风机基础知识

1、风机基础知识1、风机的介质：空气;2、风机原理；3、风机性能;4、噪声机理及降噪措施;5、安装方式对噪声的影响;6、简介富丽华的发展方向;培训教材 第一节：风机的介质空气第一节：风机的介质：空气 风 自然风是 大气层中空气对流的一种自然现象，也就是 由于空气的温度和密度发生了变化，而产生压力差别，即是压力高的空气向低压力区域流动而来的。风里含有一种能量，叫做“风能”。衡量风能大小的尺子是“风压”，风压的大小与风速的平方成正比，风速大，风压亦大，风速小，风压亦小。以风速的大小做尺子，把“风”分成以018级的18个等级，每个风级取有名字从低到高，即：静风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、大风、

2、烈风、狂风、暴风、飓风。静风的风速低于0.2m/s。飓风的风速在32.736.9m/s，这级风有着非常大的摧毁力。17级的风速为36.161.2m/s。对于风机来说，只要测出它的风速是多少，就可知道这个风机能造出几级风了。 一般三级自然风就可推动风车发出电来。科学家预测了一个数字：地球表面上所接受的太阳能中大约有1.5%2.5变成为大气层中的风力，在整个大气层中的总风力约为3亿亿KW，即全年大约有26万亿亿kwh的能量。可以用来发电的风能又至少有10100亿KW之多，比全世界可利用的水力发电资源还要大出4倍；全世界每年燃烧煤所获得的能量，也只有风力在年内所提供能量的三千分之一。第一节：风机的介

3、质：空气 连续性假设 任何实际气体都是由大量微小的分子所构成，而且每个分子都在不断地作无规则的热运动。分析物质运动的最基本方法是对每一个分子运用运动定律，分析每一个分子的运动规律，然后用统计的方法求得大量分子微观量的平均值。这种方法通常作为统计力学的方法，它对实际计算显得太烦琐。因为气体力学的任务是研究气体的宏观运动规律，所以，在气体力学的领域里，一般可以不考虑实际气体的微观结构，而用另一种简化的模型来代替气体的真实微观结构。 认为气体是一个连续性的介质，它充满一个体积时是没有任何自由空隙的，其中没有真空的地方，也没有分子间的间隙和分子的运动。在大多数情况下，利用这个简化的模型所得到的计算结果

4、和实验结果可以很好的符合。有了这个简化的模型，我们就不必研究大量分子的瞬时状态，只要研究描述气体宏观的物理量，如密度、速度、压强、温度就可以了。在连续性介质中，可以把这些物理量看作是空间坐标和时间的连续函数。因而在处理气体力学问题时，就可以广泛地应用数学上有关连续函数的解析方法。第一节：风机的介质：空气 状态方程 气体的状态可以由压强（P）、温度（T）、密度（）等参数来描述。实验表明，在这些基本参数之间存在一定的关系。如果忽略分子本身的体积和分子之间的相互作用力，P、 T、之间的关系可以由状态方程： P=R T来表示 其中R为气体常数，R=287.06焦耳/（千克度） 气体的另一个热力学特性是

5、它的比热。通常应用两种比热，即定压比热（Cp）和定容比热（Cv），其间的关系为： Cp-Cv=R 气体比热只是温度的函数。在一般理论分析和设计计算中假定比热是常数。第一节：风机的介质：空气 气体的压缩性 压缩性是气体的重要属性，它表明当气体的压强变化时气体的密度或比容改变的程度。对于气体动力学而言，我们所关心的问题是在气体流动过程中密度是否会发生显著的变化。在气体流动过程中如果压强改变大时，密度变化也就大，相应地速度变化也就大。如果在整个管道中气体的速度都不大，则表明气体的压强改变也很小，在此情况下，可以近似地假定气体的密度是不变的，即认为是不可压流体。 理论和实验都可以证明当气体的流速和音速

