（流体机械及工程专业论文）空调用室外体轴流风机流场特征值分析与图形显示.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 针对目前我国大量使用的空调用室外体轴流风机，仍然存在着噪声高，效率低 的缺点，本文力求在提高风机效率和降低风机噪声这两方砸，能取得一些比较好的 成果。本文根据目前在风机的生产设计中，仍然使用得比较多的轴流风机的传统设 计方法，对空调用室外体轴流风机和工业用轴流风机的叶片弦长，以及能够代表风 机内部流场流动状态的一些特征值，主要包括轴向速度、压力和扭速，做了对比计 算和对比分析。通过采用这种与工业用轴流风机吐整型比的方法，阐明了这两种风 机叶轮在叶片形状，风机内部的流动状况等方面的不同点和相同点，及其内在的规 律与叶片形状的关系，并且说明了目前在这两种轴流风机中各自所采用的叶片的形 状的合理性。同时，在不改变常规设计系统的条件下，本文着重于如何降低风机的 噪声和提高风机的效率。本文还介绍了设计和编制一套用于计算和显示以上两种轴 流风机叶片和流场特征值的计算机应用软件。在降低噪声方面，本文重点测量和分 析了当前在空调用室外体中应用得比较多的z 4 0 0 系列空调用室外体轴流风的噪声及 功率。此外，本文还对国内目前风机研究的一个热点弯掠叶片能否应用在空调 用室外体的轴流风机中，做了一些初步的研究和讨论。最后，对空调用室外体轴流 风机如何在现有的基础之上，进一步提高效率和降低噪声等方面，提出了本文的改 进意见。 关键词：空顿轴流瓦轨、叶片、噪声。 、， 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el i g h to ft h ed e f e c t s ，i n c l u d i n gl o we f f i c i e n c ya n dl o u dn o i s et h a tt h ea x i a lf a n s u s e di nt h ec h i n a s o m eg o o dr e s u l t sa b o u tr a i s i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gn o i s ea r et r i e d t ow a n t a c c o r d i n gt ot h ew i d e l yu s e dt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h ea x i a lf a n t h ec h o r d o ft h eb l a d ea n ds o m ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e sw h i c hc a ns h o wt h ea x i a lf a n sf l o wf i e l d ， i n c l u d i n g a x i a l v e l o c i t y , p r e s s u r ea n dt w i s t i n gv e l o c i t y 勰c o n t r a s t e dc o m p u t e da n d c o n t r a s t e da n a l y z e d b yt h ec o n t r a s t e dm e t h o d 谢t 1 1t h ea x i a lf a nu s e di nt h ei n d u s t r y , t h e d i f f e r e n c e t h es a m e n e s sa n dt h er e l a t i o n so ft h ei n n e rr u l e 、i t l lt h es h a p eo ft h eb l a d ea r e i l l u s t r a t e d a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h es h a p eo ft h eb l a d eu s e di nb o t ht y p ea x i a lf a n si s i l l u s t r a t e d ，t o o m e a n t i m e ，w i t h o u tc h a n g i n gt h en o r m a ld e s i g ns y s t e m ，r a i s i n ge f f i c i e n c y a n dr e d u c i n gn o i s ea r ee m p h a s i z e d as e to fs o f t w a r eu s e dt oc o m p u t ea n dd i s p l a yt h e b l a d e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e si nt h ef l o wf i e l di si n t r o