導(dǎo)流罩軸向位置對軸流風(fēng)扇性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

1、導(dǎo)流罩安裝位置對軸流冷卻風(fēng)扇性能的影響王巍雄 莫順華 陳馨 李嵩 / 清華大學(xué)航天航空學(xué)院摘要：通過試驗(yàn)研究，對比了導(dǎo)流罩在3種不同相對軸向位置下的風(fēng)扇性能。結(jié)果表明：當(dāng)葉片后緣位于導(dǎo)流罩出口平面內(nèi)時，風(fēng)扇的氣動性能和噪聲指標(biāo)均達(dá)到最佳。關(guān)鍵詞：導(dǎo)流罩 軸流風(fēng)扇 試驗(yàn)中圖分類號:TH42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號：1006-8155（2007）01-0001-03The Effect of Diversion Cover Position to The Performance of Axial Flow Cooling Fan Abstract: Through test research, t

2、he performance of fan with three different relative axial positions is contrasted. The result shows that both aerodynamic and aero acoustic performance of fan is best when the trailing edge of the blade keeps within the outlet plane of Diversion Cover.Key words: Diversion Cover Axial flow fan Test0

3、引言低壓軸流冷卻風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于空調(diào)換熱、對流通風(fēng)等場合。由于此類風(fēng)扇功耗較小，長期以來并沒有成為風(fēng)機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。近年來，隨著空調(diào)器的大量使用和人們環(huán)保意識的普遍提高，此類風(fēng)扇的性能，尤其是氣動噪聲指標(biāo)越來越受到人們的重視。大量試驗(yàn)和計(jì)算工作都是對這類風(fēng)扇的流場和噪聲特性進(jìn)行仔細(xì)研究1-3。此類風(fēng)扇的顯著特點(diǎn)：輪轂比小，葉片少而寬大，葉輪外沒有圓筒狀機(jī)殼，而只有一個軸向長度很短的導(dǎo)流罩。Eck4很早就已經(jīng)指出，導(dǎo)流罩的安裝對換氣扇是必需的，因?yàn)樗梢悦黠@改善風(fēng)扇進(jìn)口的氣流分離，同時降低入流的湍流度。A. Maaloum5等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加進(jìn)口導(dǎo)流罩后，風(fēng)扇的氣動噪聲顯著降低。最近，丁國

4、良6等又通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)手段，仔細(xì)考察了導(dǎo)流罩的形狀、軸向長度對風(fēng)扇性能的影響。丁國良等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩形狀的改變對氣動性能影響不大，但 對噪聲影響明顯，導(dǎo)流罩的軸向長度存在最佳值，而形狀則以雙圓弧為佳。本文通過試驗(yàn)，考察了導(dǎo)流罩和葉片相對軸向位置對風(fēng)扇氣動性能和噪聲指標(biāo)的影響，以給出此類風(fēng)扇的合理安裝方案。1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)采用的樣機(jī)為一種美國家用空調(diào)散熱風(fēng)扇，該風(fēng)扇采用4枚彎板直葉片和圓弧型導(dǎo)流罩，圖1給出了風(fēng)扇的三維造型，其基本運(yùn)行參數(shù)如表1所示。圖1 風(fēng)扇的三維造型 表1 風(fēng)扇基本設(shè)計(jì)參數(shù)葉輪直徑 / mm304.8導(dǎo)流罩喉部直徑 / mm315.0導(dǎo)流罩軸向長度 / mm15.0葉片弦長

5、/ mm148.0葉片高 / mm111.4葉片安裝角 / （°）25.6葉輪轉(zhuǎn)速 /（r/min）1600風(fēng)扇氣動性能試驗(yàn)和噪聲測試試驗(yàn)均在清華大學(xué)流體聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室半消聲室內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)ANSI/AMCA 210-99標(biāo)準(zhǔn)，建立出氣風(fēng)室多噴嘴（Outlet Chamber Setup - Multiple Nozzles In Chamber）試驗(yàn)裝置來測量風(fēng)機(jī)的氣動性能和噪聲，圖2給出了該試驗(yàn)臺的示意圖。1. 調(diào)速電機(jī) 2. 扭矩儀 3. 測試風(fēng)扇 4. 整流網(wǎng) 5.噴嘴陣列 6. 風(fēng)室 7. 流量調(diào)節(jié)閥 8. 輔助風(fēng)機(jī) 9. 聲級計(jì) 10.連接軸盤 圖2 風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲測試試驗(yàn)

6、裝置實(shí)測中需要測量葉輪流量、靜壓、全壓、扭矩和噪聲。風(fēng)機(jī)流量通過測量噴嘴陣列前后的壓差p，再經(jīng)計(jì)算得到；風(fēng)機(jī)壓力通過測量風(fēng)室靜壓ps7得到；通過傳感器測得扭矩、轉(zhuǎn)速和功率，由此計(jì)算出葉輪效率。測試所用的主要儀器及技術(shù)指標(biāo)：噴嘴差壓及風(fēng)室靜壓用兩臺WY250型250mm補(bǔ)償式微壓計(jì)測量，其最小刻度為0.01mmH2O；葉輪扭矩、轉(zhuǎn)速和功率用JCZ0智能型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量，其精度級為0.1級，扭矩量程為2N·m，轉(zhuǎn)速范圍04000r/min；在距離葉輪軸心1m且與軸線呈45°夾角方向處用B&K 2230精密積分聲級計(jì)測量噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級，測量前用B&K 42

