出口側多噴嘴風室A型試驗裝置的制作及性能計算

崔廣新 郭孟報 姜楠

德州市產品質量標準計量研究院 山東德州 253000

通風機性能試驗是通風機設計、生產、檢驗中必不可少的項目，隨著我國經濟和科技的發展，越來越多的企業和使用方逐漸形成了良好的質量意識，主動尋求高效的質量檢測手段和產品改進的方法。但是對于大量的中小型企業來說，購置一套通風機性能試驗系統，是一筆不小的投入，本文所論述的出口側多噴嘴風室試驗裝置（以下簡稱風室）的制作及性能計算，主要針對民用低壓通風機，依據GB/T1236-2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》進行設計和計算，主要目的是幫助企業自行設計及制作通風機試驗裝置[1]。

1 適用的安裝類型和裝置

在通風機安裝現場應用中可有4種安裝類型：A型：自由進口和自由出口；B型：自由進口和管道出口；C型：管道進口和自由出口；D型：管道進口和管道出口。試驗安裝類型應盡可能模擬這些工作條件，為此定義了4種試驗裝置。本文所論述的試驗裝置，屬于A型裝置，即通風機在試驗中應不加設任何輔助裝置，諸如弧形進口或出口管道，但隨通風機一起供貨的附件，如防護網、弧形進口等，應安裝在一起。

2 風室結構的確定及制作

按照企業生產的通風機規格尺寸的大小和風量風壓的大小確定風室的測量范圍，本文以通風機出口當量直徑為1m和最大風量為80000m3/h，最大風壓為2000Pa的被測風機為例，來確定風室的設計結構。標準要求“噴嘴外形應為軸對稱、出口邊緣為直角、銳邊，無毛刺、刻痕或倒圓，噴嘴軸線與其所安裝的風室軸線應互相平行，噴嘴喉部長度應為0.6d±0.005d。”“在噴嘴定位時，各噴嘴中心線與風室壁的距離不小于1.5d，任意兩個同時使用的噴嘴的最小中心距為3d，其中d為較大噴嘴的直徑。”“對于旋轉軸與排出氣流方法相垂直的通風機，出口試驗風室的截面積應至少等于9倍通風機出口面積或出口管道面積（A6≥9A2）;對于旋轉軸平行于排出氣流方向的通風機，出口風室截面積應至少等于16倍的通風機出口面積或出口管道面積（A6≥16A2）”根據這些要求，結合出口側多噴嘴風室的質量流量計算公式（標準GB/T1236-2017第30.3.1.1），可以通過假設噴嘴數量的方法確定噴嘴的喉口直徑，進而計算風室的截面尺寸[2]。為便于計算，在上述公式中，可以將膨脹系數和排出系數近似為1，空氣密度近似為標準空氣密度1.2，為便于制作，各噴嘴喉口直徑也可設計為同樣的直徑尺寸。在此基礎上，可以制作簡單的Excel計算表格，將上述公式簡化為噴嘴數量和喉口直徑的關系式，如圖1所示：

圖1 噴嘴數量和喉口直徑的關系

隨著噴嘴數的增加，噴嘴喉口直徑將變小，對于同一臺測試風機，使用噴嘴較多的風室進行測試時，有利于使氣流均勻的通過風量測試面。但過多的噴嘴，會帶來成本增加、工作效率降低和存在氣體泄漏隱患的可能性增加。本文以選擇10個噴嘴為例，則噴嘴喉口直徑應至少為0.222m。因此，可以確定各噴嘴之間的距離應至少為0.666m，噴嘴與風室壁應至少為0.333m。按照噴嘴盡量集中均勻的方式在正方形截面布置，需要的最小風室邊長約為0.222×4+0.666×3+0.333×2=3.552m。

按照風室截面積不小于風機出口面積16倍的關系計算（A6≥16A2），風室截面積至少應為16×πr2/2，約12.56平方米。按照正方形風室計算，風室邊長至少約為3.544m。

為減少安裝難度和避免在安裝過程中引起不必要的誤差，可將噴嘴與噴嘴之間的距離設計為700mm，與風室壁之間的距離設計為350mm，這樣風室的邊長可確定為0.222×4+0.7×4+0.35×2=4.388m。

確定了噴嘴的喉口直徑、數量，風室的截面尺寸，就可以根據標準中出口側多噴嘴試驗風室的示意圖確定各結構具體的尺寸了。

3 風室制作過程中重要環節

3.1 管壁壓力測孔的結構及位置

每一個測孔的孔形均為通過風道壁的孔（直徑為a），應仔細的鉆孔，使孔與風道內表面垂直、平齊，并除去內部所有突出物。孔的邊緣應倒圓，最大允許值為0.1a，孔徑a應不小于1.5mm，不大于5mm，及不大于0.1D（D:圓形風道直徑或矩形風道的當量直徑）。

當采用圓柱型風道時，四個測孔應在圓周上均布，當采用矩形風道時，測孔應位于四條邊的中點。四個相似的測孔可連接至單個壓力計上[3]。本文中所列舉的風室，可選擇孔徑為3mm，這樣可將測孔的外壁直徑設計為8mm，方便后續的管路連接。