d u c e da n d p r o g r a m m e d a s f o r r e d u c i n gn o i s e ，t h en o i s ea n dp o w e r o ft h ez 4 0 0s e r i a la x i a lf a n sw h i c hh a v eb e e nw i d e l y u s e di nt h ep r e s e n to u t e ro ft h ea i r - c o n d i t i o n e ra l em e a s u r e d w h a t sm o r e a b o u tt h e c u r r e n tr e s e a r c h i n gh o ts p o to fa x i a lf a n ，s w e p t & s k e w e db l a d e ，w h e t h e ri tc a nb eu s e di n t h ea x i a lf a no f o u t e ro f t h ea i r - c o n d i t i o n e r , s o m ei n i t i a la n a l y s e sa n dd i s c u s s i o na r ec a r r i e d o n a tl a s t ，s o m ei m p r o v i n gs u g g e s t i o n st h a tc a l lr a i s ee f f i c i e n c ya n dr e d u c en o i s eo ft h e a x i a lf a na l em a d e k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o n e r , a x i a lf a n ，b l a d e ，n o i s e 华中科技大学硕士学位论文 1 1概述及问题的提出 1绪论 随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，空调的使用已经越来越广泛了， 特别是目前最流行的分体式空调，由于其外形美观、工作噪音低、使用方便、占用 空间小等优点，在家庭中使用的比例已经远远超过了窗式和柜式空调。而在分体式 空调的室外体中，使用的则是大流量的低压、低速的轴流式通风机。 由于目前使用的空调用室外体轴流风机叶轮和工业用轴流风机叶轮，在叶片形 状上有很大的不同( 如图1 一l 所示) ，这其中必然自有其道理，其各自的规律究竟 是什么样的? 如何认识和理解这一规律? 弄清这两个问题，是很必要的。它能使我 们设计出的风机更趋于合理，因此，研究此问题是很有实际意义的。 0 空调用室外体轴流叶轮 工业用轴琉叶轮 图1 1 两种轴流风机叶轮的轴f 句对比圈 目前我国大量使用的低压、低速的轴流式通风机，普遍存在着效率低、噪音高 的缺点。而空调用的轴流式通风机又安装在住宅和办公区域，由于环境保护的要求， 降低通风机的噪声是很迫切的工程问题；另一方面，从节约能源来考虑，风机在广 阔的工作范围内又必须具有高的效率。而且降低噪声必须从噪声源也就是风机 本身来降低噪声，才是最根本的方法。而不能够从噪声的传播途径上来消除噪声， 比如加装消声器等等。因此，这就迫切要求研制高效低噪的空调用轴流通风机。高 效与低噪并不是两项无关的指标。而是相辅相成的。噪声是一种在弹性介质中传播 华中科技大学硕士学位论文 的机械波是需要消耗能量的。如果我们的思路开阔一点，把噪声也当成是轴流风 机的一种能量损失，也未偿不可。如果我们再从噪声源上入手来解决噪声的问题， 或者说解决了一部分损失问题，不也是在提高通风机的效率吗? 因此，高效与低噪 实际是两个密切相关的问题，也正是本课题所要达到的目的和关键所在。 从1 8 5 3 年人类首次提出轴流式压缩机的设想至今，已有近1 5 0 年的历史了。 在这1 5 0 年的发展历史中，仅从设计轴流式通风机的理论方法看，就曾经有过三种 有着极其深远意义的设计方法，它们分别是：传统设计方法，以及较新的优化设计 方法，还有目前最为流行的三元和准三元设计方法。正是由于这些新的理论、新的 方法不断地补充和完善着轴流式通风机的发展。因此，可以说轴流式通风机的设计 理论是一门既古老又年轻的很有活力的理论。 1 2 国内外研究的现状 经过多年的发展，我国已经成为空调和空调用风机的生产和消费大国，而且有 很多产品已经出口到国外。 在1 8 5 3 年都纳尔( t o u m a i r e ) 向法国科学院提出了多级轴流式压缩机的概念。 1 8 8 4 年英国c a 帕森斯( p a r s o n s ) 得出一台实验用的轴流式压缩机，但效率很低。 二十世纪初，帕森斯制造了第一台轴流式压缩机。但由于效率低，故未能成功地应 用。 从二十世纪三十年代开始，由于航空事业发展的需要，对航空燃气轮机进行了 大量的理论和试验研究，特别是对轴流式压缩机的气动力学的理论研究和平面时栅 吹风的实验研究，使轴流压缩机的效率提高到了8 0 8 5 。