曹文斌 楊立軍 陳永寧 葉信學(xué)/浙江億利達(dá)風(fēng)機(jī)股份有限公司

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的特性研究及應(yīng)用

曹文斌 楊立軍 陳永寧 葉信學(xué)/浙江億利達(dá)風(fēng)機(jī)股份有限公司

0 引言

近年來(lái)，無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)憑借體積小、出口方向任意、靜壓效率高、風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍大、傳動(dòng)效率高等優(yōu)勢(shì)，在HVAC中開(kāi)始逐漸應(yīng)用。隨著大量知識(shí)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如微電子、生物制藥、航天、精密機(jī)械加工和新型材料等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給商用空調(diào)、精密空調(diào)、凈化空調(diào)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)潔凈技術(shù)和恒溫恒濕場(chǎng)地的特殊要求使得無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。

為方便無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的選型，本文介紹了該型風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，特征與應(yīng)用。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了有、無(wú)蝸殼時(shí)風(fēng)機(jī)特性的差異，給出了無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱體和出口位置變化對(duì)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的測(cè)試方法與應(yīng)用特點(diǎn)展開(kāi)分析。為該型風(fēng)機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)及使用提供一些依據(jù)。

1 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)是一種只有風(fēng)葉沒(méi)有蝸殼的風(fēng)機(jī)。由圖1可以看出，在有蝸殼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)蝸殼通常被設(shè)計(jì)成螺旋線(xiàn)的形狀，從風(fēng)機(jī)蝸殼的蝸舌到風(fēng)機(jī)出口，蝸殼的截面積是逐漸增大的,其作用是將從離心葉輪中流出的高速氣流的動(dòng)壓轉(zhuǎn)換成可以克服系統(tǒng)阻力的靜壓[1]。

圖1 無(wú)蝸殼和有蝸殼離心風(fēng)機(jī)

而經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)，其葉輪往往與箱體形成一個(gè)組合，具體見(jiàn)圖2。從葉輪流出的氣體可以與設(shè)備箱體直接形成一個(gè)靜壓箱，減少了氣體流動(dòng)過(guò)程中的流動(dòng)損失。但風(fēng)機(jī)動(dòng)壓完全損失掉了。所以在無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)樣本中給出的壓力常常是靜壓[2]。

圖2 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的葉輪形式

葉輪是離心通風(fēng)機(jī)的主要部件，而葉片數(shù)與葉片的進(jìn)出口角對(duì)性能的影響很大。有蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪和無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)對(duì)比圖見(jiàn)圖3。

兩者在葉片出口角與葉片數(shù)上通常不同，有蝸殼風(fēng)機(jī)的最高全壓效率可以達(dá)到80％以上。高效無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)葉輪的葉片數(shù)量少，葉片流道長(zhǎng)。與有蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪相比，無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口角通常小于有蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口角，葉輪出口絕對(duì)速度小于有蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪。

圖3 葉輪對(duì)比圖

圖4 無(wú)葉擴(kuò)壓器

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)時(shí)通常采用無(wú)葉擴(kuò)壓器，見(jiàn)圖4。早在1977年，在9-19高效前向高壓離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)被采用[3]。由于后向離心葉輪葉片兩側(cè)存在壓差，即葉片有壓力面和吸力面，在葉輪出口處吸力面氣流存在分離，尾緣后形成尾渦，氣流出口后存在嚴(yán)重渦流。無(wú)葉擴(kuò)壓器能減少葉輪出口渦流強(qiáng)度，改善葉輪出口氣體的流動(dòng)。無(wú)葉擴(kuò)壓器應(yīng)用在無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)中效果尤為明顯，可以適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)葉輪效率和降低噪聲。

3 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)與有蝸殼風(fēng)機(jī)的性能比較

將兩種葉輪直徑相同（不同葉輪）、轉(zhuǎn)速相同的有蝸殼風(fēng)機(jī)和無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 同葉輪直徑（φ560）的風(fēng)機(jī)，在同一轉(zhuǎn)速下有無(wú)蝸殼性能表

根據(jù)表1繪制的高效有無(wú)蝸殼性能曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5），由表1中的參數(shù)可以看出，在最高靜壓效率運(yùn)行點(diǎn),有蝸殼風(fēng)機(jī)靜壓1 059Pa，而無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)靜壓是644Pa，有蝸殼風(fēng)機(jī)的靜壓大大高于無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)靜壓。無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)流量-靜壓曲線(xiàn)形狀與有蝸殼相似，由于葉片出口角度的不同，無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的壓力在同流量狀況下均要比有蝸殼的低。