6、之比小于0.3的气体绝热流动，就可以当作不可压缩流动来处理。对于所有密度变化较大的气体流动，称为可压缩流动。 一般低压风机设计中都把空气看作是不可压流体来研究第一节：风机的介质：空气 气体的粘性 由物理学知道，流动中的气体，如果各气体层的流速不相等，那么在相邻的两个气体层之间的接触面上，就会形成一对等值而反向的内摩擦力来阻碍两气体层作相对运动。气体的这种性质叫做粘滞性或简称粘性。 不光是流动的气体各层之间有粘性，流动的气体和它所接触的管道壁面之间也有粘滞力存在。这个粘滞力是流体沿程阻力损失的主要原因之一。 从微观角度观察，气体分子间的距离远大于液体分子的距离。所以气体的粘性影响范围不是很大。一

7、般在我们的风机设计中，往往忽略气体的粘滞性（粘性）影响。 第一节：风机的介质：空气 气体的导热性 气体的导热性 当气体中沿某个方向存在温度差别时，那么热量就会由温度高的地方传向温度低的地方，这种性质称为气体的导热性。 气体的导热能力也是比较差的。大家都有相似的经历，如：在厨房烧菜时，火焰距离人体的距离不过0.3米左右，但是气温的感受并非明显。在炉火旁边真正让人感到炙热的是由于火焰的辐射热量。 在一般风机设计中，假设气体是不导热的。因为考虑到导热性的影响和不考虑导热性的影响，计算结果并没有很大的区别。 在换热器设计中，气体的导热性必须详加研究。因为换热器设计和风机不同，风机设计中关心的是具体的风

8、量、风压等等参数，这些参数和气体导热性的关系影响不大。但在换热器（风冷）设计中，主要关心气体的导热性能。 为了形象地描述气流的流动路线和状态，我们引入了流线的概念。 流体微团 在气流中，我们可以假设气流是一个一个的流体微团组成的。无数多个微团组合在一起就构成了一个完整的气流。微团的运动状态构成了整个气流的运动状态。微团在随整个气流运动的轨迹就是流体的流线。研究流线的状况，我们可以直观的看到气流行进的路线及状态。这些概念和方法对于感知气流的进出气及运动过程中的损耗很有帮助。观察气流的流线有很多种方法，不同的研究手段也有所不同。右图为计算机用小冷却风扇的风口侧的香烟烟雾。第一节：风机的介质：空气

9、流体微团、流线 液体在很多方面和气体有类似的性质，液体易于染色，观察方便。下面绘制了一个实验图以观察流体的流动状态。大杯内乘满清水，下端开口接一段透明玻璃管。小杯内乘有红色墨水，底部开口接一小喷嘴，喷嘴对准大管中心。开启大管的阀门，大管内的清水缓缓流出，慢慢开启小杯的阀门，开始时喷嘴喷出的红色墨水成一条直线状在大管流水的中央，随着小杯阀门逐渐开大，墨水线突然开始弯曲并不断摆动同时呈波浪起伏状，继续开大阀门，墨水线逐渐断裂成小段，产生旋涡，整个大玻璃管全部呈现红色。 根据大量实验结果，流动状态和流体的雷诺数（Re）有关： Re=VmD/ Vm：管道内流体平均风速 D：管道直径 ：流体的运动粘性系

10、数第一节：风机的介质：空气 流体状态 层流（左图） 层流状态的流体微团作有规则的运动，在运动过程中，相邻流体微团的迹线互不交错，流体是一层一层的运动着，流体的这种运动，称之为层流运动。Re5000。 紊流过渡状态（中间图）流动状态介于层流和紊流之间。2000Re5000。一般把紊流过渡状态当作紊流进行处理。第一节：风机的介质：空气 流体状态 既然空气的变化比较大，我们对风机的性能的规定的标准如何才可以统一呢？办法有一个，就是规定一个标准空气状态，限定其压力、密度、温度的数值，然后将我们测试得到的在不同于标准空气状态下的风机流量、压力、功率等参数按一个规范换算到标准空气状态下，这样大家就可以相比

