前彎前掠低噪聲紡織軸流通風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì).docx

前彎前掠低噪聲紡織軸流通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)昌澤舟/東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院摘要：從提高紡織軸流通風(fēng)機(jī)效率、降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的目標(biāo)出發(fā)，采用葉片前彎前掠技術(shù)，在葉輪葉片的重心線上各基元截面采用高效翼型的最優(yōu)化流型成型。應(yīng)用葉片前彎前掠和最優(yōu)流型相結(jié)合的技術(shù)研制開發(fā)了JYFZ新型紡織軸流通風(fēng)機(jī)，并與目前紡織行業(yè)應(yīng)用量較大的FZ40(35)-11/12型紡織軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比性能測(cè)試。結(jié)果表明，JYFZ型紡織軸流風(fēng)機(jī)具有效率高、噪聲低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及工作區(qū)域?qū)拸V等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī)；噪聲；前彎前掠葉片；優(yōu)化 中圖分類號(hào)：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B Optimum Design of a Forward Skewed-Swept Textile Axial-flow Fan with Low-noise Abstract: From the points of improving the efficiency of textile axial-flow fan and reducing fan aerodynamic noise, the forward skewed-swept blade technique has been adopted and the elementary section on the center line of impeller blade has adopted the optimal flow pattern forming with high-efficiency airfoil. The new type JYFZ textile axial-flow fan has been developed applying the combination technique of forward skewed-swept blade and optimal flow pattern and the aerodynamic performance parameters were measured and compared with those of FZ4035-11/12 textile axial-flow fans. As result, JYFZ axial-flow fan has advantages of higher efficiency, lower noise, less mass, simple structure and wider operation range than FZ4035-11/12 type. Key Words: axial-flow fan; noise; forward skewed-swept blade, optimization. 引言 紡織企業(yè)為了使生產(chǎn)車間保持合適的溫度、濕度環(huán)境，必須配備專門的空調(diào)系統(tǒng)。通過噴淋方式，令空氣與水霧直接接觸以進(jìn)行水、氣的熱濕交換，并通過調(diào)整通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量大小，將調(diào)整適當(dāng)?shù)目諝馑腿胲囬g，以保持車間內(nèi)空氣合適的溫、濕度環(huán)境。 紡織空調(diào)系統(tǒng)中配套的風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、耗能高、運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、噪聲大的特點(diǎn)，因而要求紡織空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高、節(jié)電節(jié)能；風(fēng)機(jī)噪聲要低，降低車間環(huán)境污染；此外，要求風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全可靠、維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便。目前國(guó)內(nèi)用于紡織空調(diào)系統(tǒng)中的配套風(fēng)機(jī)主要為江陰精亞集團(tuán)和常熟鼓風(fēng)機(jī)廠等企業(yè)生產(chǎn)的 FZ40(35)-11/12 型、 SFF131-11 型軸流通風(fēng)機(jī)等。 FZ40(35)-11/12 型軸流通風(fēng)機(jī)，由于具有流量大、壓力高、性能曲線平坦、工作范圍寬廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)紡織空調(diào)配套風(fēng)機(jī)中占有非常重要的地位，應(yīng)用非常廣泛。風(fēng)機(jī)葉輪采用了機(jī)翼型葉片，并根據(jù)傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)成型。但由于傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法的局限性，未能從葉片空氣動(dòng)力學(xué)的角度降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲考慮，使得該型風(fēng)機(jī)噪聲較高，不適合當(dāng)前紡織企業(yè)的環(huán)保要求；而從當(dāng)前節(jié)能減排的要求出發(fā)，還有必要進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)效率。另外， FZ40(35)-11/12 型軸流通風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上也有必要進(jìn)一步改進(jìn)，以使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。 