內風筒導葉結構對軸流式通風機氣動性能影響的探究

陳俊池， 徐洪海， 裘科名， 張 璟， 周卓異

（紹興市上虞區質檢計量測試所， 浙江 紹興 312300）

引言

軸流式通風機作為采用葉輪機械輸送氣體的裝置，在建筑通風、礦物冶煉、化工生產等方面得到了廣泛的使用。本地擁有風機企業200 多家，多為生產民用建筑通風機的中小型企業。產業集群化的發展模式降低了生產成本，形成了品牌效應，但同時加劇了風機產品的同質化競爭。在某一批的風機檢測中，發現有部分企業生產的軸流式通風機采用沒有內風筒和導葉結構的簡化形式。很多企業僅僅從降低生產成本的角度設計風機，對結構的改變所造成的性能影響沒有明確的認識，這種結構的簡化對通風機氣動性能產生的影響，是本文所要討論的重點方向。

1 內風筒與導葉結構簡析

軸流式通風機的內風筒為安裝在風機外風筒中央，包裹電動機部分的結構。其中一方面內風筒能在火災等高溫環境中保障電動機的穩定運行，另一方面可以提供安裝導葉的依托結構。因此一般情況下內風筒和導葉結構一起出現，并對通風機的氣動性能產生一定影響。內風筒表面光滑平整，相較電動機殼體部分的凹凸不平擁有更小的風阻，利于氣流高速通過表面。導葉結構可以調節通風機的氣流方向和角度，提高葉輪動能轉化效率[1]。

2 試驗方案確定

2.1 通風機試驗方法

想要得到通風機的氣動數據性能，在試驗方法的選擇上，一般采用數值模擬或實物試驗[2]。數值模擬可以更加直觀地得到通風機內部流場的運動狀態，但其計算結果是根據數學模型和各種經驗方程通過計算得出，不能保證模擬值與真實值的相似度。采用實物試驗，則可確保試驗結果的可靠性，其偏差一般來源于測量儀器。本實驗室的儀器不確定度在2%以內，可有效保證測試結果的可靠性。試驗采用工業通風機用標準化風道性能試驗（GB/T 1236—2017），使用C 型測試裝置[3]：標準化風道進口、自由出口、風機試驗裝置，如圖1 所示。

圖1 通風機標準化風道試驗裝置

試驗過程中，采用逐步封閉試驗風管進氣端的方式使管道加壓，模擬通風機在各種不同壓力工況條件下的運行狀態，最終得到風機性能數據。

2.2 受試軸流式通風機的選擇

選定本文的研究對象為10 號軸流式通風機，并將通風機分為A、B 兩結構。其中A 結構的風機其電動機安裝在內風筒中，內風筒則通過導葉結構與外風筒相連接；B 結構的通風機沒有內風筒導葉結構，其電動機部分僅通過支架直接連接外風筒（以下簡稱A、B 風機）。采用控制變量法保證其他無關參數不影響試驗結果，即兩臺受試風機除結構不同外，其余參數如外風筒型號大小、葉輪葉型及安裝角、電機型號、功率和轉速等均相同，兩臺風機試驗現場安裝如下頁圖2 所示。

圖2 A、B 風機試驗現場圖

3 試驗結果分析

3.1 內風筒導葉結構對通風機最大風量的影響

通風機的風量為單位時間內流過通風機的空氣總量。在通風機直接啟動，不添加額外負載情況下測得的試驗結果為通風機的最大風量。試驗結果為A風機最大風量為52 724 m3/h，B 風機測得最大風量為52 001 m3/h，即風量減少了1.4%，表明兩風機最大風量差別不大。

分析其原因如下：電機參數相同情況下，電動機輸出功率相同，所以最大風量相近。但由于A、B 通風機氣動性能的差別，導致電機負載不同，因此A風機的電機負載更小，輸出稍大的風量。

3.2 內風筒導葉結構對通風機全壓與靜壓的影響

通風機的全壓為出口截面的滯止壓力值與進口截面的滯止壓力值之差，在數值上等于靜壓與動壓之和，靜壓通過裝在測試管道內的壓力表直接測量得到。在通風機運行過程中，管道壓力越大，通風機風量就越小，通過閉合測試管道的加壓方式可以得到通風機壓力與風量的性能曲線圖，如圖3 所示。

圖3 通風機全壓與靜壓下壓力與風量關系圖

由圖3 可得，當通風機電機以額定功率運行時，在A、B 風機輸出風量相同的情況下，A 風機的全壓與靜壓均優于B 風機。取A、B 通風機全壓效率處于最大值時的風量為風機的額定風量。當A 通風機在44 500 m3/h 的額定風量下，風機全壓為605.3 Pa，靜壓為462.7 Pa；B 通風機在額定風量下的風機全壓為562.6 Pa，靜壓為419.9 Pa。減少內風筒導葉結構后通風機全壓下降了7.1%、靜壓下降了9.3%，說明內風筒導葉結構對風機的全壓和靜壓存在較大影響。

3.3 內風筒導葉結構對通風機風機效率的影響

通風機的風機效率為通風機空氣功率與葉輪輸入功率的比值，代表了通風機葉輪將電動機輸入的機械能轉化為風能的能力大小[4]。其值越大，說明該通風機能量轉化率越高，越節約能源，設計也就越合理。通過標準化風道性能試驗得到A、B 兩風機效率與風量的關系曲線，如圖4 所示。

圖4 通風機全壓效率與風量的關系曲線

由圖4 可以得到，A、B 風機均在44 500 m3/h 左右的風量下取得風機效率的最大值。A 風機的效率最大值為60.3%，B 風機的效率最大值為55.0%。由此可知，缺少的內風筒導葉結構使風機效率降低了5.3%，降幅為8.8%。

4 結論

基于標準化風道性能試驗，針對內風筒及導葉結構對軸流式通風機的氣動性能影響作了試驗分析與探究，得出結論：通風機最大風量受內風筒導葉結構的影響不大，減少該結構后使風機靜壓下降最多達9.3%，全壓下降約7.1%，通風機效率也受其影響下降約5.3%。本研究可為風機制造企業對風機結構進行一定程度的簡化，達到性能與成本的平衡提供理論參考與依據。