孫玉波　劉劍飛　宋杰

摘 要：風(fēng)機主要包括離心風(fēng)機、混流風(fēng)機及軸流風(fēng)機。它不僅應(yīng)用于國家工業(yè)體系的各個領(lǐng)域，而且在航天、航空中的應(yīng)用尤為突出。在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括飛機座艙的通風(fēng)換氣、電子設(shè)備艙的冷卻、貨倉的空氣再循環(huán)、燃滑油及液壓系統(tǒng)的散熱。風(fēng)機在系統(tǒng)中能耗較大，因此對于高效、節(jié)能及低噪風(fēng)機的研發(fā)已迫在眉睫。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，借助Amesim軟件進(jìn)行多學(xué)科仿真設(shè)計及Fluent進(jìn)行風(fēng)機流道內(nèi)流場分析，建立不同工況下的風(fēng)機計算模型，繪制相應(yīng)的特性曲線族，并選用高效特性曲線作為具體風(fēng)機設(shè)計的依據(jù)，可為產(chǎn)品滿足飛機全包線的使用需求奠定理論基礎(chǔ)。根據(jù)對某型風(fēng)機的設(shè)計，建立風(fēng)機在不同工況下的計算模型，論述特性曲線在風(fēng)機設(shè)計中的應(yīng)用，從而為產(chǎn)品滿足飛機全包線內(nèi)的使用需求奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機設(shè)計;特性曲線;全包線

中圖分類號：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0041-03

Application of Characteristic Curve in Fan Design

SUN Yubo LIU Jianfei SONG Jie

（1.Naval Armament department，Luoyang Henan 471000;2.Military Representative Office of the Force Equipment in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;3.Xinxiang Aviation Industry（Group）Co.， Ltd.， Xinxiang Henan 453000）

Abstract： Fan mainly includes Centrifugal Fan， mixed flow fan and axial flow fan. It is not only applied in various fields of national industrial system， but also outstanding in spaceflight and aviation. The applications in aviation field include ventilation of aircraft cabin， cooling of electronic equipment cabin， air recirculation of cargo bin， heat dissipation of fuel oil and hydraulic system. Fan in the system of energy consumption is large， so for high-efficiency， energy-saving and low-noise fan research and development is imminent. According to different application scenarios， multi-discipline simulation design is carried out with Amesim software and flow field analysis in flow passage of fan is carried out by Fluent， calculation model of fan under different working conditions is established， and corresponding characteristic curve family is drawn， the high efficiency characteristic curve is chosen as the basis of the fan design， which can lay the theoretical foundation for the product to meet the requirement of the aircraft full envelope.

Keywords： fan design;characteristic curve;full envelope

1 特性曲線的分類

1.1 有因次特性曲線

風(fēng)機流量Q、全壓P、輸入功率[N]和效率[η]的關(guān)系密切，某一風(fēng)機在指定轉(zhuǎn)速下的P-Q、η-Q、N-Q的關(guān)系曲線如圖1所示。

1.2 無因次曲線

一般主要是指風(fēng)機的壓力系數(shù)P、流量系數(shù)Q、功率因數(shù)N、效率η之間關(guān)系的曲線，如圖2所示。

1.3 空氣動力學(xué)氣動略圖

同一系列產(chǎn)品中，不同型號的產(chǎn)品都是按相似方法設(shè)計的，因此它們的無因次曲線相同，幾何形狀相似。它以葉輪外徑為特征尺寸求出通流部分其他尺寸相對葉輪外徑的尺寸值，并用此尺寸繪制通風(fēng)機的幾何圖形與無因次性能曲線。

1.4 綜合性能曲線

綜合性能曲線是指把同一系列產(chǎn)品的性能參數(shù)全壓、流量、蝸殼出口氣流速度、效率和葉輪直徑等相互關(guān)系綜合在一起的曲線。這些曲線是產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，指導(dǎo)技術(shù)人員方便、快捷地開發(fā)出所需要的高效產(chǎn)品。

2 特性曲線的應(yīng)用

風(fēng)機的設(shè)計方法包括全新設(shè)計、相似設(shè)計以及變型設(shè)計。無論采用哪種設(shè)計方法，最終目的都是要保證產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議滿足規(guī)定的使用要求，此外應(yīng)考慮產(chǎn)品可能隨飛機在不同飛行狀態(tài)時的使用要求。因此，產(chǎn)品設(shè)計時，高效區(qū)域要盡可能寬、效率曲線平坦、尺寸要小、質(zhì)量要輕以及噪聲要低[1]等。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同型號的風(fēng)機特性曲線，選擇綜合性能較好的模型機作為設(shè)計依據(jù)進(jìn)行風(fēng)機的氣動計算。

2.1 特性曲線法在相似設(shè)計中的應(yīng)用

2.1.1 模型機的選擇。設(shè)計的關(guān)鍵是選擇模型機，確保模型機具有高效且效率曲線平坦的特點[2]。

2.1.2 設(shè)計點參數(shù)。根據(jù)特性曲線上的性能點，分析設(shè)計點的參數(shù)是否滿足相似條件，并按式（1）進(jìn)行判斷。