11、拟了。其实主要还是空气密度的问题。标准状态下的空气密度1.2kg/m3（公斤/米3）。空气密度是：温度、大气压、相对湿度的函数。空气密度计算公式为：第一节：风机的介质：空气 空气密度的计算公式其中：t1：温度为t1时的空气密度t1：空气温度（）t2：湿球温度（）Pa：实际大气压（Pa）Pv：饱和水蒸气压强（Pa）,根据t1的数据查表可以求取。RH：相对湿度，根据t1及t1t2的差值查表可以求取。第一节：风机的介质：空气 温度和空气密度的关系 风机的冷却效果关键还是空气的质量流量，即单位时间内有多少质量的空气来冷却换热器，体积流量是一个相对量，在密度确定的前提下才有意义。必须引起注意的是，按照风

12、机的说明书曲线选择风机时，必须根据具体的使用场合的条件计算空气密度后，换算到标准空气状态下选型。否则会造成使用效果不理想。尤其应用在高原地区和低温冷库内的风机必须引起注意。前者会造成计算风量和实际冷却效果有差距，后者可能会造成电机过载。在不同的空气密度状态下，风机风量（体积流量）没有变化。因为密度不同，则风机的质量流量将比较显著的变化。 假设空气的相对湿度为50，大气压为101325Pa，空气密度和温度的关系见右表： 第一节：风机的介质：空气 温度和空气密度的关系 由上表可以看出，温度对空气密度影响相当大。因为空气密度的增加，电机的功耗也加大了。用在冷凝器上的风机（如果风机装在下游）因为气流被

13、冷凝器加热，温度比较高，对应的空气密度也比较小。从风机功率上来说，电机将会处在轻载的状态。所以一些功率配置偏小的风机在冷凝器上使用时电机烧毁的比例没有在蒸发器上的那么大。但是在冷凝器上工作的风机电机处在一个相对高温的环境中，如果电机散热条件比较差的话，电机温度有可能超出极限。当风机使用在低温的环境下，此时的空气密度比较大。如果按说明书选型的电机刚好达到额定功率的话，低温时电机就会超载。温度低时，系统阻力还会增大，电机功耗要高出很多。第二节：风机原理第二节：风机原理 风机结构一般空调用风机的气动部分组成叶轮 风机的主要气动元件。叶片对气流做功，改变气流的方向及角度，增加其压力和速度。导流板 为叶

14、轮提供进气通道，并将进风侧和出风侧隔离开。电机 叶轮的驱动动力源。电机支架 固定电动机，并保持叶轮和导流板的位置。网罩 防护装置。第二节：风机原理 气动原理 气流流过机翼或叶片时，由于上下两侧的气流速度不一样，两侧形成气压差。上侧的压力低，而下侧的压力大。这样一来，下面的气流会将叶片托起来，叶片受到的气流作用力为P，P在水平和垂直方向上分解，Py是升力，Px是阻力。升力Py越大，阻力Px越小的翼形气动性能就越好。PyPPxV第二节：风机原理 常用翼形圆弧翼型 用板材冲压成型的，截面为圆弧形或抛物线形，所以称之为圆弧翼型。圆弧叶片的升阻力比不大，也就是说叶片的风量不易做大同时风叶效率比较低。叶片

15、为板材冲压，叶片厚度没有变化，风机实际高效工作点的静压较低。圆弧翼型叶片采用板材冲压加工，所以加工成本较低，易于实现大批量生产。航空翼型 翼型叶片一般是铸造或模压成型的，风机叶片在径向和周向都有厚度的变化，机械强度高，直径可以做到很大。翼型叶片具有很好的升阻力比，叶片的气动效率高。翼型叶片一般是铸造或注射成型的，风机叶片在径向和周向都有厚度的变化，机械强度高，直径可以做到很大。第二节：风机原理 增加气动性能的方法增加空调用轴流风机性能的办法：增加风机全压Pt有下列几种途径：1）增大圆周速度Ut，即增加风机转速，但受到叶片材料的强度和其他条件的限制。一般630及630以上轴流叶轮的转速不宜超出9