7、20活塞發(fā)聲器校準(zhǔn)。為了考察導(dǎo)流罩的軸向位置對風(fēng)扇性能的影響，試驗(yàn)采用了3種不同的軸向相對位置。圖3給出了這3種位置的示意圖。圖3 導(dǎo)流罩3種不同的軸向安裝位置上述3種軸向位置分別對應(yīng)： 位置1，葉片前緣位于導(dǎo)流罩進(jìn)口平面內(nèi)；位置2，葉片中線位于導(dǎo)流罩進(jìn)口平面內(nèi)；位置3，葉片后緣位于導(dǎo)流罩出口平面內(nèi)。2 試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)測量了當(dāng)導(dǎo)流罩分別位于3種不同軸向位置時的風(fēng)扇氣動和噪聲性能。圖4給出了對比結(jié)果。圖中各物理量均已通過公式無量綱化：流量系數(shù) (1)壓力系數(shù) (2)功率系數(shù) (3)風(fēng)扇效率 (4)比A聲級噪聲 (5)式中Dt為葉輪直徑；Ut為葉尖圓周速度；pt為風(fēng)扇總壓；LA為風(fēng)扇進(jìn)口（或出

8、口）的A聲級，dB(A)。圖4 導(dǎo)流罩位于不同軸向位置時風(fēng)扇性能曲線的對比從實(shí)驗(yàn)曲線的對比可見，導(dǎo)流罩位置的改變，無論是對風(fēng)扇的氣動性能，還是對風(fēng)扇的氣動噪聲，都有很大的影響。當(dāng)導(dǎo)流罩從位于靠近葉片前緣位置（即位置1）向靠近葉片尾緣位置（即位置3）改變時，風(fēng)扇的總壓曲線逐步變平緩，風(fēng)扇的最大風(fēng)量增加，大流量區(qū)域總壓升高。軸功率曲線同樣變平緩。風(fēng)扇的總壓效率升高，位置3的最高總壓效率比位置1提升了近20，位置3總壓效率最高點(diǎn)對應(yīng)的流量達(dá)到了位置1的1.8倍。位置3的比噪聲大大下降。另一方面，位置2與位置3相比，氣動性能雖然有所不及，但相差并不明顯。然而這兩個位置對于噪聲的影響則十分顯著：位置3的

9、比噪聲與位置2相比，下降了23dB。風(fēng)扇性能之所以對導(dǎo)流罩的位置如此敏感，主要是因?yàn)榇祟愶L(fēng)扇的流場結(jié)構(gòu)與普通工業(yè)軸流風(fēng)扇有很大不同，由于導(dǎo)流罩軸向長度很短，在風(fēng)扇的進(jìn)出口處，除了軸向流動外，一般都存在較大的徑向流動分量?？烧J(rèn)為導(dǎo)流罩的后置（如位置3），一方面使風(fēng)扇進(jìn)口處徑向入流增加，從而增大了風(fēng)扇的有效入流面積，有利于提升流量；另一方面使得風(fēng)扇出口氣流的徑向分量受到有效抑制，從而有利于減少動壓損失，提升風(fēng)扇的總壓及效率。而更進(jìn)一步的物理解釋，則需要通過流場結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)測量或者通過計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)的方法來進(jìn)行研究。3 結(jié)論通過該試驗(yàn)方法，考察了導(dǎo)流罩的軸向安裝位置，對軸流冷卻風(fēng)扇性能的影響

10、。（1）導(dǎo)流罩軸向位置對風(fēng)扇氣動性能和噪聲影響十分顯著，故在安裝此類風(fēng)扇葉輪時，需要重視軸向位置的調(diào)整。（2）將葉片后緣布置在導(dǎo)流罩出口平面內(nèi)。一方面使得入流增大；另一方面改善了出口氣流分布，從而使得風(fēng)扇的性能更優(yōu)。參 考 文 獻(xiàn)1王軍，金培耕，伍光輝，等. 空調(diào)用軸流風(fēng)扇系統(tǒng)內(nèi)流場特性分析與應(yīng)用J. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23(3): 305-308.2 姜彩玲，田杰，陳江平，等. 空調(diào)器室外機(jī)流場和噪聲特性J. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(9): 232-238.3 李曉鵬，李劍波，吳克啟. 空調(diào)用軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)流場分析及性能優(yōu)化J. 流體機(jī)械，2006，34(3): 11-14.4 B. Eck. Fans. Pergamon Press, 1973: 300-301.5 A. Maaloum, S. Kouidri, F. Bakir, R. Rey. Effect of inlet duct c