以往軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)的基于翼型在孤立或者平面葉柵狀態(tài)下的吹風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法1-2，在設(shè)計(jì)中對(duì)于風(fēng)機(jī)葉輪流型和葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇上往往采用幾種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，其設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，而設(shè)計(jì)效果往往取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。 近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)前彎前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研究，并將其應(yīng)用到低壓軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，有效地降低了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲3-8。本文采用前彎前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，在葉輪葉片的重心線上各基元截面采用高效翼型成型，并采用最優(yōu)化理論和數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用Excel電子表格進(jìn)行新型紡織軸流通風(fēng)機(jī)最優(yōu)流型的設(shè)計(jì)計(jì)算9-10 。即依據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整葉輪的流型及各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，諸如葉輪直徑、輪轂比、葉片數(shù)目等，快速進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的比較，從中選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 文中還介紹了應(yīng)用該方法進(jìn)行 JYFZ-1 16A 紡織軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的優(yōu)化氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并給出了該風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)同類型風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較。 前彎前掠軸流風(fēng)機(jī)葉輪葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 前彎指的是葉片的重心型線(沿徑向的葉型各截面重心的連線)沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲一定角度；而前掠指葉片的中心連線向來流方向傾斜一定的角度。如果葉片前彎的同時(shí)中心連線向來流方向傾斜一定的角度就叫前彎前掠葉片。研究表明：采用前掠前彎的葉片設(shè)計(jì)可以有效地降低軸流通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。 前彎葉片可以抽象成為型線和沿徑向各基元葉型的組合體。在此模型中，僅考慮弦向尺度對(duì)氣流流動(dòng)的影響，忽略弦向尺度在空間位置的差異。為了使討論簡(jiǎn)便，假設(shè)型線處于旋轉(zhuǎn)平面上。 圖前彎葉片的型線 圖前彎葉片的幾何參數(shù)如圖1所示，將型線上的任一點(diǎn)切線與過這一點(diǎn)與輪轂圓心的夾角，稱作為前傾角，用表示。將型線上任一點(diǎn)矢線與葉根處的矢線的夾角稱為前彎角，以表示。其它的相關(guān)計(jì)算幾何參數(shù)見圖2，根據(jù)可供選擇的重心型線的特點(diǎn)，可假設(shè): 最常用的型線為直線型和圓弧型：直線型的特點(diǎn)是前傾角從葉根的最大值沿葉高逐漸減小，前傾角和前彎角隨半徑變化可按照下述方法算得。如圖1所示，可得到 而圓弧型的特點(diǎn)是前傾角v在葉根處為零并沿葉高線性增加，直至葉頂達(dá)到最大值，前傾角和前彎角可按下述方法計(jì)算它隨半徑的變化規(guī)律。 當(dāng)r=rh時(shí)v=0，而且根據(jù)式（3）可以得到a0+r1rh=0。同時(shí)若假設(shè)a2=0則： 過大的前彎角將給動(dòng)葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算以及制造工藝帶來困難，因此，前彎葉輪葉片的推薦角度范圍可為8103 。 彎掠角度應(yīng)該選取小于最佳而又處于變化率最為明顯的區(qū)段。按照這個(gè)原則，具有葉型重心連線為圓弧的前掠葉片的推薦角度范圍為20258 。 筆者采用的前彎前掠葉片對(duì)氣體的加功量不應(yīng)該沿半徑等功分布，應(yīng)該采用變環(huán)量計(jì)算方法，根據(jù)葉片損失和二次流對(duì)葉片的影響，以及對(duì)噪聲的影響，對(duì)變環(huán)量指數(shù)a進(jìn)行設(shè)計(jì)來改變Cu ，設(shè)計(jì)出一個(gè)新的流型?？紤]到對(duì)葉片加工方便的因素，采用直線加上圓弧作為翼型重心連線，假設(shè)直線與圓弧的分界點(diǎn)設(shè)為相對(duì)半徑x處，對(duì)直線和圓弧分別采用不同的變環(huán)量指數(shù)。且x(0.4,0.45) 8 。其中：x決定了式（13）和式（14）這個(gè)函數(shù)的分界點(diǎn)；a決定了葉根到重心連線是直線部分的變環(huán)量系數(shù)。 u中的未知數(shù)可在下列條件下求出：氣流參數(shù)C2a(r)和C2u(r)應(yīng)該滿足連續(xù)方程、理論全壓方程和簡(jiǎn)單徑向方程。從而可以保證通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)條件下所需要的流量及全壓?；?jí)的理論全壓方程： th=prC2u (20) 式中、r、C2u分別為空氣密度、葉輪的回轉(zhuǎn)角速度、基元級(jí)葉片半徑及葉輪出口氣流的旋繞速度。 