用于轴流风机的轴流叶轮气动性能试验研究_褚双磊
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FLUID MACHINEＲY
文章编号： 1005 － 0329（ 2014） 04 － 0006 － 05
Vol. 42，No． 4，2014
用于轴流风机的轴流叶轮气动性能试验研究
褚双磊1，2
（ 1． 中国民航大学，天津 300300； 2． 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）
图 4 ～ 7 给出了第一组试验系列中 3 种不同 叶片数 1 ～ 3 号轴流风机的变工况下 Pt － Qv、Pd － Qv、N － Qv 和 η － Qv 气动性能比较曲线。
图 4 不同叶片数时全压 Pt—流量 Qv 特性曲线
图 5 不同叶片数时动压 Pd—流量 Qv 特性曲线
图 6 不同叶片数时功率 N—风量 Qv 特性曲线
林用风机性能测试系统主要分为试验系统主 体结构 200mm 试验风管和试验数据控制系统、 采集系统两大主要部分，可对中小型林用风机进 行气动性能测试。其中出气试验风管部分包括轴 流式试验风机、离心式辅助风机、整流栅板、静压 测孔、节流孔板、辅助接头、圆风门调节器和一定 长度的试验风管； 控制系统和采集系统具体包括 变频控制器、电动机功率测试仪、光电转速探头、 转速表、声级计、静压压力变送器、环境大气压温 湿度传感器、工控机和采集主机。 2． 3 试验用模型轴流风机和叶轮
叶片数量对效率的影响较为明显，在低流量 范围内，3 种轴流风机的效率曲线趋于重合，随着 风量继续增加，1 号和 2 号轴流风机的效率变化 幅度比 较 大，在 高 流 量 范 围 内，当 风 量 增 加 到 1500m3 / h 时，2 号轴流风机（ 5 片叶片数） 的效率 明显高于 1 号轴流风机（ 7 片叶片数） 。由此可以 推测，由于风量的加大，且叶片数较多时，相同轮 毂直径条件下，叶片栅距较小，造成叶片之间的间 隙较小，扭曲叶片叶根部的推力作用受到阻碍，形 成了较大的涡流，使得风机效率急剧下降。并且 随着叶片数的增加，导致有效流通面积的减少，也 会带来边界层面积的增加，从而会造成摩擦损失 的增加，进而造成总体损失的增加，影响到轴流叶 轮的效率。因此导致流通能力降低，流量下降。
图 7 不同叶片数时效率 η—风量 Qv 特性曲线
由图可以看出，轴流风机的全压随着风量的 增加而下降，动压随着风量的增加而上升。在全 流量 范 围 内，叶 片 数 量 对 全 压、动 压 的 影 响 并 不 大，特别是动压曲线已经几乎很吻合，全压曲线虽 然不是很吻合，但是其差距的百分比很小。全压 随着流量的增加而逐渐减小，特别是在设计工况 以后，全压减小的梯度越来越大，这说明增大流量 以后，轴流叶轮和轴流风筒内流体的不稳定因素 增加，流动能量损失加大，导致全压降低。在风量 较低的范围内（ 0 ～ 1000m3 / h） 时，叶片数较多的 轴流风机全压较高，而在风量为 1000 ～ 2500m3 / h 的范围内，叶片数为 5 的 2 号轴流风机比叶片数 为 7 的 1 号轴流风机全压要高。叶片数为 6 的 3 号轴流风机全压处于中间位置。
CHU Shuang-lei 1，2
（ 1． Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China； 2． Tianjin Key Laboratory of Operation Programming and Safety Technology of Air Traffic Management，Tianjin 300300，China）
Abstract： According to GB / T 1236—2000 “Industrial fans———performance testing using standardized airways”，the aerodynamic performance tests of five axial-flow impellers about an axial-flow fan have been carried out respectively． By comparing and analyzing the pneumatic performance experimental data of five axial-flow fans，the influence of different blade angle and leave number of single-stage axial-flow impeller on the axial-flow fan aerodynamic performance parameters have been studied． The change situation of total pressure，dynamic pressure，power，efficiency with change of the blade angle and leave