离心式筒形风机气动性能及噪声特性试验研究∗

吴和远 陈 强 赛庆毅 简晓书 朱志能

（1.贵州航天林泉电机有限公司；2.国家精密微特电机工程技术研究中心；3.上海理工大学）

离心式筒形风机气动性能及噪声特性试验研究∗

吴和远1,2陈 强1,2赛庆毅3简晓书1,2朱志能1,2

（1.贵州航天林泉电机有限公司；2.国家精密微特电机工程技术研究中心；3.上海理工大学）

本文对某型筒形风机气动性能及噪声进行了详细的试验研究，结果表明：筒形风机气动性能曲线平坦，高效区宽，无“驼峰”，在变工况下运行时不会发生“喘振”现象；比A声级曲线平坦，且比A声级噪声随运行转速升高而略有下降的趋势。

筒形风机；气动性能；噪声特性；试验研究

1 概述

筒形风机是一种结合了离心风机和轴流风机特点的离心式通风机，具有结构简单、大流量、高压头、风机流量压力曲线平坦、低噪声等优点。由于风机气流方向与叶轮轴心方向相同，适用于小断面长距离独头巷道等特殊环境的局部通风[1-2]。

目前筒形风机的设计和研究，国内外很多专家和学者都进行了大量研究和工作。杨俭[3-5]等人对风机主要参数的计算方法进行了公式推导，并对相应风机设计进行了参数优化，使风机额定工况处于高效运行；但均未提及该种风机全曲线范围内的参数关系以及噪声影响。对用于特种用途的筒形离心式通风机的选型及研制，还需要采用试验的方法来进行验证。

通过某筒形风机在额定转速和不同转速下的性能和噪声试验，得到试验风机性能曲线和噪声，并对风机性能曲线和噪声进行分析研究。

2 风机结构及测试系统

2.1 风机结构

本文中所设计的筒型风机结构如图1所示，由集流器、叶轮、前锥壳体、后导叶、无刷电机、尾部扩散筒、尾部导流锥。集流器与叶轮前盖采用套口形式，有效降低内泄漏损失[6]；采用机翼型后导叶，静压效率可显著提高[7]；风机采用后弯式离心叶轮。

图1 筒形风机结构图Fig.1 Cylindrical centrifugal fan’s structure

风机技术指标：额定功耗不大于65W，流量5m3/min，全压大于450Pa，进风口前方斜45°，1m处的噪声不大于65dB（A）。筒形最大外径D1=170mm，风机总长L=210mm，试验筒形风机采用高效低噪无刷直流电机进行驱动，风机外形实物如图2所示。叶片采用后向型机翼叶片，共12片，叶轮外径D2=120mm，实物模型如图3所示。

图2 风机整机实物图Fig.2 Cylindrical centrifugal fan

图3 风机叶轮实物图Fig.3 Impeller of cylindrical centrifugal fan

2.2 测试系统

试验装置和测试系统严格按照国家标准GB/T 1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》和GB/T 2888-91《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》的要求设计和制造[8-9]。采用（B型）出气试验装置进行试验，在风机出气端连接试验装置，试验系统如下图4。风机试验在符合ISO 3745标准的半消声室中进行，背景噪声20dB（A），在进风口前方斜45°，1m处进行噪声测试，噪声测试现场见图5。试验结果均换算到标准状态（1atm，20℃）下的试验结果，试验仪器仪表量程和精度均能满足上述标准，在检定周期内。

图4 筒形风机试验系统装置Fig.4 Fan test rig system

图5 筒形风机性能试验及噪声测试现场Fig.5 Noise and performance measurement on site

3 风机性能试验及试验曲线

3.1 额定设计点性能及噪声测试

将风机转速设定为5 400r/min进行试验，额定点的风机性能试验数据见表1。

表1 筒形风机额定点参数表Tab.1 Cylindrical centrifugal fan rated parameter

风机全压内效率计算按：

式中，ηt为风机全压下的内效率；qv为风机体积流量，m3/s；ptF为风机全压，Pa；η电机为电机效率，试验电机效率82%。

风机流量系数计算按：

式中，φ为流量系数；D2为叶轮外径，m；u2为叶轮外缘圆周速度，m/s。

风机压力系数计算按：

式中，ψF为压力系数（全压或静压）；pF为全压或静压，Pa；ρ为风机进口的气体密度，kg/m3。

风机噪声比A声级计算按：

式中，LsA为风机比A声级噪声，dB（A）；LA为风机A声级噪声，dB（A）；qv为风机流量，m3/min。

通过公式（1）～公式（4），计算出试验筒形风机额定点的无因次参数，见表2。

筒形风机的内效率约为74%，与文献[1，3，4，7]描述的风机内效率达80%以上有一定的差距，对此，不排除由于试验风机叶轮直径较小导致效率降低。

表2 筒形风机额定点无因次参数表Tab.2 Fan rated dimensionless parameter

测试风机工作在额定点（5m3/min）的噪声频谱，见图6。

图6 试验风机额定点倍频程噪声频谱图Fig.6 Fan noise spectrum

试验用筒形风机的噪声主要分布在中高频，噪声主要来源于试验叶轮高速旋转引起的旋转噪声与涡流噪声。

3.2 风机额定转速下性能曲线测试

根据试验系统及噪声测试方法，进行了试验筒形风机的气动性能曲线测试，风机在标准状态下的性能曲线见图7。

图7 试验风机性能曲线图Fig.7 Fan performance curve

对风机测试数据进行无因次性能参数计算，见图8。

图8 试验风机性能曲线图Fig.8 Fan performance curve

由图7和图8可见，筒形风机动压较小，静压曲线与全压曲线基本重合；风机压力曲线平缓无驼峰，表明筒形风机在变工况下运行时不会发生“喘振”现象[6]；整机最高效率点（63%）出现在流量系数为0.2左右，考虑电机效率为82%，试验筒形风机最大内效率约为76%。