將同一葉輪（φ760）進(jìn)行有蝸殼和無(wú)蝸殼的兩種性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表2。

表2 同葉輪的風(fēng)機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下有無(wú)蝸殼性能表

圖5 高效有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)圖

圖6 同葉輪有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)圖

通過(guò)表2繪制的同葉輪有無(wú)蝸殼性能曲線(xiàn)（見(jiàn)圖6）說(shuō)明，蝸殼的存在對(duì)于中小風(fēng)量起到增壓作用，將一部分氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓[1]。同樣由于蝸殼的限制，導(dǎo)致了氣流的最大流量偏低。兩者的最高效率相差較多，但靜壓效率最高點(diǎn)均位于風(fēng)機(jī)整條特性曲線(xiàn)的中間區(qū)域。

4 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)與有蝸殼風(fēng)機(jī)的耗功比較

圖7是高效無(wú)蝸殼和有蝸殼風(fēng)機(jī)的功率特性曲線(xiàn)。從圖中可以看到，在同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)最大耗功是在曲線(xiàn)中間，經(jīng)過(guò)該中間點(diǎn)后，風(fēng)機(jī)耗功不隨風(fēng)機(jī)流量增加而增大，反而減小，一般是在風(fēng)機(jī)最高效率區(qū)耗功最大。而有蝸殼風(fēng)機(jī)的最大耗功是在曲線(xiàn)右邊，隨著風(fēng)量增加而耗功增加。

圖8為同葉輪有無(wú)蝸殼功率曲線(xiàn)，由圖明顯的看出，同葉輪在有蝸殼與無(wú)蝸殼中測(cè)試，同流量下所消耗的功率基本一樣（進(jìn)風(fēng)圈相同）。

圖7 高效有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)功率曲線(xiàn)圖

圖8 同葉輪有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)功率曲線(xiàn)圖

5 箱體大小對(duì)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能的影響

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)在HVAC上的應(yīng)用，通常結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9，風(fēng)機(jī)段箱體的大小對(duì)風(fēng)機(jī)性能有較大影響，結(jié)合圖2的無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱結(jié)構(gòu)圖，箱體尺寸A通常設(shè)計(jì)為不小于2D（D為風(fēng)輪外徑），箱體太小會(huì)額外增大風(fēng)機(jī)的靜壓損失。

表3 使用同一葉輪（φ355）和電機(jī)的三種不同箱體下的風(fēng)機(jī)性能表

圖9 風(fēng)機(jī)總裝結(jié)構(gòu)圖

將同一無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)（φ355）配3種不同尺寸的箱體進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。根據(jù)表3繪制不同箱體下的性能的曲線(xiàn)（見(jiàn)圖10），由圖可得：箱體內(nèi)尺寸為1.6D時(shí)，風(fēng)機(jī)性能會(huì)明顯的降低，箱體內(nèi)尺寸大于1.8D時(shí)，其性能與1.8D箱體性能十分接近。

圖10 不同箱體下的性能曲線(xiàn)圖

無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的箱體內(nèi)壁面與葉輪輪緣之間的理想距離為0.4D。當(dāng)箱體距離小于0.4D后，箱體的靜壓損失很大。大于0.4D，則對(duì)氣流損失并無(wú)太大的幫助。應(yīng)該注意的是無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱體為正壓箱，箱體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和密封性。

對(duì)于有蝸殼風(fēng)機(jī)葉輪，當(dāng)將內(nèi)部葉輪處在箱體中運(yùn)行時(shí)，壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于有蝸殼的風(fēng)機(jī)[4]。結(jié)合圖2，分析文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)箱體模型A= 1.45D，故壓力損失嚴(yán)重。

6 出風(fēng)位置對(duì)性能的影響

圖11為無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱出風(fēng)示意圖，根據(jù)文獻(xiàn)[5]介紹，送風(fēng)方向?qū)τ陲L(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響，軸向送風(fēng)(直出)的性能要比徑向送風(fēng)（側(cè)出）的效果差，該試驗(yàn)建立于特定的箱體中，對(duì)于該箱體具體尺寸無(wú)法從文獻(xiàn)中進(jìn)行獲取。