葉輪出口簡(jiǎn)單徑向平衡方程為2 在C2a滿足下列連續(xù)方程2條件下求解和a、b，為了保證低噪聲，a、b根據(jù)聲學(xué)特性求出。把以上求出的參數(shù)a,b,A,K代入式（18）和（19）中即可以求出C2u 。 上述葉輪流型的求解可采用EXCEL電子表格的方法計(jì)算。即按行進(jìn)行葉輪的氣動(dòng)計(jì)算，計(jì)算步驟按文獻(xiàn)9-10進(jìn)行，并按孤立翼法和葉柵法分別進(jìn)行葉片成型，以便于對(duì)比選擇。氣動(dòng)計(jì)算和葉片成型的各計(jì)算公式中風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉輪流型變環(huán)量指數(shù)等均采用電子表格中相應(yīng)位置處的對(duì)應(yīng)參數(shù)；利用電子表格的功能，當(dāng)在改變風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉輪流型指數(shù)等時(shí)，風(fēng)機(jī)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果即隨之變化，從而快速完成風(fēng)機(jī)氣動(dòng)計(jì)算。相當(dāng)于在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，而且直觀，可以有效地滿足在風(fēng)機(jī)高效率、低噪聲條件下進(jìn)行風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算表格列好后，可在滿足上述風(fēng)機(jī)氣動(dòng)約束條件下，調(diào)整風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉輪流型指數(shù)等，同時(shí)觀察風(fēng)機(jī)效率變化情況以及葉片翼型參數(shù)的合理性，以便能在保證風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)損失最小的情況下確定風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和葉輪流型。為了保證能得到低的噪聲指標(biāo)，可通過改變?nèi)~輪流型指數(shù)，找出最低的噪聲。 JYFZ 型紡織軸流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì) 江陰市宏達(dá)風(fēng)機(jī)有限公司和東北大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)了 JYFZ-1 16A 新型高效低噪紡織軸流通風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)采用了上述前彎前掠軸流通風(fēng)機(jī)葉輪葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 該風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)：風(fēng)量Q=85000m3/h ，全壓p=560Pa , 風(fēng)機(jī)噪聲比A聲級(jí)LSA30dB（A），風(fēng)機(jī)全壓效率75%。 風(fēng)機(jī)為單級(jí)葉輪的級(jí)型式，葉輪直徑為D=1.6m，配用電機(jī)功率P=22kW，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n=1000r/min，考慮到風(fēng)機(jī)葉輪葉柵稠度和動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)均超過1.0，因而葉輪采用機(jī)翼型葉片，并用葉柵法成型。 JYFZ 型紡織軸流通風(fēng)機(jī)的葉輪輪轂與葉片配合面為球形表面，葉片根部也鑄造成球形，這就保證了葉輪輪轂與葉片根部的間隙，而且此間隙不隨葉片安裝角度的旋轉(zhuǎn)變化而改變。葉片的葉柄被固定在輪轂上均勻分布的葉片槽內(nèi)，和下面的葉片固定板一起，被內(nèi)六角螺栓所緊固，從而保證了葉片在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不松動(dòng)。 由于采用了前彎前掠低噪聲葉型和氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)葉片流型，可有效地減少葉片數(shù)量，由原來FZ40（35）-11/12系列紡織軸流通風(fēng)機(jī)的10個(gè)葉片，減少到現(xiàn)在的JYFZ系列新型紡織軸流風(fēng)機(jī)的3個(gè)葉片，而兩種風(fēng)機(jī)單個(gè)葉片質(zhì)量相差無幾，從而大大降低了風(fēng)機(jī)質(zhì)量，有效地降低了生產(chǎn)制造成本，提高了風(fēng)機(jī)的安全可靠性。 試驗(yàn)結(jié)果與分析 江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局風(fēng)機(jī)產(chǎn)品檢測(cè)中心對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能與噪聲檢測(cè)，通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試及噪聲檢測(cè)均是按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。具體結(jié)果見表1。 表1 JYFZ-1 16A 軸流通風(fēng)機(jī)性能實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比 比較參數(shù) 設(shè)計(jì) 實(shí)測(cè) 偏差 流量Q/（m3/h） 85000 85000 全壓p/Pa 560 586 +4.6% 全壓效率/% 75 81.5 +6.5 噪聲比A聲級(jí)LSA/dB（A） 30 24 6 軸功率/kW 22 17.0 足夠功率裕量 由表1數(shù)據(jù)看出，在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)85000m3/h 處，風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)全壓與設(shè)計(jì)全壓相對(duì)偏差為+4.6% ，按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)11，風(fēng)機(jī)全壓性能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)全壓軸效率與設(shè)計(jì)全壓軸效率相差為+6.5%，風(fēng)機(jī)效率指標(biāo)超過設(shè)計(jì)效率指標(biāo)。