number have been obtained． The experimental results indicate that： under the most efficient operating point，firstly，compared to the same blade angle and different number of leaves of the first group test series，the most flow volume and smallest power of axial-flow impeller is Z = 6． And compared to the same number of leaves and different blade angles of the second group test series，the most flow volume and largest total pressure of axial-flow impeller is Z = 6，β = 38°，it has the largest power，moderate total pressure efficiency，the best axial-flow impeller combination with blade angle and number of leaves applied in the newly axial-flow fire-fighting fan has been obtained． Key words： axial-flow impeller； axial-flow fan； aerodynamic performance experiment
关键词： 轴流叶轮； 轴流风机； 气动性能试验
中图分类号： TH432． 1
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 04． 002
Experimental Ｒesearch on the Axial-flow Impeller Aerodynamic Performance of the Axial-flow Fan
收稿日期： 2013 － 03 － 13 修稿日期： 2014 － 01 － 02 基金项目： 中央高校基本科研业务费项目（ 3122014C021） ； 中国民航大学科研启动基金项目（ 2010QD07X）
2014 年第 42 卷第 4 期
流体机械
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能，自制一台轴流风机气动性能试验装置，分别将 5 种不同的轴流叶轮安装在轴流风机气动性能试 验装置上以便对其进行气动性能测试，得到 5 种 轴流风机在设计工况下的气动性能参数和气动性 能曲线，进一步分析符合轴流风机性能要求的轴 流叶轮参数，为设计高效率的轴流式风力灭火机 提供理论依据和试验基础。
林用风机性能测试系统是根据 GB / T 1236— 2000《工业 通 风 机 用 标 准 化 风 道 进 行 性 能 试 验 》 设计和加工制造的轴流风机 B 型出气式试验测 试系统。因为用于轴流风机的轴流风机为自由进 气，管道排气，同时由于试验风机直径比较小，小 型林用风机性能实验台为风管式 B 型出气试验 装置，选用自由进口，管道出口的 B 型试验装置， 对试验用轴流风机进行排气试验，见图 1。
摘 要： 参照 GB / T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》，对同一台轴流风机的 5 种轴流叶轮分别进
行了气动性能试验，通过对比 5 种轴流风机的气动性能试验数据进行分析，研究了单级轴流叶轮的叶片角度和叶片数对
其性能参数的影响，得出了全压、风量、效率随叶片角度和叶片数改变的变化规律，试验结果表明： 在最高效率工况条件
叶片数量对轴流风机功率的影响较小。3 种 轴流风机功率曲线变化一致，在最高效率点附近 3 种 轴 流 风 机 的 功 率 达 到 最 低 点，在 流 量 为 1000m3 / h 附近，2 号轴流风机功率波动比较大， 出现低谷段。且随着叶片数的增加，轴功率也有 稍稍增大的趋势，即 5 叶片的 2 号轴流风机轴功 率测试值最小，7 叶片的 1 号轴流风机轴功率测 试值最大，但是相互之间其差值较小。
试验用模型轴流式灭火风机的主要参数为： 轴流风筒外径 200mm，叶轮直径 190mm，径向间 隙 5mm，轮 毂 比 为 0． 2，变 频 电 动 机 功 率 为1． 5 kW，额定转速为 1450r / min。
本次试验对象主要选择已经设计好的轴流叶 轮，有规律地变化其叶片数和叶片角度形成 5 种 试验用轴流叶轮，见表 1。编号为 1、2、3 的轴流 叶轮构成相同叶片角度，不同叶片数的第一组试 验系列（ 见图 2） ； 编号为 3、4、5 的轴流叶轮构成 相同 叶 片 数，不 同 叶 片 角 度 的 第 二 组 试 验 系 列 （ 见图 3） 。
轴流叶轮 编号 1 2 3 4 5