圖11 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱出風(fēng)示意圖

當(dāng)同一無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)（φ400）匹配1.8D箱體、出口尺寸相同，在改變出風(fēng)方向進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4繪制不同出風(fēng)的性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖12，箱體側(cè)出風(fēng)與箱體直出風(fēng)，風(fēng)機(jī)性能基本相同。即當(dāng)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)箱為不小于1.8D箱體時(shí)，出風(fēng)方向可以任意設(shè)置。

圖12 不同出風(fēng)的風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)圖

7 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)測(cè)試方法

美國(guó)AMCA對(duì)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能測(cè)試通常按AMCA210-07標(biāo)準(zhǔn)。采用fig15進(jìn)氣風(fēng)室及A型安裝方式[6]。風(fēng)機(jī)效率測(cè)試采用電測(cè)法，先測(cè)得電機(jī)輸入功率，然后按標(biāo)定后的電機(jī)性能曲線(xiàn)計(jì)算電機(jī)輸出功率，得到風(fēng)機(jī)效率。噪聲測(cè)試通常采用混響法，按AMCA300-14測(cè)試獲得風(fēng)機(jī)的聲功率[7]。國(guó)內(nèi)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能測(cè)試通常參照GB/T 1236-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)[8]，噪聲測(cè)試采用GB/T 2888-2008風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法[9]，本文所提供的無(wú)蝸殼性能參數(shù)均采用GB/T 1236-2000標(biāo)準(zhǔn)中的圖70-g）用風(fēng)室中多噴嘴測(cè)定流量獲得，有蝸殼性能參數(shù)均采用GB/T 1236-2000標(biāo)準(zhǔn)中的圖73-b)用風(fēng)室中多噴嘴測(cè)定流量獲得。（由于測(cè)試裝置所限，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)帶一定大小的箱體，形成無(wú)蝸殼箱體風(fēng)機(jī)，采用有蝸殼測(cè)試方法，將所測(cè)數(shù)據(jù)用作研究無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)。如箱體的大小沒(méi)有達(dá)到本文第5部分箱體大小對(duì)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)性能影響的要求，實(shí)際數(shù)值研究時(shí)有一定的差異性。

圖13是歐洲風(fēng)機(jī)企業(yè)通常采用的測(cè)試方法。該方法是采用扭矩儀測(cè)量風(fēng)機(jī)葉輪功率，計(jì)算風(fēng)機(jī)效率。采用此方法除了測(cè)試風(fēng)機(jī)葉輪和進(jìn)風(fēng)圈的組合性能，同時(shí)可確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行的需求功率。

表4 同一風(fēng)機(jī)（φ400）與箱體，不同出口方向風(fēng)機(jī)性能表

圖13 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)測(cè)試裝置圖

8 無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)及其應(yīng)用

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

可以是電機(jī)直連，采用變頻電機(jī)和變頻器，或采用EC電機(jī)，通過(guò)調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)性能?？捎啥嗯_(tái)小型無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)機(jī)墻來(lái)代替大型離心風(fēng)機(jī)。由于各單元無(wú)蝸殼箱體風(fēng)機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行，在需要24小時(shí)運(yùn)行的重要場(chǎng)所，無(wú)需備用風(fēng)機(jī)。

2）風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行氣體流動(dòng)穩(wěn)定

3臺(tái)相同規(guī)格的無(wú)蝸殼箱體風(fēng)機(jī)（箱體的內(nèi)壁尺寸分別距離葉輪外徑0.6D）并聯(lián)運(yùn)行，分別將3臺(tái)與2臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)換算成單臺(tái)，換算后的對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖14。由曲線(xiàn)得：風(fēng)機(jī)所測(cè)性能數(shù)據(jù)區(qū)域均位于拋物線(xiàn)右側(cè)且無(wú)峰值特性，多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，在壓力不變的情況下，風(fēng)量可進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加。多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)不穩(wěn)定與震蕩[10]。

3）噪聲易處理

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)通常處于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，可大幅度降低電機(jī)的低頻噪聲[11]，噪聲主要是高頻噪聲，易消除。消聲器成本低，消聲器直接安裝在風(fēng)機(jī)箱體上，無(wú)需增加消聲段，消聲器沒(méi)有增加額外阻力。

