07-07134昌泽舟

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1、大风量高效低噪喷雾轴流通风机的优化设计 昌泽舟/东北大学 张余洁 李智勇/江阴市宏达风机有限公司摘要：将最优化方法应用于喷雾轴流通风机的气动设计及其结构参数的选择计算，应用电子表格进行风机叶轮流型的优化设计和最佳结构参数的确定。按最优化方法设计了JYPW-1型大风量喷雾轴流通风机，并给出了该风机的流量、全压、效率、噪声等气动性能实测数据与国内同类型风机的性能对比。关键词：轴流式通风机；喷雾；优化设计；电子表格中图分类号：TD441+.2； 文献标识吗：B文章编号：1006-8155（2008）04-0027-04Optimum Design of Spraying Type Axial-flo

2、w Fan with Large flow, High Efficiency and Low Noise Abstract: An optimization technique is applied to the aerodynamic design and the computation of the geometric parameters of the spraying type axial-flow fan. The EXCEL in windows is applied to determine the optimum design and the best geometric pa

3、rameters of impeller flow type. The JYPW-1spraying type axial-flow fan with large flow is designed based on optimization technique. The real test data of flowrate, total pressure, efficiency and noise are given and the comparison with those domestic ones is also concluded in this paper Key words: ax

4、ial-flow fan; spraying; optimum design; EXCEL0 引言喷雾轴流通风机是纺织厂节能空调室的主要设备，该风机由于在普通轴流通风机的轮毂内设计安装了机械雾化装置，使通风机具有送风和加湿的双重作用。对该类风机设计的主要要求是效率高、噪声低、性能参数覆盖区域宽广以及细化雾滴以提高空调系统的热湿交换效率。近年来，随着纺织空调系统的发展，纺织行业用户呈现出对大风量喷雾轴流通风机的需求，以满足大风量纺织空调系统的要求。以往，轴流通风机叶轮的气动设计是采用传统的基于翼型在孤立或者平面叶栅状态下的吹风试验数据的设计方法1-2，在设计中对于风机叶轮流型和叶轮结构参数的选择

5、上往往采用几种设计方案的对比，其设计时间长，而设计效果往往取决于设计者的经验；应用准三元流动理论和CFD技术对轴流通风机内部流场的全三元分析及风机三元流动设计，对于要求气动性能分布区域宽广的喷雾轴流通风机而言，这些设计方法显得过于复杂，很难为风机设计人员掌握和应用。笔者应用计算机中的电子表格进行轴流通风机优化设计的简易方法，设计了大风量喷雾轴流通风机。依据风机设计参数，调整叶轮的流型及各种结构参数，诸如叶轮直径、轮毂比、叶片数目等，快速进行多种设计方案的比较，从中选取最优的设计方案。文中还介绍了应用该方法进行JYPW-120A喷雾轴流通风机叶轮的优化气动设计，并给出了该风机气动性能试验实测数据

6、与国内同类型风机的实测数据比较。1 应用电子表格进行风机的优化气动设计喷雾轴流通风机主要用于纺织空调系统送风和加湿，常采用单级型式。在正常的工作情况下，其流动损失取决于叶轮内的流动状况及风机出口旋绕动能的大小。对于单级轴流通风机，其级效率3为收稿日期：2007-11-02 沈阳市 110004 （1）式中 p、Q分别为轴流通风机的设计全压和流量；、分别为叶轮出口气流绝对速度的周向及轴向分量； 、D、分别为叶轮叶栅稠度、叶轮直径及叶轮毂比，其中，d为叶轮轮毂直径。由式（1）看出，是一个多变量目标函数。当通风机设计参数确定后，的大小主要取决于：（1） 通风机叶轮叶片所采用的流型，即与沿叶片径向的分

7、布规律或扭曲规律；（2） 叶轮的主要结构参数、D、。式（1）即为求解单级轴流通风机最优流型和最佳结构参数的目标函数。对式（1）进行最优化求解时，还应满足以下单级轴流通风机的气动约束条件。（1）通风机全压约束条件： （2）（2）通风机流量约束条件： （3）（3）扩压因子约束条件：在进行轴流通风机的气动设计时，要对叶栅流道的扩压程度作出一定限制。目前广泛采用所谓的扩压因子来评定叶栅流道的扩张程度及叶片负荷的度量，并把翼型上开始发生严重气流分离的情况作为叶片负荷极限。扩压因子可用下式计算2： （4）对于叶轮叶栅，叶顶处 0.4，而叶根处 0.6。（4）叶轮叶根空气动力负荷系数3： 2.1 （5）（5