16、70rpm即须采用6极或6极以上的电机，350560风机转速不宜超过1470rpm即采用4极或4极以上的电机。 噪音的限制 由于空调风机的使用场合都有噪音方面的要求，采用4极或4极以上的转速不是一个好的解决方案。2）增大气流扭速，要增大扭速可以增大叶片型面的弯度，以增大气流转折角。不管采用铸铝或板材成型叶片，叶片宽度过大，不论材料的选择还是加工工艺方面都有难度。叶片宽，相应的叶片对叶柄的旋转力矩和弯矩也会相应的加大。如果是用钢板成型的轮毂支架，由于材料和冲压加工工艺的限制叶柄不可能足够厚、足够宽，则叶柄的强度也存在一定的问题。大面积叶片也比较容易振动，叶片振动对其疲劳寿命有直接影响。转折角度过

17、大，会导致效率急剧下降。圆弧叶片角度不宜大过3540。超过40后，风机功率增加明显，但风量或风压容易出现下降的情况。第二节：风机原理 增加气动性能的方法3）增大轴向进风速度Ca即提高相对较小口径的风机的风量，一般Ca513m/s，过大的Ca，会使静压升Pst明显下降。一定口径的风机，其风量不可能无限制的增加，总有一个理论和制造的极限。例如：在同样转速的前提下，350风机不可能达到500的风量。 超过极限的设计会消耗很多材料，而且其性能的提高和投入成本及风险相比不值得，性能方面没有很大增幅。4）增大风机直径，在相同的轴向进风速度下，总风量会增加。5）改进叶轮的设计、选用高效的翼型叶片，增加其高效

18、的空气动力特性。按照最佳的方案匹配电动机，使电机和叶轮都工作的高效率区间。这个方案是最佳的设计和制造方案。 每台风机都有一个性能的极限，在此极限以下的设计方案中可以找到一个高效的办法。超过此极限，设计和生产都有难度。 第二节：风机原理 风机几何相似公式第三节：风机性能第三节：风机性能 90圆弧进口喷嘴测定流量 根据国标GB1236-2000的规定，空调室外机用风机须采用风室型测试装置来测量。富丽华目前采的是90度圆弧进口喷嘴测试流量如上图所示。 目前比较流行采用风室内多喷嘴测试流量，如下页所示。第三节：风机性能 进风侧多喷嘴风室 我们计划制作一座截面为3.53.5米的进口侧多喷嘴风室试验装置，

19、基本结构如上图所示。上述装置所采用的测量仪表全部为电子式，可以将测量数据传给计算机。数据记录、参数计算、曲线绘制均由测试程序完成。第三节：风机性能 几种风机的特性曲线 前向多叶离心风机主要应用于风机排管系统，它和我们的轴流风机一样在特性曲线上有下凹。第三节：风机性能 噪声测量 按照图1所示的方式测量风机噪声。风机放置于高度为0.85米的测试架上，自由进出风，麦克风高度1米，测试时麦克风距离风机导流板外圆1米。测试4个位置的噪声并取平均值。 这个噪声不同于用户使用时的噪声，因为风机安装到设备上后，因不同的设备结构对声波的反射、吸收是不一样的，同时设备其他部件运转时的噪声会和风机噪声相互影响，总的

20、噪声可能会减小也可能会增大。 人耳的听阀声压级、听阀声强级、听阀声功率级均为0dB，而痛阀声压级、痛阀声强级、痛阀声功率级均为120dB。第三节：风机性能 声强、声功率第三节：风机性能 声级第三节：风机性能 噪声叠加 如果多台相同噪音的风机安装在一起，噪声会增大，如图2所示。假设5台风机噪声均为75dB，查图得到5台相同噪声的风机额外增加的噪声为7 dB，则总噪声为75+7=82dB。 如果安装在一起的两台风机噪声大小不同，则总噪声会增大，如图3所示。如果2台风机噪声分别为70dB、76dB，两台风机噪声差值为6dB，查图得到额外增加的噪声为1 dB。则总噪声为76+1=77dB。 第四节：噪