圖14 多臺(tái)風(fēng)機(jī)換算至單臺(tái)時(shí)的曲線(xiàn)比較

4）運(yùn)行成本低

風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)里的運(yùn)行曲線(xiàn)見(jiàn)圖15、圖16。從圖15中可以看出使用變頻器或直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速時(shí)，可以獲得最佳的運(yùn)行工作點(diǎn)；通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整風(fēng)量，始終保持風(fēng)機(jī)在高效區(qū)運(yùn)行，而不是通過(guò)截流閥來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量。

圖15 風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)里的運(yùn)行曲線(xiàn)圖

圖16 多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的復(fù)合曲線(xiàn)圖

圖16表示當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)在一個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行點(diǎn)在N點(diǎn)（高效區(qū)），單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量為Q1，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)總流量為2×Q1。當(dāng)關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)會(huì)移到M點(diǎn)，其流量將是Q2，大于Q1，而這時(shí)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的耗功則減少，有效地節(jié)約能源。

用多臺(tái)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)代替單臺(tái)有蝸殼風(fēng)機(jī)在額定工況下可能并不節(jié)能，但在非額定工況下其節(jié)能效果會(huì)很明顯，它可以根據(jù)對(duì)風(fēng)量的需求確定關(guān)閉風(fēng)機(jī)的數(shù)量[11]。

5）可實(shí)時(shí)監(jiān)控

在進(jìn)風(fēng)口增加壓力探測(cè)點(diǎn)，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行流量,裝置示意圖見(jiàn)圖17。流量可以通過(guò)公式1計(jì)算并直接顯示。公式中系數(shù)K可以在實(shí)驗(yàn)室獲得或從廠(chǎng)家獲取。

圖17 裝置示意圖

式中，qv為風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量，m3/h；ρ1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口密度，kg/m3；Δp為進(jìn)口壓差，Pa。

9 結(jié)論

1）有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)(同一風(fēng)輪)對(duì)于耗功特性與氣動(dòng)性能的影響：蝸殼的存在，增加了中小風(fēng)量下的壓力，同時(shí)減小了風(fēng)機(jī)的最大流量。而對(duì)于同流量下的功耗改變并不明顯，從而導(dǎo)致有蝸殼風(fēng)機(jī)增壓區(qū)的效率高于無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)。

2）無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)由于特性曲線(xiàn)的特殊性，當(dāng)多個(gè)相同規(guī)格風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量可進(jìn)行簡(jiǎn)單的代數(shù)加減。

3）無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)配箱體后，箱體的大小對(duì)無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的影響，箱體的3面與葉輪外徑距離控制在0.4D（風(fēng)輪外徑）以上，箱體的存在，對(duì)風(fēng)機(jī)箱性能影響很小，且對(duì)于箱體的出風(fēng)方向可進(jìn)行隨意選擇。

4）無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)通常采用A裝置進(jìn)氣試驗(yàn)法，風(fēng)機(jī)進(jìn)口直接與風(fēng)室相連，葉輪出口完全向環(huán)境敞開(kāi)，無(wú)需輔助風(fēng)管。有蝸殼風(fēng)機(jī)通常采用B裝置出氣試驗(yàn)，往往在風(fēng)機(jī)出口接2～3倍的出口當(dāng)量直徑排向風(fēng)室[8]。

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[8]沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所.GB/T1236-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)[S].

[9]沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所.GB/T2888-2008風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法[S].

[10]B.?？?通風(fēng)機(jī)1版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[11]陳玉良.風(fēng)機(jī)墻組合式空調(diào)機(jī)組[J].制冷與空調(diào)，2010，10（3）：38-40.

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為不同形式的有無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)提供了性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了箱體結(jié)構(gòu)大小及出口位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，并對(duì)該型風(fēng)機(jī)的測(cè)試方法與運(yùn)行特點(diǎn)展開(kāi)分析，進(jìn)而為無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)；無(wú)葉擴(kuò)壓器；特性

Characteristics and App lication of Fans W ithoutVolute Casing

Cao Wen-bin，Yang Li-jun，Chen Yongning，Ye Xin-xue/Zhejiang Yilida ventilator Co.,Ltd

Abstract：Provide the comparison of performance data for two types of fans with volute casing and without volute casing. Analyze the impact of causing structure size and outlet position on fan performance. Analyze the testing method and operation characteristics of these fans.It provides the base reference for the design,testing,and application ofplenum fans.

fan without volute casing；vaneless diffuser；characteristic

TH432;TK05

A

1006-8155（2016）03-0017-07

10.16492/j.fjjs.2016.03.0008

2015-08-21浙江臺(tái)州318056