轮毂宽度 B（ mm）
25 25 25 20 30
叶片数 Z 7 5 6 6 6
表 1 试验用轴流叶轮基本参数
叶根截面
叶根弦长 bh （ mm） 叶根安装角 βh （ °）
34
44°
34
44°
34
44°
28
40°
38
48°
叶缘截面
叶缘弦长 bt （ mm） 叶缘安装角 βt （ °）
图 1 轴流风机 B 型出气性能试验系统的结构示意
2 林用风机性能测试系统
2． 1 轴流风机气动性能试验装置 轴流风机的气动性能是新型轴流式风力灭火
机灭火性能的核心，设计轴流式风机气动性能试 验装置是为了验证轴流风机的气动性能，为制造 轴流式风力灭火机的样机而作准备。
轴流式风机气动性能试验装置是指在实验室 条件下为模拟轴流风机气动性能测试而设计的一 套试验装置。该试验装置包括小型电动机、试验 支架、中 间 传 动 部 件、齿 轮 箱 固 定 架 和 轴 流 式 风 机。其中轴流风机是由轴流叶轮和圆形轴流风筒 组成。 2． 2 B 型风管出气试验装置
下，首先对比相同叶片角度，不同叶片数的第一组试验系列，得出叶片数 Z = 6 时，风量最大，功率最小。然后在相同叶片
数，不同叶片角度的第二组试验系列，得出 Z = 6，β = 38° 时，风量最大，全压最大，功率最大，全压效率居中，因此得出应
用于新型轴流式灭火风机的轴流叶轮最佳叶片数和叶片角度的组合。
42
34°
42
34°
42
34°
37
30°
48
38°
图 2 第 1 组试验系列（ 1 号、2 号、3 号）
图 3 第 2 组试验系列（ 3 号、4 号、5 号）
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Vol. 42，No． 4，2014
3 气动性能试验结果分析 3． 1 不同叶片数对轴流式灭火风机气动性能影 响的试验分析
1 引言
新型轴流式风力灭火机采取轴流风机为主要 灭火部件，其轴流叶轮是影响轴流风机气动性能 的关键因素。为了得到一种气动性能良好的轴流 叶轮，提高轴流式风机的出口风量，根据现有国家
标准 GB / T 10280—1999《便携式风力灭火机技术 条件 》规 定 的 气 动 性 能 要 求，并 结 合 GB / T 10281—1999《便携式风力灭火机 台架试验方法》 和 GB / T 1236—2000《工业通风机用标准源自文库风道 进行性能 试 验 》，参 考 新 型 轴 流 式 风 力 灭 火 机 整 体侧置式的布局特点，为研究轴流叶轮的气动性
FLUID MACHINEＲY
文章编号： 1005 － 0329（ 2014） 04 － 0006 － 05
Vol. 42，No． 4，2014
用于轴流风机的轴流叶轮气动性能试验研究
褚双磊1，2
（ 1． 中国民航大学，天津 300300； 2． 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）
图 4 ～ 7 给出了第一组试验系列中 3 种不同 叶片数 1 ～ 3 号轴流风机的变工况下 Pt － Qv、Pd － Qv、N － Qv 和 η － Qv 气动性能比较曲线。
图 4 不同叶片数时全压 Pt—流量 Qv 特性曲线
图 5 不同叶片数时动压 Pd—流量 Qv 特性曲线
图 6 不同叶片数时功率 N—风量 Qv 特性曲线
林用风机性能测试系统主要分为试验系统主 体结构 200mm 试验风管和试验数据控制系统、 采集系统两大主要部分，可对中小型林用风机进 行气动性能测试。其中出气试验风管部分包括轴 流式试验风机、离心式辅助风机、整流栅板、静压 测孔、节流孔板、辅助接头、圆风门调节器和一定 长度的试验风管； 控制系统和采集系统具体包括 变频控制器、电动机功率测试仪、光电转速探头、 转速表、声级计、静压压力变送器、环境大气压温 湿度传感器、工控机和采集主机。 2． 3 试验用模型轴流风机和叶轮
叶片数量对效率的影响较为明显，在低流量 范围内，3 种轴流风机的效率曲线趋于重合，随着 风量继续增加，1 号和 2 号轴流风机的效率变化 幅度比 较 大，在 高 流 量 范 围 内，当 风 量 增 加 到 1500m3 / h 时，2 号轴流风机（ 5 片叶片数） 的效率 明显高于 1 号轴流风机（ 7 片叶片数） 。由此可以 推测，由于风量的加大，且叶片数较多时，相同轮 毂直径条件下，叶片栅距较小，造成叶片之间的间 隙较小，扭曲叶片叶根部的推力作用受到阻碍，形 成了较大的涡流，使得风机效率急剧下降。并且 随着叶片数的增加，导致有效流通面积的减少，也 会带来边界层面积的增加，从而会造成摩擦损失 的增加，进而造成总体损失的增加，影响到轴流叶 轮的效率。因此导致流通能力降低，流量下降。
图 7 不同叶片数时效率 η—风量 Qv 特性曲线