8、）叶轮叶尖圆周速度： 75 m/s （6）应用电子表格进行大风量喷雾轴流通风机优化气动设计的步骤：（1）在电子表格中，按列选取沿叶高的计算截面，其中一定要包括平均计算截面；（2）按行进行叶轮的气动计算，计算步骤按文献3进行，其中计算叶轮的流型按文献3-4所述方法，并可分别按孤立翼法和叶栅法分别进行叶片成型，以便于对比选择。气动计算和叶片成型的各计算公式中风机结构参数、转速、叶轮流型指数等均采用电子表格中相应位置处的对应参数；（3）在设计计算表格列好后，可在满足上述风机气动约束条件下，调整风机结构参数、叶轮流型指数等，同时观察风机效率变化情况以及叶片翼型参数的合理性，以便能在保证风机内流动损失最

9、小的情况下确定风机结构参数和叶轮流型。为了保证能得到低的噪声指标，可通过改变风机转速来进行设计方案的对比，并尽可能采用较低的转速。利用电子表格的功能，当在改变风机结构参数、转速、叶轮流型指数等时，风机气动计算结果即随之变化，从而快速完成风机气动计算，相当于在短时间内进行多种设计方案的对比，而且直观，可以有效地满足在风机高效率、低噪声条件下进行风机优化设计计算。2 大风量喷雾轴流通风机的主要技术指标所设计开发的大风量喷雾轴流通风机的主要技术指标：流量Q=(1.02.4)105 m3/h，全压p=(300750) Pa，电动机功率P=(3745) kW，通风机全压效率75 %，通风机噪声（比A声级

10、）35dB（A）。需要说明的是，通风机全压效率指标是按照GB/T 32355 中的相关规定，对轴流通风机系列其每个规格风机的最高全压效率应70%；通风机比A声级指标则是根据JB/T 86906中的有关轴流通风机噪声限值的规定提出的。采用上述的应用电子表格进行轴流通风机优化气动设计方法选择风机最佳气动和结构参数，并充分地考虑到风机结构的工艺性、标准化与系列化问题，设计制造了JYPW-120A喷雾轴流通风机，该风机的设计参数：设计工况点的风量Q=1.926105 m3/h，全压p=620 Pa,风机比A声级噪声35dB（A），风机全压效率75%。风机为单级型式，叶轮直径D=2 m，叶轮转速n=75

11、0 r/min，配用电机功率P=55 kW，考虑到风机叶轮叶栅稠度和动力负荷系数均超过1.0，因而叶轮采用机翼型叶片，并用叶栅法成型。3 与实测结果的比较按上述优化设计方法设计的JYPW-120A喷雾轴流通风机，由风机产品质量检验机构对该风机进行了性能与噪声检测，通风机性能测试及噪声检测均是按照国家有关技术标准进行的。JYPW-120A喷雾轴流通风机性能测试与设计指标的对比列于表1。表1 JYPW-120A喷雾轴流通风机性能测试与设计指标的比较比较参数设计值实测值相对误差流量Q/（m3/h）1.9261051.926105全压p/Pa620629+1.5%全压效率/%7582+7%比A声级噪声

12、/dB35287轴功率P/kW5543.7留有足够裕量应说明的是，所有实测数据均是在加湿工况下取得的，而在喷雾加湿工况下，风机的全压及效率有所降低，轴功率有所增加，而噪声基本不变7。由表1看到，实测得到JYPW-120A喷雾轴流通风机的流量全压性能在设计工况点偏高约1.5%，按照轴流通风机技术条件的相关国家标准，通风机的实测全压在规定流量点的偏差应在5%以内，所以该风机的流量全压性能达到设计要求；该风机在设计工况点的全压效率=82%，也优于设计指标；该风机在设计工况点的比A声级噪声=28dB（A），则大大低于设计指标。此外，该风机在设计工况点的电动机轴功率仅为43.7 kW，完全可以保证风机在

13、喷雾加湿工况下留有足够的裕量。将按最优化设计方法设计的JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型喷雾轴流通风机进行了实际风机性能测试比较。为了便于比较，两台风机的技术条件是相同的，即：风机均为单级型式，叶轮直径D=2 m，配用电机功率P=55 kW，叶轮转速n=750 r/min，通风机均为标准进气状态。两台通风机的测试方法均是按照国家有关技术标准进行的。图1 JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型风机流量全压性能的比较图2 JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型风机流量全压效率、轴功率的比较图3 JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型风机流量比A声级噪声的比较图1图3分别