至今，轴流式通风机和 压缩机仍处于不断地发展中，近年来，各国学者发表了很多有关轴流式通风机和压 缩机的论文，综合来看，论文主要集中在以下几个方面：1 如何进一步提高轴流 式通风机的效率。2 降低轴流式通风机的噪声。3 在轴流式通风机的设计中采用 优化设计方法或者三元、准三元设计理论。4 对轴流式通风机内部流场的数值模 拟。5 采用新型的弯掠叶片来设计轴流式通风机。 1 3 本文的主要工作 华中科技大学硕士学位论文 从以上国内外对轴流风机的研究的现状来看，很多都是对轴流风机设计方法的 改进，以及对轴流风机内部流场的数值模拟。对轴流风机叶片形状的研究，目前只 是新型的弯掠叶片研究的比较多。而从风机的传统的设计方法的角度来对叶片形状 的分析，这方面的工作进行得很少，因此，本文就主要从目前还是应用得比较多的 轴流风机的传统设计方法入手，来对叶片形状进行对比分析。 针对以上研究现状与目前存在的问题，本课题根据导师多年的研究实践经验， 与目前我国空调用风机的主要生产商之一的广东省顺德市顺威电器有限公司合作。 从目前广泛采用的轴流式通风机的设计方法出发，对空调用室外体轴流风机叶轮和 工业用轴流风机叶轮，在反映轴流风机叶轮几何形状的主要特征参数( 弦长) 以及 反映流场的主要特征参数( 风压、轴向速度和扭速) 沿叶轮径向的分布规律来揭示 这两类风机的内在规律，并从空调用室外体轴流风机和工业用轴流风机各自的特点 来探讨这一规律的成因。这是研究这一类风机内在规律的初步尝试。同时还对某一 系列的空调用室外体轴流风机的噪声进行了测量和分析。 本文主要的研究工作归纳如下： 1 以径向平衡方程为基准，导出了各种有关流型的速度变化规律( 计算公式) 。 2 从目前广泛采用的轴流式通风机的设计方法出发，第一次较全面系统地对 空调用室外体轴流风机叶轮和一般工业用轴流风机叶轮流场的特征值进行了对比计 算和对比分析。在理论上说明了空调用室外体轴流风机叶轮采用“有反常规”的叶 片形状的合理性。 3 对目前空调用室外体轴流风机所存在的噪声的问题也进行了实验与分析， 并提出了改进的意见和方法。 4 从目前被认为较先进的弯掠叶片能否应用在空调用室外体轴流叶轮中为出 发点，研究了这一应用的可行性，并提出了本文自己的意见。 5 编制了一套用于分析、计算以及显示这两种风机叶轮和流场的计算机应用 程序。 6 给出了本研究所得出的主要研究结论，并对今后的工作提出了建议和展望。 由于轴流通风机的设计归根结底就是叶片形状的设计，而对在风机行业中长期 从事一般工业用轴流风机设计的工程技术人员而言，无论从气动性能还是从强度的 角度来看，目前空调行业中所使用的轴流风机叶轮，其叶片的结构形式都是不尽合 乎常理的，甚至是有反常规的。因此，本文的一个重点就是通过对比一般工业用轴 华中科技大学硕士学位论文 流通风机和空调用室外体轴流通风机叶片结构形式的差异( 如图1 1 所示) ，来 说明目前所使用的这种空调用室外体轴流风机叶片形状在满足空调室外体中进行热 交换( 第三章的内容，至今未见这方面进行系统、全面探讨的文章) 和降低噪声方 面的合理性，以及如何在此基础上继续加以改进( 第四章和第六章的内容) ，以达 到增效和降噪的目的。 另外，为了使设计者能够很直观地看到自己设计和改进后空调用室外体轴流风 机叶轮的叶片形状，以及风机内部流场特征值的状况。本文除了编制了很多绘制轴 流风机叶轮和叶片流场特征值沿叶高变化的图形显示程序，而且图形显示部分在总 的程序工作量中占了很大一部分。最后，本程序的设计者还按照w m d o w s 风格为 这些程序设计了一个共同的操作介面，使所有的这些程序功能都有机地统一在了一 个共同的操作环境中，这部分的具体内容见第五章。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 轴流风机的基本流动机理 二十世纪初，由于航空事业的迅速发展，对机翼理论进行了广泛的实验研究， 其研究结果大大促进了轴流式风机的发展。迄今，孤立翼型的升力理论和实验数据， 仍然是轴流式通风机设计的主要依据之一。从上个世纪三十年代开始，随着航空发 动机的日新月异，对叶栅理论又进行了大量的实验研究，其研究结果即所谓平面叶 栅实验数据，是设计轴流式压缩机或高压轴流式通风机的主要依据。 2 1轴流风机的工作原理及进出口速度三角形 按照我国风机的分类，风压在4 9 0 0 p a 以下，气体沿轴向流动的通风机称为轴流 通风机。 在研究轴流通风机内的流动现象时，一般只对级进行分析。级是由叶轮和导叶组 成。由于其不同半径上轴向流动面均处于离心力场的作用下，气流参数是变化的， 因而其动叶片一般沿叶高方向呈扭曲状。为了便于研究不同半径流面上的气体流动， 习惯上是把同一半径上的环形叶栅展开成平面叶栅来研究，这种平面叶栅包括 动叶和导叶叶栅的组合，称为基元级。可以看出，气流流经同一环形叶栅所有叶片 时，其流动条件是相同的。而级可以看成是无穷多个基元级组成。 图2 1 基元i 夏及速度三角，l ； 华中科技大学硕士学位论文 现在来看任意半径上基元级的气体流的情况，如图2 1a ) 所示。在叶轮进口 i i 截面处，气流以绝对速度c 。流入叶轮，由于叶轮以圆周速度u 。作牵连动。故 相对于叶轮而言，气体从相对速度w 。进入叶轮叶栅。因而在l 一1 截面上由c 。