内风筒导叶结构对轴流式通风机气动性能影响的探究

陈俊池， 徐洪海， 裘科名， 张 璟， 周卓异

（绍兴市上虞区质检计量测试所， 浙江 绍兴 312300）

引言

轴流式通风机作为采用叶轮机械输送气体的装置，在建筑通风、矿物冶炼、化工生产等方面得到了广泛的使用。本地拥有风机企业200 多家，多为生产民用建筑通风机的中小型企业。产业集群化的发展模式降低了生产成本，形成了品牌效应，但同时加剧了风机产品的同质化竞争。在某一批的风机检测中，发现有部分企业生产的轴流式通风机采用没有内风筒和导叶结构的简化形式。很多企业仅仅从降低生产成本的角度设计风机，对结构的改变所造成的性能影响没有明确的认识，这种结构的简化对通风机气动性能产生的影响，是本文所要讨论的重点方向。

1 内风筒与导叶结构简析

轴流式通风机的内风筒为安装在风机外风筒中央，包裹电动机部分的结构。其中一方面内风筒能在火灾等高温环境中保障电动机的稳定运行，另一方面可以提供安装导叶的依托结构。因此一般情况下内风筒和导叶结构一起出现，并对通风机的气动性能产生一定影响。内风筒表面光滑平整，相较电动机壳体部分的凹凸不平拥有更小的风阻，利于气流高速通过表面。导叶结构可以调节通风机的气流方向和角度，提高叶轮动能转化效率[1]。

2 试验方案确定

2.1 通风机试验方法

想要得到通风机的气动数据性能，在试验方法的选择上，一般采用数值模拟或实物试验[2]。数值模拟可以更加直观地得到通风机内部流场的运动状态，但其计算结果是根据数学模型和各种经验方程通过计算得出，不能保证模拟值与真实值的相似度。采用实物试验，则可确保试验结果的可靠性，其偏差一般来源于测量仪器。本实验室的仪器不确定度在2%以内，可有效保证测试结果的可靠性。试验采用工业通风机用标准化风道性能试验（GB/T 1236—2017），使用C 型测试装置[3]：标准化风道进口、自由出口、风机试验装置，如图1 所示。

图1 通风机标准化风道试验装置

试验过程中，采用逐步封闭试验风管进气端的方式使管道加压，模拟通风机在各种不同压力工况条件下的运行状态，最终得到风机性能数据。

2.2 受试轴流式通风机的选择

选定本文的研究对象为10 号轴流式通风机，并将通风机分为A、B 两结构。其中A 结构的风机其电动机安装在内风筒中，内风筒则通过导叶结构与外风筒相连接；B 结构的通风机没有内风筒导叶结构，其电动机部分仅通过支架直接连接外风筒（以下简称A、B 风机）。采用控制变量法保证其他无关参数不影响试验结果，即两台受试风机除结构不同外，其余参数如外风筒型号大小、叶轮叶型及安装角、电机型号、功率和转速等均相同，两台风机试验现场安装如下页图2 所示。

图2 A、B 风机试验现场图

3 试验结果分析

3.1 内风筒导叶结构对通风机最大风量的影响

通风机的风量为单位时间内流过通风机的空气总量。在通风机直接启动，不添加额外负载情况下测得的试验结果为通风机的最大风量。试验结果为A风机最大风量为52 724 m3/h，B 风机测得最大风量为52 001 m3/h，即风量减少了1.4%，表明两风机最大风量差别不大。

分析其原因如下：电机参数相同情况下，电动机输出功率相同，所以最大风量相近。但由于A、B 通风机气动性能的差别，导致电机负载不同，因此A风机的电机负载更小，输出稍大的风量。

3.2 内风筒导叶结构对通风机全压与静压的影响

通风机的全压为出口截面的滞止压力值与进口截面的滞止压力值之差，在数值上等于静压与动压之和，静压通过装在测试管道内的压力表直接测量得到。在通风机运行过程中，管道压力越大，通风机风量就越小，通过闭合测试管道的加压方式可以得到通风机压力与风量的性能曲线图，如图3 所示。

图3 通风机全压与静压下压力与风量关系图

由图3 可得，当通风机电机以额定功率运行时，在A、B 风机输出风量相同的情况下，A 风机的全压与静压均优于B 风机。取A、B 通风机全压效率处于最大值时的风量为风机的额定风量。当A 通风机在44 500 m3/h 的额定风量下，风机全压为605.3 Pa，静压为462.7 Pa；B 通风机在额定风量下的风机全压为562.6 Pa，静压为419.9 Pa。减少内风筒导叶结构后通风机全压下降了7.1%、静压下降了9.3%，说明内风筒导叶结构对风机的全压和静压存在较大影响。

3.3 内风筒导叶结构对通风机风机效率的影响

通风机的风机效率为通风机空气功率与叶轮输入功率的比值，代表了通风机叶轮将电动机输入的机械能转化为风能的能力大小[4]。其值越大，说明该通风机能量转化率越高，越节约能源，设计也就越合理。通过标准化风道性能试验得到A、B 两风机效率与风量的关系曲线，如图4 所示。

图4 通风机全压效率与风量的关系曲线

由图4 可以得到，A、B 风机均在44 500 m3/h 左右的风量下取得风机效率的最大值。A 风机的效率最大值为60.3%，B 风机的效率最大值为55.0%。由此可知，缺少的内风筒导叶结构使风机效率降低了5.3%，降幅为8.8%。

4 结论

基于标准化风道性能试验，针对内风筒及导叶结构对轴流式通风机的气动性能影响作了试验分析与探究，得出结论：通风机最大风量受内风筒导叶结构的影响不大，减少该结构后使风机静压下降最多达9.3%，全压下降约7.1%，通风机效率也受其影响下降约5.3%。本研究可为风机制造企业对风机结构进行一定程度的简化，达到性能与成本的平衡提供理论参考与依据。