由图可以看出，轴流风机的全压随着风量的 增加而下降，动压随着风量的增加而上升。在全 流量 范 围 内，叶 片 数 量 对 全 压、动 压 的 影 响 并 不 大，特别是动压曲线已经几乎很吻合，全压曲线虽 然不是很吻合，但是其差距的百分比很小。全压 随着流量的增加而逐渐减小，特别是在设计工况 以后，全压减小的梯度越来越大，这说明增大流量 以后，轴流叶轮和轴流风筒内流体的不稳定因素 增加，流动能量损失加大，导致全压降低。在风量 较低的范围内（ 0 ～ 1000m3 / h） 时，叶片数较多的 轴流风机全压较高，而在风量为 1000 ～ 2500m3 / h 的范围内，叶片数为 5 的 2 号轴流风机比叶片数 为 7 的 1 号轴流风机全压要高。叶片数为 6 的 3 号轴流风机全压处于中间位置。
CHU Shuang-lei 1，2
（ 1． Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China； 2． Tianjin Key Laboratory of Operation Programming and Safety Technology of Air Traffic Management，Tianjin 300300，China）
Abstract： According to GB / T 1236—2000 “Industrial fans———performance testing using standardized airways”，the aerodynamic performance tests of five axial-flow impellers about an axial-flow fan have been carried out respectively． By comparing and analyzing the pneumatic performance experimental data of five axial-flow fans，the influence of different blade angle and leave number of single-stage axial-flow impeller on the axial-flow fan aerodynamic performance parameters have been studied． The change situation of total pressure，dynamic pressure，power，efficiency with change of the blade angle and leave number have been obtained． The experimental results indicate that： under the most efficient operating point，firstly，compared to the same blade angle and different number of leaves of the first group test series，the most flow volume and smallest power of axial-flow impeller is Z = 6． And compared to the same number of leaves and different blade angles of the second group test series，the most flow volume and largest total pressure of axial-flow impeller is Z = 6，β = 38°，it has the largest power，moderate total pressure efficiency，the best axial-flow impeller combination with blade angle and number of leaves applied in the newly axial-flow fire-fighting fan has been obtained． Key words： axial-flow impeller； axial-flow fan； aerodynamic performance experiment
关键词： 轴流叶轮； 轴流风机； 气动性能试验
中图分类号： TH432． 1
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 04． 002
Experimental Ｒesearch on the Axial-flow Impeller Aerodynamic Performance of the Axial-flow Fan
收稿日期： 2013 － 03 － 13 修稿日期： 2014 － 01 － 02 基金项目： 中央高校基本科研业务费项目（ 3122014C021） ； 中国民航大学科研启动基金项目（ 2010QD07X）
2014 年第 42 卷第 4 期
流体机械
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能，自制一台轴流风机气动性能试验装置，分别将 5 种不同的轴流叶轮安装在轴流风机气动性能试 验装置上以便对其进行气动性能测试，得到 5 种 轴流风机在设计工况下的气动性能参数和气动性 能曲线，进一步分析符合轴流风机性能要求的轴 流叶轮参数，为设计高效率的轴流式风力灭火机 提供理论依据和试验基础。
