特性曲線在風機設計中的應用

孫玉波　劉劍飛　宋杰

摘 要：風機主要包括離心風機、混流風機及軸流風機。它不僅應用于國家工業體系的各個領域，而且在航天、航空中的應用尤為突出。在航空領域的應用主要包括飛機座艙的通風換氣、電子設備艙的冷卻、貨倉的空氣再循環、燃滑油及液壓系統的散熱。風機在系統中能耗較大，因此對于高效、節能及低噪風機的研發已迫在眉睫。根據不同的應用場景，借助Amesim軟件進行多學科仿真設計及Fluent進行風機流道內流場分析，建立不同工況下的風機計算模型，繪制相應的特性曲線族，并選用高效特性曲線作為具體風機設計的依據，可為產品滿足飛機全包線的使用需求奠定理論基礎。根據對某型風機的設計，建立風機在不同工況下的計算模型，論述特性曲線在風機設計中的應用，從而為產品滿足飛機全包線內的使用需求奠定一定的理論基礎。

關鍵詞：風機設計;特性曲線;全包線

中圖分類號：TH432.1 文獻標識碼：A 文章編號：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

風機流量Q、全壓P、輸入功率[N]和效率[η]的關系密切，某一風機在指定轉速下的P-Q、η-Q、N-Q的關系曲線如圖1所示。

1.2 無因次曲線

一般主要是指風機的壓力系數P、流量系數Q、功率因數N、效率η之間關系的曲線，如圖2所示。

1.3 空氣動力學氣動略圖

同一系列產品中，不同型號的產品都是按相似方法設計的，因此它們的無因次曲線相同，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葉輪外徑的尺寸值，并用此尺寸繪制通風機的幾何圖形與無因次性能曲線。

1.4 綜合性能曲線

綜合性能曲線是指把同一系列產品的性能參數全壓、流量、蝸殼出口氣流速度、效率和葉輪直徑等相互關系綜合在一起的曲線。這些曲線是產品設計的基礎，指導技術人員方便、快捷地開發出所需要的高效產品。

2 特性曲線的應用

風機的設計方法包括全新設計、相似設計以及變型設計。無論采用哪種設計方法，最終目的都是要保證產品技術協議滿足規定的使用要求，此外應考慮產品可能隨飛機在不同飛行狀態時的使用要求。因此，產品設計時，高效區域要盡可能寬、效率曲線平坦、尺寸要小、質量要輕以及噪聲要低[1]等。設計時應根據不同型號的風機特性曲線，選擇綜合性能較好的模型機作為設計依據進行風機的氣動計算。

2.1 特性曲線法在相似設計中的應用

2.1.1 模型機的選擇。設計的關鍵是選擇模型機，確保模型機具有高效且效率曲線平坦的特點[2]。

2.1.2 設計點參數。根據特性曲線上的性能點，分析設計點的參數是否滿足相似條件，并按式（1）進行判斷。

如果求出的比轉速與模型機的比轉速近似相等，且設計點的全壓與流量滿足相似條件，即可按相似設計。

2.1.3 葉輪直徑的計算。由模型機特性曲線與式（3）可求出設計風機的葉輪直徑：

相似的兩臺風機一定滿足幾何相似，即它們流道對應部分的幾何尺寸成比例[4]。當葉輪外徑確定后，機殼、葉輪、集流器尺寸根據相似原理即為確定的值。

2.2 特性曲線法在變型設計中的應用

2.2.1 設計模型的選取。協議要求產品的主要技術參數：①工作介質為空氣;②進口溫度為常溫;③進氣壓力P=0.101 325 MPa。主要性能指標：①全壓P≥9 000 Pa;②流量Q≥11 000 m/h;③輸入功率N≤55 kW。

按照協議對風機流量及壓力的要求，給定合適的風機轉速，根據計算的風機比轉速及壓力系數的大小，選用一種成熟的高效風機作為模型機。根據模型機要求設計并加工了一套產品（葉輪直徑為630 mm），并進行了相關的性能測試。

2.2.2 試驗情況。采用節流閥調節的方式對該風機進行全工況性能測試（風機流量從最小到最大），詳細的測試情況見表1。

從表1可以看出，該型風機能夠滿足協議規定的全壓及流量要求，但將該風機安裝到實際運行系統中使用時，流量明顯偏小。后來，技術攻關小組通過對產品現場使用情況進行調查，了解到產品原動機的實際使用電流明顯低于其額定電流，表現為風機工況點偏離設計點，導致風機處于小流量運行。因此，攻關小組認為產品產生流量偏小的故障原因是，在進行產品設計時缺乏對產品變工況因素影響的認識，導致產品不能滿足使用要求。通過分析產品產生故障的原因，技術攻關小組在不改變協議要求的外形及接口尺寸的前提下，根據模型機的特性曲線對該產品進行變型設計。

2.2.3 變型設計及校核，對于變型設計過程，據上述試驗測試情況，各性能點對應流量及壓力分別為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），然后繪制出該風機的有因次特性曲線（見圖3），風機曲線與管網曲線的交點為M即為實際工況點，其性能坐標為M（9 530，9 500）。根據模型機有因次曲線圖及模型機的實際使用功率情況分析，要使風機滿足實際使用系統需求，必須使風機在標準進口狀態下全壓值P≥9 500 Pa，流量Q≥11 000 m/h，而將工況點從M點移到M點，而以原始風機作為模型機進行變型設計，可達到系統需求[5]。

2.2.4 寬度修正。如果變型設計求出的流量和預期流量不一致，則可按式（10）、式（11）和式（12）對以上設計風機的寬度進行修正。

根據設計經驗，這種變型設計法既可保證與模型機基本相等的效率，又具有方便、快捷的特點，因此被風機行業設計部門廣泛采用。

3 結語

風機的設計計算與試驗證明特性曲線法在風機設計中具有突出優點，與全新設計相比具有周期短、效率曲線平坦、性能可靠且設計計算的性能與產品工作時實際性能較為接近的優勢。這種方法不僅適用于風機設計，對于渦輪、壓縮機等透平式機械設計，只要壓比和效率相近，也可參考已有高效產品，利用其特性曲線進行相似或變型設計。

參考文獻：

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[5]李景銀.大型動葉可調軸流通風機性能計算[J].風機技術，2004（2）：16-19.

2088501186362