、u 。 ，三个速度向量组成了进口速度三角形。同样，在叶轮叶栅出口，气体以相对速度w 。 流出。出口圆周速度u ：也为己知，则叶轮叶栅出口绝对速度c ：也随之而定。这样， 在2 2 截面，由w ：、u 。、c ：组成了叶轮叶栅出口速度三角形。为了研究方便起见， 习惯上将进出口速度三角形画在一起，如图2 一lb ) 所示。其中c 。：和c ：分别为c 。 知c ，的轴向分速度，o 、口分别表示气体绝对速度和相对速度方向与旋转方向之夹 角，即气流角。 ：1 1 基元级的藏动 对于圆柱体级的基元级的流动，u ，= u 。= u 。 另外，由于轴流通风机中的压升很小，气体的密度看成不变p ，= p ：= p 。 由叶轮进出口速度三角形的几何关系，可得气流的平均相对速度w 及其方向角 b 。 = c ；+ w 三。 ( 2 1 ) 。= 喀二三一 ( 2 - 2 ) 式中w u - 为w 在圆周方向的投影。 。一等_ 。 a w , = w l “一w 2 v 可以看出，当u l = u2 = u 时， 叱= w l - 一w 2 “= a c - = c 2 “一c h a w 。或ac 。称为扭速，它表征气流在叶栅中的偏绕现象。 口导叶，故c l u = 0 ，即ac 。= c 2 。 w 、b 和ac 。是通风机计算中的重要参数。 ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) ( 2 - 5 ) 在本文中，由于无进 1 2 i 2 叶轮对气体的功 在分析了级中气体流动情况后，就可以研究叶轮对气体做功的大小。由欧拉方 6 华中科技大学硕士学位论文 程式知道，叶轮叶栅传给每公斤气体之功或理论能量头为： h r = 三( c 2 。“2 一c l 。“1 ) ( 2 6 ) g 考虑到u 。= u 2 则有： h ，= - u ( c 2 。一c l u ) ( 2 7 ) g 通风机的理论全压力为( 不考虑损失) ： p i = 7 h 。= y - u ( c2 。一c l 。) = p u ( c 2 。一c t u ) = p u a c 。 ( 2 _ 8 ) g 式中：p 气体密度。 通风机的实际全压力为( 考虑流动损失) ： p = yh ，n = pu c n( 2 - 9 ) n 通风机的全压效率： p 通风机的全压： 式( 2 9 ) 是计算通风机的基本方程。 式( 2 8 ) 还可写成另一形式，由基元级速度三角形知： p t = pu ( c 抽一c 】u ) = pu ( c 2 c o s q2 一c ! c o s d 】) 当c iz = c 2 z = c ：时： c 2 c o s o2 3 u c 2 c t 9 1 3 2 。】c o so1 3 u c 2 c t 9 1 3l p 。= pu c ：( c t 9 1 3l c t gb2 ) ( 2 - 1 0 ) 从式( 2 1 0 ) 可知，增加p 。有下列三种途径： 1 增加叶轮的圆周速度，但它受叶片材料的强度和其它条件的限制。 2 要使p 。 o ，必须1 3 。 1 3 ，。ab b ：一b ，称为气流转折角。增大气流转折角 b 可以增加p 。，但气流转折角太大将引起效率的急剧下降，一般ab 等于 4 0 。4 5 。 3 增加轴向速度c ：亦可增加p 。，但主要是增加动压头。一般的轴流通风机 c 7 3 0 4 0 米秒( 最大可达6 0 米秒) 。 由上述分析可看出，由于各种条件限制，单级轴流通风机的增压是不大的，一 般很少超过2 1 5 0 p a 。在本文所采用的八组轴流通风机中，全部为不带导叶的单级轴 流通风机，其中增压最高的只有1 8 5 0 p a 。 华中科技大学硕士学位论文 轴流通风机的特性曲线可表示为在既定转速下，风压p 、功率n 及效率r l 与流 基q 之间的关系。这里我们着重分析压力与流量的特性曲线。 ：z 2 1p q 曲线 轴流风机是按照最佳工况点设计的。当风机处于小流量情况下运转时，风机将 表现为非稳定状态，此时，叶片内部气流的流动情况趋于复杂化，图2 2 为轴流风 饥的典型特性曲线。 q 为了便于分析，可将曲线分成四个区域，这四个区域中，叶片内部的流动情况 ：分析如下： 1 当风机在正常流量下运转时，其工作范围在最隹工况点附近，对应于图2 2 中的区域a 。 2 当流量减小时，人们观察到，在动叶顶部的进口端最先出现逆流。进口端旋 涡的产生，使得流入叶轮的气流挤向轮毂，导致轴向速度增加，出口气流绝对速度 c ：的旋绕减少，因而使得风机的排出压力随着流量的减少而下降。见图2 2 的区 域b 。 3 当流量继续减小时，叶片进口侧的旋涡区继续扩大挤向轮毂。此时，叶片间 流道内的气体离心力与径向压力己不能维持平衡，气流不再沿轴线方向流动，而开 8 华中科技大学硕士学位论文 始沿倾斜方向流动。叶片根部附近的轴向速度开始减少，并开始出现逆流。如图2 2c 所示。 4 当流量进一步减小时，叶片进口侧涡流区迅速扩大，气流在离心力作用下， 沿径向流向壳体。叶片出口侧根部发生失速，导致逆流区扩大。此时，随着轴向速 度的减少，出口气流绝对速度c ；旋绕增加，使得压力重新上升。如图2 2 的区域d 所示。 