林用风机性能测试系统是根据 GB / T 1236— 2000《工业 通 风 机 用 标 准 化 风 道 进 行 性 能 试 验 》 设计和加工制造的轴流风机 B 型出气式试验测 试系统。因为用于轴流风机的轴流风机为自由进 气，管道排气，同时由于试验风机直径比较小，小 型林用风机性能实验台为风管式 B 型出气试验 装置，选用自由进口，管道出口的 B 型试验装置， 对试验用轴流风机进行排气试验，见图 1。
摘 要： 参照 GB / T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》，对同一台轴流风机的 5 种轴流叶轮分别进
行了气动性能试验，通过对比 5 种轴流风机的气动性能试验数据进行分析，研究了单级轴流叶轮的叶片角度和叶片数对
其性能参数的影响，得出了全压、风量、效率随叶片角度和叶片数改变的变化规律，试验结果表明： 在最高效率工况条件
叶片数量对轴流风机功率的影响较小。3 种 轴流风机功率曲线变化一致，在最高效率点附近 3 种 轴 流 风 机 的 功 率 达 到 最 低 点，在 流 量 为 1000m3 / h 附近，2 号轴流风机功率波动比较大， 出现低谷段。且随着叶片数的增加，轴功率也有 稍稍增大的趋势，即 5 叶片的 2 号轴流风机轴功 率测试值最小，7 叶片的 1 号轴流风机轴功率测 试值最大，但是相互之间其差值较小。
试验用模型轴流式灭火风机的主要参数为： 轴流风筒外径 200mm，叶轮直径 190mm，径向间 隙 5mm，轮 毂 比 为 0． 2，变 频 电 动 机 功 率 为1． 5 kW，额定转速为 1450r / min。
本次试验对象主要选择已经设计好的轴流叶 轮，有规律地变化其叶片数和叶片角度形成 5 种 试验用轴流叶轮，见表 1。编号为 1、2、3 的轴流 叶轮构成相同叶片角度，不同叶片数的第一组试 验系列（ 见图 2） ； 编号为 3、4、5 的轴流叶轮构成 相同 叶 片 数，不 同 叶 片 角 度 的 第 二 组 试 验 系 列 （ 见图 3） 。
轴流叶轮 编号 1 2 3 4 5
轮毂宽度 B（ mm）
25 25 25 20 30
叶片数 Z 7 5 6 6 6
表 1 试验用轴流叶轮基本参数
叶根截面
叶根弦长 bh （ mm） 叶根安装角 βh （ °）
34
44°
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44°
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44°
28
40°
38
48°
叶缘截面
叶缘弦长 bt （ mm） 叶缘安装角 βt （ °）
图 1 轴流风机 B 型出气性能试验系统的结构示意
2 林用风机性能测试系统
2． 1 轴流风机气动性能试验装置 轴流风机的气动性能是新型轴流式风力灭火
机灭火性能的核心，设计轴流式风机气动性能试 验装置是为了验证轴流风机的气动性能，为制造 轴流式风力灭火机的样机而作准备。
轴流式风机气动性能试验装置是指在实验室 条件下为模拟轴流风机气动性能测试而设计的一 套试验装置。该试验装置包括小型电动机、试验 支架、中 间 传 动 部 件、齿 轮 箱 固 定 架 和 轴 流 式 风 机。其中轴流风机是由轴流叶轮和圆形轴流风筒 组成。 2． 2 B 型风管出气试验装置
下，首先对比相同叶片角度，不同叶片数的第一组试验系列，得出叶片数 Z = 6 时，风量最大，功率最小。然后在相同叶片
数，不同叶片角度的第二组试验系列，得出 Z = 6，β = 38° 时，风量最大，全压最大，功率最大，全压效率居中，因此得出应
用于新型轴流式灭火风机的轴流叶轮最佳叶片数和叶片角度的组合。
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图 2 第 1 组试验系列（ 1 号、2 号、3 号）
图 3 第 2 组试验系列（ 3 号、4 号、5 号）
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Vol. 42，No． 4，2014
3 气动性能试验结果分析 3． 1 不同叶片数对轴流式灭火风机气动性能影 响的试验分析
1 引言
新型轴流式风力灭火机采取轴流风机为主要 灭火部件，其轴流叶轮是影响轴流风机气动性能 的关键因素。为了得到一种气动性能良好的轴流 叶轮，提高轴流式风机的出口风量，根据现有国家
标准 GB / T 10280—1999《便携式风力灭火机技术 条件 》规 定 的 气 动 性 能 要 求，并 结 合 GB / T 10281—1999《便携式风力灭火机 台架试验方法》 和 GB / T 1236—2000《工业通风机用标准源自文库风道 进行性能 试 验 》，参 考 新 型 轴 流 式 风 力 灭 火 机 整 体侧置式的布局特点，为研究轴流叶轮的气动性