风机常识-横流风机串联吸气特性的试验研究www.xingair.com

风机常识－横流风机串联吸气特性的试验研究

摘要：在横流风机单机吸气性能试验的基础上，进行了横流风机串联吸气性能试验，分析了串联吸气性能与单机吸气性能的特点，以及适于串联的工况条件。
关键词：横流风机串联吸气性能试验
Test Study on the Suction Characteristic of Cross-Flow Fan
Abstract: Based on the test of the single cross-flow fan,the test of suction characteristic of cross-flow fans in series is carried out. The suction characteristics of the cross-flow fan and the work conditions for fans in series are analyzed.
Key words:Cross-flow fanSeriesSuction Performance test

0　引言

　　横流风机的工作原理是吸、排气处于同一纵平面内^[1]，风量大，气流沿风机的宽度方向分布均匀；气流质点两次穿过叶栅，叶片具有杂物自清理功能。近年来，其应用领域不断扩展，有应用其排气性能进行仪器仪表的冷却，也有利用其吸气性能进行物料的清选。当单机不能满足使用要求时，通常将两台风机串联使用。有关横流风机串联工作特性的研究较少，因此在风机串联参数选择上存在很大的盲目性。
　　由于风机内气流的特殊性和复杂性，目前，有关风机性能的研究仍然采用试验的方法。本文在按国家标准设计制造的试验台上，进行了横流风机单机吸气性能试验，然后在此基础上，将两台横流风机分9种不同转速组合进行串联吸气性能试验，绘制了风机性能曲线并进行了分析，论述了横流风机单机和串联吸气性能以及两者的关系，对风机的串联使用具有一定的指导意义。　　

1　试验装置及试验方法

1.1　试验台及测量装置
　　试验台参照GB/T1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》^[2]设计制造（图1），主要由两台横流风机、风管、管道支架、过渡管、稳流栅、节流器以及动力小车等组成。两台横流风机结构尺寸完全一样；风机的转速通过变频器由调速电机控制；通过调整锥形节流器1相对于风管进口端的位置来进行不同阻力的设置，图中箭头表示气流的方向。该试验台具有通用性，如果去掉件号8～10，即为单风机的性能试验台。

　　试验所需动力的传递和测量通过动力小车^[3]完成（图2），动力小车由YTSP90L-4-1.5kW变频调速三相异步电动机、JN338A型智能数字式转矩转速传感器及动力传动系统组成。变频电动机的转速范围为0～2800r/min，通过调节变频器（VARISPEED616G5 1.5kW）的频率改变电机的转速，从而改变风机的转速。同时，通过皮带传动，将动力从电机传到风机的转轴上。传动轴转速及所消耗的轴功率由转速转矩传感器通过转矩转速测量仪输出。动力小车与试验台整体分离，装有3个地轮和3个可调支脚，移动和定位均很方便。试验用NPL型皮托管（NPL型φ8×780mm）和DP-2000型数字微压计测量压力，用DM6234P型电子转速表测量风机转轴的转速。

　　为确保数据在同一条件下的可比性，试验采用同一套测量仪器和设备。各附件的制作和安装都非常准确，以确保风机管道联接部位密封严，不漏气。测量是在工况稳定后读取各项试验数据，且每一工况点的数据都经多次复核，数据复现性良好。

1.2　单机吸气性能试验
　　将两台横流风机分别记作横流风机Ⅰ、横流风机Ⅱ，为使试验具有可比性，每台风机做5种转速的试验，如表1所示。同一转速下，两台风机最大流量接近。

表1　单机试验安排

风机转速n/（r/min）
470

540

620

740

810

风机Ⅰ

1552

1796

2091

2525

2804

风机Ⅱ

1538

1798

2101

2491

2733

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2 串联试验安排

　
一级转速n/（r/min）

540

620

740

二级转速n/

（r/min）

470

√

-

-

540

√

√

-

620

√

√

√

740

-

√

√

810

-

-

√

2　试验结果及分析
　　将试验数据整理后输入计算机，利用Excel和Matlab[4]进行处理和分析，计算平均动压pd、平均静压p、流量Q、功率P及效率η，绘出横流风机单机、串联吸气性能曲线。处理试验数据所用的公式^[5] :