轴流通风机在小流量区域出现凹部特性属于不稳定工况。凹部的有无，与叶栅 设计所取的参数有关。但仅以设计参数判断是不完全可靠的。有关试验研究表明当 压力系数f 在o 1 以下时，曲线不出现凹部。f o 1 时，开始有凹部。f o 2 5 时，皆有凹部。压力系数歹= o 1 0 2 5 时，设计流量系数越大，越容易出现凹部。 此外，比转速对曲线凹部的有无，没有显著的影响。关于凹部特性的问题，尚 有待进一步研究。 2 2 2 轴流风机特性曲线 典型轴流风机特性曲线如图2 3 所示。一般机翼形叶片的风机，在小流量时 其功率特性变化较平缓，最大功率位于最高效率点附近。 圆弧板形叶片的风机( 空调用室外体风机多为这种叶片) ，小流量时的主要特点 是零流量的功率最大。故此种风机不宜关闭启动。即使是机翼形叶片的风机，其零 流量的功率也不小。因此，轴流风机不象离心风机那样具有启动功率小的优点。 9 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! 竺! 苎! ! ! ! 烹! ! ! 竺= = 11 1 1 1 1 1 1 竺 3 流场特征值的计算与分析 轴流风机的叶轮作为能量交换元件，其能量转换的效果，主要取决于叶片型面的 形状和叶轮的结构型式。而要设计出高效节能低噪的叶轮，就必须了解其运动特征、 内部气流特征及相互关系，进而设计出符合要求的扇叶几何形状。 由于空调用室外体轴流风机与工业用轴流风机的设计要求和应用场合有很大的不 同，本章首先推导出各种流型的速度计算方程，然后，在对比计算和分析这两种轴 流叶轮的流场特征值后，首次从原理上阐明了在空调用室外体轴流风机叶轮中采用 大弦长、反分布规律的叶片的合理性。 3 1 计算公式的推导 轴流通风机气动设计通常有自由涡流( 等环量级) 和变环量级等多种设计方法。 对于大轮毂比( v 0 5 ) 的轴流通风机，采用自由涡流设计方法，能够取得令人满 意的效果。而小轮毂比( v 0 5 ) 的轴流通风机，由于叶片较长，当采用自由涡流 设计方法时，叶片安装角从顶部到根部变化很大，使得叶片沿叶片展向( 半径方向) 的扭曲度很大，特别是叶片根部的扭角很大，增加了叶片的加工难度。同时，因叶 轮顶部气流速度的周向分量c 。值过小，不能充分利用外周较高的圆周速度。而且， 由于轮毂比v 较小，采用自由涡流会导致气流状况的恶化。因此，对小轮毂比的轴 流通风机，通常采用变环量进行设计计算。 3 1 1 各截面压力的计算公式 由流体力学推得： p = p u h c 。碍 式中：p 气体密度，( k g m 3 ) u 计算截面的圆周速度，( m s ) e 计算截面的扭速，( m s ) n 风机的效率 ( 3 1 ) l o 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 弦长的计算公式 1 对空调用室外体轴流叶轮来说，叶片数少是其特点之一，因此多采用 “孤立翼型法”设计，此时弦长为： b：塑(3-2) 0 = 一 c z 印形，7 式中：c 计算截面的升力系数 p 气体密度，( k g m ” z 叶片数，( 个) p 计算截面的压力，( p a ) 吸计算截面进出口相对速度的平均值，( m ，7 s ) u 叶轮角速度，( 弧度) n 风机效率 2 目前工业用轴流风机多采用平面叶栅法设计，应首先计算出各截面的气流角 屈、屈和气流转折角，再根据= 筇和屈= 历，由叶栅的额定特性线查 出叶栅绸度6 f ，再根据叶片数确定各截面之栅距f = 生z 。最后才求出弦长b ( = 一b ，) 。 3 1 3 各截面釉向逐厦的计算公式 根据欧拉动量矩方程，单独叶轮级的风机叶轮叶栅传给单位质量气体的机械功 为： 丘= r a n t 2 。 ( 3 3 ) 鲁= 蛾孑d c 2 ( 3 叫 在叶轮出口处c ：。与c 2 ：应满足简单径向平衡方程： 孕：堕+ c 2 。拿+ 丢擘( 3 - 5 ) d rr“d r2d r 华中科技大学硕士学位论文 将( 3 - 4 ) 与( 3 - 5 ) 式联立解得： 孕：2 业掣( w 一垒) ( 3 - 6 ) a rc l rr 式( 3 6 ) 给出了c ：。与c ：之间的相互关系，其边界条件为c ：( r 卅) = c 2 。 1 对于空调用室外体轴流风机来说，本文作者对国内外大量的分体式空调用 室外体轴流叶轮作了研究分析和反设计，发现其设计多采用a c 。= a 这样一种接近 于“固体涡”的变环量流型，而采用c i ，= 口的变环量流型时，对于单独叶轮级的 轴流通风机有：a c 。= c ：。( ，) = 常数，各计算截面的轴向速度计算公式如下： c ；z ( r ) = 2 c 2 。( “一c 2 。t ，) + c ( 3 7 ) 其中积分常数c 可由平均半径处c 2 。( r ) = c 2 。来确定得到： c = c ：2 z 埘一2 c 2 。( u 。一c ：。z 。) ( 3 - 8 ) 利用( 3 - 7 ) 、( 3 8 ) 两式，即可计算空调用室外体轴流风机叶轮各计算截面的轴 向速度c ，了。 2 对于一般工业用轴流叶轮来说当采用指数为n 的变环量流型时，有： c 。