3/h范围时，静压>225Pa，风机效率>65%，风量为99050 m3/h时，风机效率可达87.8%，叶轮功率为0.49 kW，因此，结合特殊导流器结构的可调轴流风机在拥有较高的风机效率时，管路损失小、噪音低、风机内部流动损失功率小，表现出了优越的性能。
参考文献
孙研. 通风机选型实用手册.北京: 机械工业出版社, 2000
昌泽舟, 安庆丰. 轴流式通风机实用技术. 北京: 机械工业出版社, 2005
商景泰. 通风机实用技术手册. 北京: 机械工业出版社, 2005
张卫国. 径向间隙对风机性能影响及调节. 矿业安全与环保,2002,29(4):23-24
JB/T 8690-1998工业通风机 噪声限值. 北京: 机械工业部机械标准化研究所.1998