如果求出的比轉(zhuǎn)速與模型機的比轉(zhuǎn)速近似相等，且設(shè)計點的全壓與流量滿足相似條件，即可按相似設(shè)計。

2.1.3 葉輪直徑的計算。由模型機特性曲線與式（3）可求出設(shè)計風(fēng)機的葉輪直徑：

相似的兩臺風(fēng)機一定滿足幾何相似，即它們流道對應(yīng)部分的幾何尺寸成比例[4]。當(dāng)葉輪外徑確定后，機殼、葉輪、集流器尺寸根據(jù)相似原理即為確定的值。

2.2 特性曲線法在變型設(shè)計中的應(yīng)用

2.2.1 設(shè)計模型的選取。協(xié)議要求產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)：①工作介質(zhì)為空氣;②進(jìn)口溫度為常溫;③進(jìn)氣壓力P=0.101 325 MPa。主要性能指標(biāo)：①全壓P≥9 000 Pa;②流量Q≥11 000 m/h;③輸入功率N≤55 kW。

按照協(xié)議對風(fēng)機流量及壓力的要求，給定合適的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，根據(jù)計算的風(fēng)機比轉(zhuǎn)速及壓力系數(shù)的大小，選用一種成熟的高效風(fēng)機作為模型機。根據(jù)模型機要求設(shè)計并加工了一套產(chǎn)品（葉輪直徑為630 mm），并進(jìn)行了相關(guān)的性能測試。

2.2.2 試驗情況。采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)的方式對該風(fēng)機進(jìn)行全工況性能測試（風(fēng)機流量從最小到最大），詳細(xì)的測試情況見表1。

從表1可以看出，該型風(fēng)機能夠滿足協(xié)議規(guī)定的全壓及流量要求，但將該風(fēng)機安裝到實際運行系統(tǒng)中使用時，流量明顯偏小。后來，技術(shù)攻關(guān)小組通過對產(chǎn)品現(xiàn)場使用情況進(jìn)行調(diào)查，了解到產(chǎn)品原動機的實際使用電流明顯低于其額定電流，表現(xiàn)為風(fēng)機工況點偏離設(shè)計點，導(dǎo)致風(fēng)機處于小流量運行。因此，攻關(guān)小組認(rèn)為產(chǎn)品產(chǎn)生流量偏小的故障原因是，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時缺乏對產(chǎn)品變工況因素影響的認(rèn)識，導(dǎo)致產(chǎn)品不能滿足使用要求。通過分析產(chǎn)品產(chǎn)生故障的原因，技術(shù)攻關(guān)小組在不改變協(xié)議要求的外形及接口尺寸的前提下，根據(jù)模型機的特性曲線對該產(chǎn)品進(jìn)行變型設(shè)計。

2.2.3 變型設(shè)計及校核，對于變型設(shè)計過程，據(jù)上述試驗測試情況，各性能點對應(yīng)流量及壓力分別為A（8 588，9 698）、B（9 415，9 616）、C（9 600，9 590）、D（11 056，9 195）、E（11 883，8 915）、F（12 699，8 636）、G（13 525，8 310），然后繪制出該風(fēng)機的有因次特性曲線（見圖3），風(fēng)機曲線與管網(wǎng)曲線的交點為M即為實際工況點，其性能坐標(biāo)為M（9 530，9 500）。根據(jù)模型機有因次曲線圖及模型機的實際使用功率情況分析，要使風(fēng)機滿足實際使用系統(tǒng)需求，必須使風(fēng)機在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口狀態(tài)下全壓值P≥9 500 Pa，流量Q≥11 000 m/h，而將工況點從M點移到M點，而以原始風(fēng)機作為模型機進(jìn)行變型設(shè)計，可達(dá)到系統(tǒng)需求[5]。

2.2.4 寬度修正。如果變型設(shè)計求出的流量和預(yù)期流量不一致，則可按式（10）、式（11）和式（12）對以上設(shè)計風(fēng)機的寬度進(jìn)行修正。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，這種變型設(shè)計法既可保證與模型機基本相等的效率，又具有方便、快捷的特點，因此被風(fēng)機行業(yè)設(shè)計部門廣泛采用。

3 結(jié)語

風(fēng)機的設(shè)計計算與試驗證明特性曲線法在風(fēng)機設(shè)計中具有突出優(yōu)點，與全新設(shè)計相比具有周期短、效率曲線平坦、性能可靠且設(shè)計計算的性能與產(chǎn)品工作時實際性能較為接近的優(yōu)勢。這種方法不僅適用于風(fēng)機設(shè)計，對于渦輪、壓縮機等透平式機械設(shè)計，只要壓比和效率相近，也可參考已有高效產(chǎn)品，利用其特性曲線進(jìn)行相似或變型設(shè)計。

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2088501186362