，”= c 2 。= 常数 ( 3 9 ) 其中，下标m 表示平均半径处。所以有： c ：。= ( 卫) ”c ：。( 3 - 1 0 ) 式中c 2 。，为平均半径处的出口绝对速度的周向分速度。 将( 3 1 0 ) 时代入( 3 - 6 ) 式，并整理后得： a t _ - ；z = 2 ( 1 一 ) 名c 2 。( 纠一一r - ( 2 n + 1 ) 蝶c 2 。) ( 3 1 1 ) a ， 求解( 3 一1 1 ) 式，可得： c 乏：2 0 - - , ) r ，n c 2 。( 芝+ 芸rc 2 。) + c ( 3 - 1 2 ) 式中，c 为积分常数，可利用平均半径处： 将( 3 - 1 3 ) 式及( 3 1 4 ) 式代n ( 3 1 2 ) 式即可得 ( 3 1 3 ) f 3 1 4 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 c 一2 z - - 2 ( 1 一胛) c c 2 。( 篱+ 丢( c ：。) ( 3 - 1 5 f ) l 一胛z 利用( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 及( 3 1 5 ) 式，即可计算变环量流型的轴流叶轮各 截面的轴向速度c ：了。 3 当采用等环量设计时，由径向平衡方程可知：c 2 。= 常数。 3 1 4 各截面扭速的计算公式 假设通过轴流通风机的气体流动为不可压缩、稳定的理想气体，即气流流过通 风机级时，没有任何能量损失，可以得到单级轴流通风机基元级的理论全压p 十。l i s ( 跆 p “t h s 一- - pu ( c = 。- c j 。) = pua c u( 3 - - 1 6 ) 由于在本文中所采用计算的风机，均为轴向进气的单独叶轮级，故：c 。= 0 ，因 p 。f t h s = pu c 2 。( 3 1 7 ) 再假设风机的全压效率n 。，沿叶高各截面均匀分布，则由全压效率的定义可得： ”! ! ! 竺：宣唑堡 ( 3 _ 1 8 ) 仉。商。荔 叫剐 一：型曼丛芸堕( 3 - 1 9 )“ 3 ( 1 一v 2 、 c ：。= 糕 。0 当采用等环量( 自由涡) 和变环量流型时 计算： 盼华 = 警 ( 3 2 0 ) 各截面的扭速ac 。可按以下各式 ( 3 2 1 ) ( 3 - - 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 a c 。= 二一 ( 3 - - 2 3 ) p u m a c 。一= a c 。r ” ( 3 2 4 ) 当n = l 时，即为等环量流型。 首先，由( 3 - - 2 1 ) 、( 3 2 2 ) 及( 3 2 3 ) 式，计算出平均半径处的ac u - 再根据( 3 2 4 ) 式，计算出各截面的扭速ac 。，由于本文均为轴向进气的轴流风机，c 。= o ， 即ac 。= c ：。，即为扭速。与固体涡流型相同，此时仍然假没风机的全压效率r l 。r 沿叶 高各截面均匀分布。 3 2 原始计算参数的选择及计算结果 3 2 1 原始计算参数的选择 由于在空调室外体中使用的轴流风机，全部都是单独叶轮级。因此，为了便于说 明问题、便于对比，文中也选用了四组一般工业用轴流风机，也全部都是单独叶轮 级。而且，空调用室外体轴流风机的设计参数与工业用轴流风机的设计参数，尽可 能相一致或相近，比如，气体密度全部都是空气( 1 2 千克立方米) 。这四组空调用 室外体轴流风机和四组一般工业用轴流风机的原始设计参数，见表3 1 。 表3 1空调用室外体轴流风机和工业用轴流风机的原始设计参数 参数说明空调用室外体轴流叶轮工业用轴流叶轮 组别四 四 全压( p a ) 4 03 53 31 51 4 01 2 4 86 0 01 8 5 0 风量( m 3 s ) o 3 5o 4 7 60 3 6 3o 3 5 l2 1 71 61 33 8 气体密度( k g m 3 ) 1 21 21 21 21 21 21 21 2 叶片数( 个) 544 41 01 21 01 8 电机转速( r p m ) 1 2 5 07 5 08 0 06 5 5 1 4 5 01 4 5 01 4 5 09 6 0 叶轮外径( m ) o 3o 4o 3 6o 3 8o 50 6 30 81 5 1 4 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ i - 根据以上原始设计参数，分别计算表中八组轴流叶轮的参数。计算时，从叶根到 叶顶分成了九个计算截面。对每组叶轮分别计算这九个截面上的压力、弦长、轴向 速度和扭速。由于目前工业用轴流风机叶轮，采用等环量和变环量指数为o 5 的设 计比较多，因此，对工业轴流风机叶轮中的前两组，采用的是变环量指数为o 5 的 设计，而对后面两组叶轮则采用等环量设计。 3 2 2 计算结果 空凋用空外体轴流叶轮叶片和工业用轴流叶轮叶片的弦长、压力、轴向速度及 扭速的计算结果，分别如表3 2 、表3 3 、表3 4 及表3 5 所示。其中， 截面】为轮毂截面，截面9 为叶顶截面。 