特性曲线在风机设计中的应用

孙玉波　刘剑飞　宋杰

摘 要：风机主要包括离心风机、混流风机及轴流风机。它不仅应用于国家工业体系的各个领域，而且在航天、航空中的应用尤为突出。在航空领域的应用主要包括飞机座舱的通风换气、电子设备舱的冷却、货仓的空气再循环、燃滑油及液压系统的散热。风机在系统中能耗较大，因此对于高效、节能及低噪风机的研发已迫在眉睫。根据不同的应用场景，借助Amesim软件進行多学科仿真设计及Fluent进行风机流道内流场分析，建立不同工况下的风机计算模型，绘制相应的特性曲线族，并选用高效特性曲线作为具体风机设计的依据，可为产品满足飞机全包线的使用需求奠定理论基础。根据对某型风机的设计，建立风机在不同工况下的计算模型，论述特性曲线在风机设计中的应用，从而为产品满足飞机全包线内的使用需求奠定一定的理论基础。

关键词：风机设计;特性曲线;全包线

中图分类号：TH432.1 文献标识码：A 文章编号：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 特性曲线的分类

1.1 有因次特性曲线

风机流量Q、全压P、输入功率[N]和效率[η]的关系密切，某一风机在指定转速下的P-Q、η-Q、N-Q的关系曲线如图1所示。

1.2 无因次曲线

一般主要是指风机的压力系数P、流量系数Q、功率因数N、效率η之间关系的曲线，如图2所示。

1.3 空气动力学气动略图

同一系列产品中，不同型号的产品都是按相似方法设计的，因此它们的无因次曲线相同，几何形状相似。它以叶轮外径为特征尺寸求出通流部分其他尺寸相对叶轮外径的尺寸值，并用此尺寸绘制通风机的几何图形与无因次性能曲线。

1.4 综合性能曲线

综合性能曲线是指把同一系列产品的性能参数全压、流量、蜗壳出口气流速度、效率和叶轮直径等相互关系综合在一起的曲线。这些曲线是产品设计的基础，指导技术人员方便、快捷地开发出所需要的高效产品。

2 特性曲线的应用

风机的设计方法包括全新设计、相似设计以及变型设计。无论采用哪种设计方法，最终目的都是要保证产品技术协议满足规定的使用要求，此外应考虑产品可能随飞机在不同飞行状态时的使用要求。因此，产品设计时，高效区域要尽可能宽、效率曲线平坦、尺寸要小、质量要轻以及噪声要低[1]等。设计时应根据不同型号的风机特性曲线，选择综合性能较好的模型机作为设计依据进行风机的气动计算。

2.1 特性曲线法在相似设计中的应用

2.1.1 模型机的选择。设计的关键是选择模型机，确保模型机具有高效且效率曲线平坦的特点[2]。

2.1.2 设计点参数。根据特性曲线上的性能点，分析设计点的参数是否满足相似条件，并按式（1）进行判断。

如果求出的比转速与模型机的比转速近似相等，且设计点的全压与流量满足相似条件，即可按相似设计。

2.1.3 叶轮直径的计算。由模型机特性曲线与式（3）可求出设计风机的叶轮直径：

相似的两台风机一定满足几何相似，即它们流道对应部分的几何尺寸成比例[4]。当叶轮外径确定后，机壳、叶轮、集流器尺寸根据相似原理即为确定的值。

2.2 特性曲线法在变型设计中的应用

2.2.1 设计模型的选取。协议要求产品的主要技术参数：①工作介质为空气;②进口温度为常温;③进气压力P=0.101 325 MPa。主要性能指标：①全压P≥9 000 Pa;②流量Q≥11 000 m/h;③输入功率N≤55 kW。

按照协议对风机流量及压力的要求，给定合适的风机转速，根据计算的风机比转速及压力系数的大小，选用一种成熟的高效风机作为模型机。根据模型机要求设计并加工了一套产品（叶轮直径为630 mm），并进行了相关的性能测试。

2.2.2 试验情况。采用节流阀调节的方式对该风机进行全工况性能测试（风机流量从最小到最大），详细的测试情况见表1。

从表1可以看出，该型风机能够满足协议规定的全压及流量要求，但将该风机安装到实际运行系统中使用时，流量明显偏小。后来，技术攻关小组通过对产品现场使用情况进行调查，了解到产品原动机的实际使用电流明显低于其额定电流，表现为风机工况点偏离设计点，导致风机处于小流量运行。因此，攻关小组认为产品产生流量偏小的故障原因是，在进行产品设计时缺乏对产品变工况因素影响的认识，导致产品不能满足使用要求。通过分析产品产生故障的原因，技术攻关小组在不改变协议要求的外形及接口尺寸的前提下，根据模型机的特性曲线对该产品进行变型设计。

2.2.3 变型设计及校核，对于变型设计过程，据上述试验测试情况，各性能点对应流量及压力分别为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），然后绘制出该风机的有因次特性曲线（见图3），风机曲线与管网曲线的交点为M即为实际工况点，其性能坐标为M（9 530，9 500）。根据模型机有因次曲线图及模型机的实际使用功率情况分析，要使风机满足实际使用系统需求，必须使风机在标准进口状态下全压值P≥9 500 Pa，流量Q≥11 000 m/h，而将工况点从M点移到M点，而以原始风机作为模型机进行变型设计，可达到系统需求[5]。

2.2.4 宽度修正。如果变型设计求出的流量和预期流量不一致，则可按式（10）、式（11）和式（12）对以上设计风机的宽度进行修正。

根据设计经验，这种变型设计法既可保证与模型机基本相等的效率，又具有方便、快捷的特点，因此被风机行业设计部门广泛采用。

3 结语

风机的设计计算与试验证明特性曲线法在风机设计中具有突出優点，与全新设计相比具有周期短、效率曲线平坦、性能可靠且设计计算的性能与产品工作时实际性能较为接近的优势。这种方法不仅适用于风机设计，对于涡轮、压缩机等透平式机械设计，只要压比和效率相近，也可参考已有高效产品，利用其特性曲线进行相似或变型设计。

参考文献：

[1]李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1981：35-51.

[2]楚武利，刘前智，胡春波.航空叶片基原理[M].西安：西北工业大学出版社，2009：101-200.

[3]林基.航空发动机设计手册：传动及润滑系统（第12册）[M].北京：航空工业出版社，2002：142-184.

[4]黄钟岳，王晓放.透平式压缩机[M].北京：化学工业出版社，2014：154.

[5]李景银.大型动叶可调轴流通风机性能计算[J].风机技术，2004（2）：16-19.

2088501186362