實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)噪聲比A聲級(jí)LSA 為24dB(A)，低于30dB(A) 的設(shè)計(jì)指標(biāo)，更遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸流通風(fēng)機(jī)35dB(A) 的噪聲比A聲級(jí)規(guī)定12。該風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸功率為17.0kW，對(duì)于選用的22kW電動(dòng)機(jī)，已留有足夠的功率裕量。 筆者還將JYFZ-1 16A 新型紡織軸流風(fēng)機(jī)與FZ-11 16A紡織軸流通風(fēng)機(jī), 在相同葉輪直徑、相同徑向間隙、相同電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率條件下 , 進(jìn)行了氣動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比，其對(duì)比試驗(yàn)是在5個(gè)不同葉片安裝角時(shí)分別進(jìn)行的，限于篇幅，只給出葉片安裝角為11，電機(jī)功率為22kW時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能試驗(yàn)結(jié)果。 （1）風(fēng)機(jī)全壓：當(dāng)FZ-11 16A葉片安裝角為11時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本規(guī)定的流量全壓性能見圖3。圖3中還給出了 FZ-11 16A風(fēng)機(jī)在該角度時(shí)的實(shí)測(cè)流量全壓性能曲線和JYFZ-1 16A風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)流量全壓性能曲線。由圖3看出， JYFZ-1 16A風(fēng)機(jī)在FZ系列風(fēng)機(jī)樣本的3個(gè)相同流量點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)全壓均高于FZ風(fēng)機(jī)樣本的全壓值，也高于FZ-11 16A 風(fēng)機(jī)在各個(gè)流量點(diǎn)處的實(shí)測(cè)全壓值。 （2）工作區(qū)域：由圖3可知，F(xiàn)Z-11 16A風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域?yàn)镼=68000120000m3/h ；而JYFZ-1 16A風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域?yàn)镼=50000125000m3/h ，其工作區(qū)域較FZ-11 16A風(fēng)機(jī)稍微寬廣。 （3）效率：由圖4，F(xiàn)Z-11 16A風(fēng)機(jī)的最高全壓效率為77.6% ，工作區(qū)內(nèi)平均全壓效率為72.2%；JYFZ-1 16A 風(fēng)機(jī)的最高全壓效率為81.5%，與 FZ-11 16A 風(fēng)機(jī)的最高全壓效率相差+3.9%，而其工作區(qū)內(nèi)平均全壓效率為74.8%，兩者相差+2.6%。 （4）噪聲：由圖3，F(xiàn)Z-11 16A風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)處的噪聲比A聲級(jí)為31.3dB（A），工作區(qū)內(nèi)平均比A聲級(jí)為29.6dB（A）； JYFZ-1 16A 風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)處的比A聲級(jí)為24.2dB（A），比FZ-11 16A風(fēng)機(jī)的比A聲級(jí)低7.1dB （A），而其工作區(qū)內(nèi)平均噪聲比A聲級(jí)為25.0dB（A），比FZ-11 16A風(fēng)機(jī)低4.6dB（A）。 （5）功率：由圖4，F(xiàn)Z-11 16A風(fēng)機(jī)的最高軸功率為20.5kW，而JYFZ-1 16A風(fēng)機(jī)的最高軸功率為17kW，這是因?yàn)?JYFZ-1 16A風(fēng)機(jī)的效率較高的緣故。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在其工作區(qū)域內(nèi)都能保證配套電機(jī)不過載。 JYFZ 新型低噪聲紡織軸流風(fēng)機(jī)目前已形成產(chǎn)品系列化，并取得了國(guó)家專利（專利號(hào)為 ZL 200820214514.7）和國(guó)家制冷產(chǎn)品生產(chǎn)許可證，已在國(guó)內(nèi)外紡織行業(yè)形成批量銷售。 圖風(fēng)機(jī)流量全壓、噪聲比聲級(jí)性能對(duì)比圖4 風(fēng)機(jī)流量-全壓效率、軸功率性能對(duì)比 4 結(jié)論 （1）在為紡織企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)配套 的軸流通風(fēng)機(jī)中，首次采用3個(gè)葉片的前彎前掠葉輪葉片優(yōu)化氣動(dòng)設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠。 （2）JYFZ 新型紡織軸流通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂與葉片配合面為球形表面，葉片根部也鑄造成球形，這就保證了葉輪輪轂與葉片根部的徑向間隙不隨葉片安裝角度的變化而改變。 （3）JYFZ 新型紡織軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與目前國(guó)內(nèi)紡織空調(diào)系統(tǒng)中主要配套的FZ40（35）-11/12 型紡織軸流風(fēng)機(jī)相比，其特點(diǎn)是效率高、噪聲低、工作區(qū)域更加寬廣。 參 考 文 獻(xiàn) 1 商景泰，等.通風(fēng)機(jī)手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994. 2 昌澤舟，等.軸流通風(fēng)機(jī)的實(shí)用技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005. 3 Beiler M G ， Carolus T H . Compu