表3 2轴流叶轮叶片的弦长的计算结果( 单位：米) 截面空调用室外体轴流叶轮工业用轴流叶轮 位置四四 l0 0 3 80 0 8 8o 0 8 l0 0 4 90 0 4 70 0 4 00 0 6 80 4 2 1 2o 0 4 5o 1 0 30 0 9 30 0 5 80 0 4 60 0 3 80 0 6 70 4 1 9 30 0 5 l0 1 1 6o 1 0 40 0 6 60 0 4 40 0 3 70 0 6 60 4 l l 40 0 5 70 1 2 9o 1 1 50 0 7 40 0 4 20 0 3 50 0 6 40 4 0 0 50 0 6 3o 1 4 30 1 2 80 0 8 20 0 3 90 0 3 30 0 6 20 3 8 4 60 0 6 9o 1 5 9o 1 4 20 0 9 20 0 3 6o 0 3 10 0 6 00 3 6 5 70 0 7 7o 1 7 8o 1 5 9o 1 0 30 0 3 30 0 2 80 0 5 70 3 4 2 80 0 8 70 2 0 0o 1 7 90 1 1 60 0 2 90 0 2 60 0 5 4o 3 1 7 90 0 9 80 2 2 80 2 0 4o 1 3 20 0 2 50 0 2 30 0 5 00 2 8 8 华中科技大学硕士学位论文 表3 3轴流叶轮叶片的压力的计算结果( 单位：p a ) 截面空调用室外体轴流叶轮工业用轴流叶轮 位置 四四 11 8 1 2 21 8 2 1 81 9 0 4 4 7 3 0 11 2 8 9 6 2 1 1 7 3 0 26 0 01 8 5 0 22 5 0 7 42 3 1 6 32 3 0 5 3 9 6 0 71 3 1 9 8 81 1 9 3 1 26 0 01 8 5 0 33 0 7 1 22 7 4 8 5 2 6 6 4 21 1 5 9 01 3 4 8 1 9 1 2 1 2 2 56 0 01 8 5 0 43 5 6 0 53 1 3 9 3 2 9 9 3 41 3 3 6 81 3 7 4 8 31 2 3 0 5 16 0 01 8 5 0 54 0 0 0 03 5 0 0 0 3 3 0 0 01 5 0 0 01 4 0 0 0 0 1 2 4 8 0 06 0 01 8 5 0 64 4 0 3 13 8 3 7 4 3 5 8 8 71 6 5 2 l1 4 2 3 8 8 1 2 6 4 7 86 0 01 8 5 0 74 7 7 8 14 1 5 6 23 8 6 2 61 7 9 5 51 4 4 6 6 21 2 8 0 9 26 0 01 8 5 0 l 85 1 3 0 34 4 5 9 34 1 2 4 2 1 9 3 1 51 4 6 8 3 31 2 9 6 4 76 0 01 8 5 0 l 95 4 6 3 84 7 9 4 94 3 7 5 12 0 6 1 51 4 8 9 1 21 3 1 1 4 86 0 01 8 5 0 表3 4轴流叶轮叶片的轴向速度的计算结果( 单位：米秒) 截面空调用室外体轴流叶! 沦工业用自流叶轮 位置 四四 10 5 7 70 6 0 72 1 3 21 6 0 72 4 8 6 11 3 7 7 15 9 1 1 5 4 2 1 6 4 23 1 3 32 5 0 13 0 8 12 4 4 52 4 9 7 01 3 9 0 25 9 1 1 54 2 1 6 4 34 2 6 63 4 2 73 7 5 82 9 9 42 5 0 7 21 4 0 2 75 9 1 1 54 2 1 6 4 45 0 7 64 1 0 94 2 9 93 4 1 62 5 1 6 91 4 】4 55 9 1 1 54 2 1 6 4 05 7 2 14 6 6 04 7 5 53 7 6 22 5 2 6 11 4 2 5 85 9 1 1 54 2 1 6 4 66 2 6 15 1 2 85 1 5 14 0 5 82 5 3 4 91 4 3 6 55 9 1 1 54 2 1 6 4 76 7 3 05 5 3 75 5 0 34 3 1 82 5 4 3 31 4 4 6 85 9 1 1 54 2 1 6 4 87 1 4 55 9 0 15 8 2 14 5 5 12 5 5 1 31 4 5 7 65 9 1 1 54 2 1 6 4 l 97 5 1 96 2 3 16 1 1 1 4 7 6 22 5 5 9 01 4 6 6 25 9 1 1 54 2 1 6 4 1 6 华中科技大学硕士学位论文 表3 5轴流叶轮叶片的扭速的计算结果( 单位：米秒) 截面空调用室外体轴流叶轮工业用轴流叶轮 位置四四 12 6 8 92 7 5 32 6 9 81 4 2 24 8 3 93 0 0 51 2 4 7 33 4 3 6 5 22 7 7 02 8 6 62 7 8 61 4 8 84 7 2 82 9 5 51 1 9 0 83 2 3 2 6 32 8 2 1 9q 4 9 2 8 5 41 5 3 54 6 2 92 9 0 81 1 4 1 33 0 6 1 2 42 8 5 