　　式中p_di为风管进口测试截面不同测点的动压,Pa；p_i为风管进口测试截面不同测点的静压,Pa；k为风管测试截面的测点数目，k=9；V为气流速度,m/s；Q为容积流量，m³/h；F为风管截面面积，F=0.09m²；P为风机轴功率，kW；η为效率，％。试验在室内进行，每组试验时间较短，温湿度变化引起的误差较小，可忽略温度、湿度、大气压和风速对试验数据的影响。
2.1　单风机吸气特性
　　横流风机的全压、功率、效率曲线，如图3所示(受篇幅所限仅列横流风机Ⅰ的性能曲线)。横流风机流量－压力性能曲线比较平稳，没有明显的驼峰，压力随风机转速的提高而增大，说明横流风机单机吸气性能稳定；流量－功率曲线随风机转速的提高而逐渐升高，同时效率最大值向大流量方向移动；同一转速下，效率随流量的增加先逐渐升高，后逐渐降低。

2.2　串联吸气特性
　　试验表明：横流风机串联运行后，风机工作出现不稳定。图4为两横流风机9组不同转速搭配的串联性能曲线，与单机性能曲线图3比较，串联吸气性能曲线明显出现异常。图4a中，当管道阻力大时，流量小压力大，压力曲线比较平缓，即串联吸气性能比较稳定；当管道阻力逐渐减少时，流量变大，压力出现较大波动，吸气性能开始不稳定；当阻力继续减少，风机进口节流器接近全开时，不稳定的状况加剧，甚至出现当阻力减小时，流量也变小的现象，同时压力和效率（图4b）急剧降低。这与横流风机特殊的工作原理以及横流风机串联后一级风机的出口处、二级风机的进口处气体流动状态发生变化有关。

　　风机串联理论认为^[6] ：两台风机串联运行时，联合性能曲线是在同一容积流量下，将各单机的全压叠加而成的。然而，两台横流风机串联后并非如此，有较大的差异。如图5a所示，虚线为按串联叠加原理计算得出的理论全压曲线，串联运行的实际数据点用星形标记点表示。当管道阻力大时，串联运行实际点和理论叠加曲线比较接近；当管道阻力逐渐变小时，串联出现不稳定现象，串联的实际压力突然降低，低于风机单机工作时同流量的压力，串联的实际全压曲线与理论叠加全压曲线有较大差异。
　　在阻力大的工况下，串联的效率曲线和单机效率曲线一致（图5），趋势也相同，但当阻力变小时，风机串联效率明显下降，小于任一单机的效率，这说明风机在低阻下串联不经济。
　　横流风机串联运行的效果与管道阻力的大小有关。当管道阻力大时，风机串联运行平稳，串联后的压力增大较明显，同时效率较单机也有明显提高，串联吸气能力提高较明显。当管道阻力变小时，风机串联运行不平稳，串联后的压力增加也不明显，甚至小于风机单独运行时的压力，效率明显偏低，小于任一单机的效率（图5b）。因此，横流风机串联适合在管道阻力大的工况下工作。

3　结论

　　(1)横流风机单机吸气性能稳定，随转速的提高，压力、功率曲线逐渐升高，效率最大值向大流量方向移动；同一转速下，效率随流量的增加先逐渐升高，后逐渐降低。
　　(2)横流风机串联运行与普通通风机串联叠加理论不相符。
　　(3)横流风机串联吸气性能与风机单独运行相比不稳定。在低阻区，甚至出现当阻力减少时，流量变小，压力、效率骤降，小于任一单机。
　　(4)横流风机串联适合在管道阻力大的工况下运行。在管道阻力变小时，风机串联运行不稳定，串联运行的压力、效率急剧下降，串联失去意义。

参考文献

[1] Andrea Toffolo, Andrea Lazzaretto, Antonio Dario Martegani.An experimental investigation of the flow field pattern within the impeller of a cross-flow fan[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2004,29(2):53-64.
[2] GB/T1236-2000.工业通风机用标准化风道进行性能试验[S].北京：中国标准出版社，2000.
[3] 庞靖.轴流风机与横流风机串联排气特性研究[D].洛阳: 河南科技大学车辆与动力工程学院,2005.
[4] 黄清，陈焕新.用MATLAB处理风机性能试验[J].风机技术，2005（2）：30-32.
[5] 续魁昌.风机手册[M].北京：机械工业出版社，2003.
[6] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2003.1：286-327.