14、为JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型喷雾轴流通风机实测流量全压性能曲线、流量全压效率性能曲线、流量轴功率性能曲线以及流量比A声级噪声曲线的比较。由图1流量全压性能曲线的对比可看到，在风机运行全区域内各流量点处，JYPW-120A喷雾风机全压性能均高于国内同类型风机，其中在Q=1.926105 m3/h的设计流量处，JYPW-120A喷雾风机全压高于国内同类型风机约100 Pa，而且工作区域更加宽广。图2为两台风机的流量全压效率性能曲线及流量轴功率性能曲线的比较，注意到在风机运行全区域内各流量点处，JYPW-120A喷雾风机全压效率均高于国内同类型风机，这就使得尽管JYPW-120A喷

15、雾轴流通风机全压在全区域内各流量点均高于国内同类型风机，但风机的使用轴功率仍然稍小于国内同类型风机。其中在Q=1.926105 m3/h的设计流量处，JYPW-120A喷雾风机全压效率高于国内同类型风机约20%。由两台风机的流量全压效率性能曲线及流量轴功率性能曲线的比较可以看出，JYPW-120A喷雾轴流通风机要比国内同类型风机具有明显的节能节电效果和良好的风机运行经济效益。由图3的流量比A声级噪声曲线的比较可以看到，在风机运行全区域内各流量点处，JYPW-120A喷雾风机比A声级噪声均低于国内同类型风机，在Q=1.926105 m3/h的设计流量处，JYPW-120A喷雾风机的比A声级噪声低

16、于国内同类型风机约5dB；JYPW-120A喷雾风机最低比A声级噪声=28dB，也要远低于国内同类型风机的最低比A声级噪声=33dB。由两台风机的流量噪声曲线的比较可以看到，JYPW-120A喷雾轴流通风机与国内同类型风机相比较噪声显著降低，这有利于环保，具有明显的社会效益。综上所述，JYPW-1型大风量喷雾轴流通风机与国内同类型喷雾风机相比较，具有性能好、效率高、噪声低的特点。4 经济效益与社会效益分析由以上按优化方法设计的大风量喷雾轴流通风机与国内同类型喷雾风机的比较可以看到，由于JYPW-1型喷雾轴流通风机性能好、效率高，因此风机运行时的节能节电效果明显。以JYPW-120A喷雾轴流通风

17、机与国内同类型风机为例，其配用电动机均为55 kW， 例如，一台55kW的JYPW-120A喷雾轴流通风机可年节电约5万kWh，两年左右可收回设备投资； JYPW-1型喷雾轴流通风机与国内同类型风机相比较噪声显著降低，有利于环保，具有明显的社会效益。例如，一台55kW的JYPW-120A喷雾轴流通风机在相同工况下运行时比国内同类型风机比A声级低5dB，相当于风机进口消声的效果。该风机已于2006年通过了江苏省科技厅组织的新产品鉴定，并取得了国家实用新型专利。鉴定委员会专家一致认为，该产品拓展了同类产品的使用范围，主要技术性能指标达到国内领先水平，适合纺织行业等空调系统的需求。5 结论（1）介绍

18、了应用电子表格进行大风量喷雾轴流通风机优化气动设计的简易方法。设计者可以依据风机设计参数，调整叶轮的流型及各种结构参数，诸如叶轮直径、轮毂比、叶片数目等，快速进行多种设计方案的比较，从中选取最优的设计方案。（2）按照最优化方法设计的大风量喷雾轴流通风机，全压性能符合设计要求，效率高，电动机功率留有足够裕量，噪声符合国家标准规定的轴流通风机噪声限值。（3）与国内同类型喷雾风机相比较，所设计的大风量喷雾轴流通风机全压性能好、效率高、电动机耗功及噪声低。参 考 文 献1 商景泰，等. 通风机手册M. 北京：机械工业出版社，1994.2 昌泽舟，等. 轴流通风机的实用技术M. 北京：机械工业出版社，2005.3 昌泽舟，等. 应用电子表格进行轴流风机优化气动设计J. 风机技术，2003(6): 15-18.4 昌泽舟，等. DT-1耐高温地铁轴流风机的优化设计J，流体机械，2003，31(12): 23-26.5 GB/T 3235-1999 通风机基本型式、尺寸参数及性能曲线S.6 JB/T 8690-1998 工业通风机 噪声限值S.7 昌泽舟，等. 加湿工况下喷雾风机性能参数的变化J. 风机技术，2005(5): 17-19. 6