93 0 1 52 9 1 01 5 7 24 5 3 9 2 8 6 51 0 9 7 52 9 1 4 5 02 8 9 03 0 7 02 9 5 71 6 0 34 4 5 8 2 8 2 51 0 5 8 42 7 8 7 0 1 62 9 1 53 1 1 82 9 9 91 6 2 94 3 8 32 7 8 71 0 2 3 2 2 6 7 4 9 7 9 口3 7 3 1 5 93 0 3 61 6 5 24 3 1 42 7 5 29 9 1 32 5 7 5 3 8 7q 五 3 1 9 73 0 6 91 6 7 24 2 5 02 7 1 99 6 2 22 4 8 6 1 9 9q 7 3 3 2 3 03 1 0 01 6 9 04 1 9 12 6 8 89 3 5 52 4 0 5 5 3 3 数据的处理与分析 从表3 2 轴流叶轮叶片的弦长的计算结果来看，空调用室外体轴流风机叶轮叶 片的弦长，从叶根截面到叶顶截面是逐渐增加的。而且叶顶截面的弦长是叶根截面 弦长的2 j 至4 倍。而一般工业用轴流风机叶轮叶片的弦长的情况则正好相反，从 叶根截面到叶顶截面是逐渐减少的。 对于计算出的空调用室外体轴流风机叶轮叶片和工业用轴流风机叶轮叶片的流场 特征值的轴向速度、压力和扭速的变化曲线图见图3 1 至图3 6 。为了更好地 分析它们之间的区别以及规律性和共性，本文用线性一次方程的最小二乘法，对它 们进行了拟合。这样就可以更直观地看出参数变化的趋势。所有的拟合结果，如表 3 6 、表3 7 及表3 8 所示。需要指出的是，式中x 是截面位置，其坐标原 点位于轮毂截面以下的一个假设位置处，y 是轴向速度、压力或者扭速，其坐标原点 的位置与x 相同。对于工业用的后两种轴流叶轮，由于是用等环量计算，故轴向速 变、压力和扭速沿径向为常数。 华中科技大学硕士学位论文 8 0 6 0 4 0 2 0 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 截面1 截面2 截面3 截面4 截面5 截面6 截面t 截面8 截面g 圈3 1 空调用室外体轴漉风机轴向速度分布圈 截面1 截面2 截面3 囊萄4 蕾面5 截面5 截面t 截面8 截面g 圈3 2ti p 用轴流风机轴晦速度变化曲蠖 12345 6t8g 圈3 3 空调用室外体轴流风机各截面的压力分布 1 8 华中科技大学硕士学位论文 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 截面l 截面2 截面3 截面4 蕾面5 截面6 蕾面t 湎8 蕾面9 圈3 4 工业用轴漉风机压力受化曲线 3 5 3 2 5 2 l5 1 0 5 0 截面1 截面2 截面3 截面i 截面s 蕺面6 截面t 截面b 截面9 囝3 5 空讽用室外体轴i 砜机扭速变化曲战 截面1 截面2 截面3 截面4 截面5 截面6 截面7 截面8 截面9 固3 6 工业用轴流风机扭速娈化曲线 1 9 们辐笛圬0 0 华中科技大学硕士学位论文 表3 6轴流叶轮叶片的压力的拟合结果 组别空调用室外体轴流风机工业用轴流风机 y = 4 4 5 3 2 x + 1 6 3 1 2y = 2 4 8 2 1 x + 1 2 7 1 5 y = 3 6 0 8 8 x + 1 6 0 9 8y = 1 7 2 5 8 x + 1 1 5 9 3 y = 3 2 5 2 9 x + 1 6 4 1 8y = 6 0 0 四y = 1 6 5 5 7 x + 6 2 7 7 2v = 1 8 5 0 表3 7轴流叶轮叶片的轴向速度的拟合结果 组别空调用室外体轴流风机工业用轴流风机 y = o 7 6 5 3 x + 1 3 3 2 3y = o 0 9 0 8 x + 2 4 7 9 3 y = o 6 3 3 8 x + 1 0 5 4 7y = o 1 1 1 5 x + 1 3 6 8 4 y = o 4 7 4 6 x + 2 13 9 2y = 5 9 1 1 5 四y = o 3 6 4 5 x + 1 7 1 3 6y = 4 2 1 6 4 表3 8 轴流叶轮叶片的扭速的拟合结果 组别空调用室外体轴流风机工业用轴流风机 y = o 0 3 3 x + 2 7 0 2 6y = 一0 0 8 0 2 x + 4 8 8 2 2 y = o 0 5 7 1 x + 2 7 5 4 3y = 一0 0 3 9 4 x + 3 0 3 0 9 y = o 0 4 8 5 x + 2 6 9 1 8y = 一0 3 8 4 6 x + 1 2 6 4 2 四y = o 0 3 1 9 x + 1 4 2 5 2y 一1 2 6 2 5 x + 3 4 7 2 8 从表3 6 可以看出，除了按等环量设计的风机以外，从叶根到叶项的各截面压 力的变化率，也就是一次项系数，两种风机差不多，但由于空调用室外体轴流风机 属低压风机，轮毂比较小，因此，它们的叶项截面压力与叶根截面压力的比值，要 华中科技大学硕士学位论文 大于工业用轴流风机叶轮的叶顶截面压力与叶根截面压力的比值。两种轴流叶轮的 压力沿直径变化的示意图见图3 7 。 轴 7 直 二