3.2 噴嘴的要求

標準對噴嘴有如下要求：①噴嘴的規格可以不同，但在其規格和半徑上，安裝位置相對風室中心應為對稱。②噴嘴應為橢圓狀，但也可近似使用二、三段不同半徑的圓弧，只要在任意點的法線方向與橢圓的差異不大于0.015d（d：噴嘴的喉部直徑）即可。③噴嘴喉部直徑d應在橢圓的短軸和噴嘴出口處測量，測量精度為0.001d；應在間隔45°測得四個值，與平均值的偏差不得大于±0.002d。④噴嘴內表面應平整光滑，直尺在其表面不會擦出刮痕，表面不平整的峰-峰值不大于0.001d。

3.3 PL4截面位置的確定

通風機出口平面與測試裝置中最近的溫流裝置之間的距離為J，距離PL4截面為0.5J，標準規定，通風機旋轉軸垂直于排出氣流方向時，距離J應至少等于出口管道直徑；通風機旋轉軸平行于排出氣流方向時，距離J應至少等于兩倍的出口管道直徑。為增加測試裝置的通用型和適用范圍，應將距離J至少按兩倍出口管道直徑確定[4]。

3.4 穩流裝置

三層金屬絲或多孔板濾網、充分支撐并密封與風室壁面，相距0.1Dh（圓形管道界面的水力學直徑），按流動方向各自流通面積依次為60%、50%和45%排列。

3.5 可變供氣與排氣系統

通過節流裝置或輔助通風機來實現控制試驗通風機的工況點，節流裝置應裝設在管道或風室的端部并關于管道或風室軸線對稱。輔助通風機應設計成在所需流量時能夠產生足夠的壓力以克服流經試驗裝置的損失，可要求使用流量調節裝置，如風閥、節距控制或轉速控制等，在試驗過程中，輔助風機不應產生喘振或流量脈沖等情況[5]。

4 用excel對測試性能過程和結果進行編程設計

通風機的性能測試和計算過程中用到的參數很多，主要可概括為試驗條件、裝置參數、被測樣品參數和工況點測試參數。

試驗條件參數主要包括：標準狀態下的大氣壓力、標準狀態溫度、標準狀態空氣密度、等熵指數k，圓周率π。

裝置參數主要包括：噴嘴喉口直徑、噴嘴數量。

被測樣品參數主要包括：風機進口面積、風機出口面積、額定轉速、葉輪實際直徑、葉輪換算直徑、傳動系數。

工況點測試參數：PL4截面靜壓Pe4，PL6截面靜壓Pe6，PL6截面和PL8截面壓差△P，試驗環境大氣壓力、環境溫度、環境濕度、風室內PL6截面溫度、葉輪轉速、風機噪聲、電機輸入功率、電機效率。

在用excel表格進行設計編程時，通過規定的算法計算出結果的參數。本文以一組測試數據為例，對上述參數進行了編程設計，各參數的程序如圖2所示：

圖2 excel表格進行設計編程

飽和蒸汽壓力=610.8+44.442*G13+1.4133*G13*G13+0.02 768*G13^3+2.55667*10^(-4)*G13^4+2.89166*10^(-6)*G13^5；水蒸氣分壓=D5*H13/100；濕空氣常數=287/(1-0.378*D4/I13)；膨脹系數=D6*D7^(2/D6)/(D6-1)*(1-D7^((D6-1)/D6))/(1-D7)；上游密度=(D13+I13)/D3/(J13+273.15)；雷諾數=0.95*B15*B3*SQRT(2*B16*B13)/(17.1+0.048*J13)*10^6；噴嘴流量系數=0.9986-7.006/SQRT(B17)+134.6/B17；質量流量=B15*D8*B18*B3*B3/4*SQRT(2*B16*B13)*B4；環境密度=(I13-0.378*D4)/287/(G13+273.15)；體積流量=H19/B20；出口壓力：=C13+(H19/B5)^2/2/B20；進口壓力0；通風機壓力=B23-B24；通風機靜壓=C13；空氣功率=B21*B25；空氣靜功率=B21*B26；軸功率=E13*F13/100；葉輪功率=E24*D9;軸效率=E22/1000/E24*100;軸靜效率=E23/1000/E24*100;單位質量功=E22/H19;單位質量靜功=E23/H19;體積流量=B21*B7/K13*(B8/B9)^3;指定條件體積流量=B28*3600;通風機壓力=B25*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;通風機靜壓=B26*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;空氣靜功率=B29*B30/3600;空氣靜功率=B29*B31/3600;

如果在編制excel表格時對各參數的相對位置進行調整，則在編制程序里也需要對參數對應的位置符號進行改變即可。

5 結語

中小企業自行設計制作通風機試驗裝置，不僅能節約成本，更能幫助企業系統的了解檢測過程中的各個關鍵環節，把握好影響檢測結果的各個因素，從而對企業生產的產品質量狀況做到有效的控制。