JB/T 8690-1998《工业通风机噪声限值》规定了各种型式通风机噪声在最高效率工况点的比A声级LsA限值[10]，见表3。

表3 通风机噪声限值表Tab.3 Ventilator noise limits

筒形风机在较宽的流量范围内比A声级曲线平坦，宽流量范围内满足JB/T 8690-1998规定的离心风机最低噪声限值要求。目前性能较好的离心风机，其噪声都低于标准规定的最低限值要求，如后向板型离心风机的比A声压级多在18dB(A)左右（进气试验），甚至达到16dB(A)以下（进出气试验）[11]。从筒形风机的结构可知道，筒形风机由于没有蜗壳，叶轮出口气流直接冲击在前锥壳体上，对于噪声和效率都是不利的。

筒形风机运行的实际比转速按公式（5）进行计算：

式中，ns为风机比转速；n为运行转速，r/min；ptF为风机全压，Pa；ρ为风机进口的气体密度，kg/m3。

根据公式（1）（3）（5），计算出风机比转速与风机内效率、压力系数的关系见图9。

图9 试验风机性能曲线图Fig.9 Fan performance curve

通常以风机最高效率点的比转速来确定风机的比转速，该试验筒形风机的比转速为80。按比转速来确定风机类型[6]，该风机属于混流式通风机。

3.3 不同转速下噪声性能测试

孙亚平[12]等人研究了离心风机的转速对噪声和性能的影响，离心风机运行转速越高，风机的相对噪声就越大。

对筒形风机进行转速对噪声的影响试验，为进行对比，采用同一套试验设备在半消声室进行试验，试验设备包括筒形风机、无刷直流电机、驱动电路、精密级声级计，固定筒形风机的安装位置和噪声检测设备的位置，调节电源电压使风机运行在不同的转速下，测试出不同转速下的性能参数，见图10；计算出流量系数与比A声级的关系曲线，见图11。

图10 不同转速下风机运行性能曲图Fig.10 Fan performance curve under of different rotating speed

图11 不同转速下风机运行比A声级对比图Fig.11 A-weighted sound pressure level under different rotating speed

图10表明，筒形风机随运行转速的升高，流量、压力和噪声曲线逐渐增大。图11表明，随着转速的升高，筒形风机比A声级曲线略微下降。

4 结论

筒形离心通风机的特点是采用离心式叶轮、轴向导流的筒形外壳。筒形风机采用后弯式离心叶轮，气体轴向进入叶轮，从叶片获得能量后径向流出叶轮。由叶轮流出的气体撞到外壳体的锥体部，然后轴向进入后导叶，经轴向导叶整流后由轴向出口排除。从该次试验数据来看，小型筒形风机具有几大特点：

a）筒形风机具有轴流风机大流量系数与离心风机的高压系数的优点，比转速属于混流式风机系列；

b）筒形风机性能曲线平坦，高效区宽，无“驼峰”，在变工况下运行时不会发生“喘振”现象；

c）筒形风机的比A声级曲线平坦，且随运行转速升高而略有下降。

[1]杨俭，赵亚洲.介绍一种筒形离心式通风机[J].风机技术，1994（1）：13-14.

[2]李庆宜.通风机[M].机械工业出版社出版,1983.

[3]杨俭.筒形离心通风机内部流场的理论分析[J].风机技术，1997（4）：10-11，34.

[4]任昌玉，胡广义，高英.筒形离心式通风机主要参数优化设计[J].风机技术，1994（5）:13-16.

[5]董星，马安昌，赵佳峰.筒形离心式通风机筒壳内气体流动的理论分析[J].黑龙江矿业学院学报，1995，5（2）：31-33.

[6]商景泰.通风机设计入门与精通[M].机械工业出版社出版,2012.

[7]董星，潘炽熙，王瑞宏.矿用筒形离心式局部通风机的研制[J].煤矿机电，1994（6）：11-12.

[8]GB/T 1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验[S].北京：中国标准出版社，2001.

[9]GB/T 2888-91风机和罗茨鼓风机噪声测量方法[S].北京：全国风机标准化技术委员会，1991.

[10]JB/T 8690-1998工业通风机噪声限值[S].北京：全国风机标准化技术委员会，1998.

[11]何志伟.对JB/T 8932-1999《风机箱》的探讨[J].机械工业标准化与质量，2002（8）：4-5.

[12]孙亚平，钱树德，赵宗艾.离心风机的转速对噪声和性能的影响[J].炼油设备设计，1983（2）:31-36.

Experimental Study of the Aerodynamic Performance and Noise Characteristics of Cylindrical Centrifugal Fans

He-yuan Wu1,2Qiang Chen1,2Qing-yi Sai3Xiao-shu Jian1,2Zhi-neng Zhu1,2
(1.Guizhou Aerospace Linquan Motor Co.Ltd.，；2.National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors)

Detailed experimental studies of the aerodynamic performance and the noise characteristics of a cylindrical fan are performed in this paper.The test results show the cylindrical fan’s aerodynamic performance curve to be flat,in the high efficiency area without‘hump’,and no surge under variable working conditions.The A-weighted sound pressure level curve is flat,and it shows a decreasing tendency with increasing rotational speed.

cylindrical fan,aerodynamic performance,noise characteristics,experimental study

TH43；TK05

1006-8155-(2017)04-0074-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0012

获得黔科合人才团队[2014]4023号资助，贵州省航天用低噪音、长寿命、高可靠微特电机关键技术改关科技创新团队

2017-04-21 贵州 贵阳 550081