21、声机理及降噪措施第四节：噪声机理及降噪措施 噪声组成 由气动声学理论可知，风机的空气动力性噪声分为旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声与叶轮圆周速度的10次方成正比，涡流噪声与叶轮圆周速度的6次方成正比，因此，从理论上说风机转速越高，噪声越大。为了避免风机的高噪声，在轴流风机的参数选择中，在性能允许的条件下，尽量采用了低转速运行的风机。 旋转噪声在噪声频谱上表现为离散的峰值。旋转噪声取决于叶片的负荷或风机的节流度。当叶片在大流量区负荷又比较小时，旋转噪声则占噪声的主要部分。 涡流噪声又称湍流噪声，在噪声频谱上表现为宽频带的连续谱。涡流噪声取决于转子叶片上流过的相对速度、机壳与叶片间隙和气动负荷。当叶片

22、工作在小流量区而负荷比较大时，涡流噪声则占主要部分。由于在大流量时旋转噪声占主要地位，而在小流量时涡流噪声占主要地位，所以最小噪声出现在这两个范围之间。轴流风机的空气动力性噪声，特别是涡流噪声，很大程度上还取决于叶轮、导流器、整流器的叶栅参数。因此在设计中要选择合理的叶栅参数，在保证给定流量、压力、效率情况下，使其空气动力性噪声最低。合理的空气动力设计是降低轴流式通风机本身噪声最根本的方法。第四节：噪声机理及降噪措施 风叶的气动参数选取 对小轮毂比轴流式通风机采用等环量设计时，叶片扭曲角大，在靠近叶根处安装角大，气流脱离叶片形成湍流，涡流噪声大，因而必须慎重选择流型，采用“可控涡设计”思想，使

23、径向加功规律合理。使用扩压因子作为限制叶片负荷的条件。可对各加功方案进行仔细比较和分析后，再决定最优流型。 轴流式通风机的空气动力噪声，特别是涡流噪声与叶栅参数有很大的关系。因此，在保证轴流式通风机流量、压力和效率的情况下，根据叶栅试验得到的气动特性和声学特性曲线来合理选择叶栅的稠度、攻角、相对弯度和相对厚度等参数，以保证叶栅噪声最小。当这些参数不能在径向全部满足时，应首先使叶顶的叶栅参数得到满足。第四节：噪声机理及降噪措施 在旋转叶片上附加导叶 所谓附加导叶，就是在旋转叶片上增设一定形状的，厚度很薄的控制叶片。附加导叶可分为两种：一是端导叶；二是设置在沿叶高上、中、下位置的叶面附加导叶（图1

24、）。其目的是控制分离点后边界层的发展与分离，最大限度地降低叶尾尾迹宽度，以达到降低噪声的目的。与此同时，设置附加导叶除控制噪声外，还可以改善叶面流速分布。设置附加导叶可使比A声级降低46dB。第四节：噪声机理及降噪措施 减小径向间隙和增加机壳与转子的同心度 减小转子叶尖与机壳的径向间隙，增加机壳与转子的同心度，既可减小噪声又可以提高风机的压力系数和扩大风机的失速余度。正确选择转子的径向间隙，并且保持其在圆周方向的均匀性，可以显著地降低风机的噪声和提高风机的效率。通常轴流式通风机径向间隙取决于加工精度和辅助工艺水平。 为了降低轴流式通风机涡流噪声，可以采用工作轮叶片穿孔方法。采用叶片穿孔方法，可

25、以降低阻力系数，既达到了降低噪声的目的，又提高了风机的经济性。但是，由于叶片穿孔和叶片两面的压差降低，也降低了升力系数。叶片穿孔方法能使叶栅噪声沿频谱降低610 dB。第四节：噪声机理及降噪措施 采用不相等叶片间距降低轴流风机旋转噪声 不相等间距的叶片对轴流风机的频率及其谐波都具有调制作用，即对于任意一个谐波，不像等间距叶片风机那样具有显著的峰值，而是将能量散布到更宽的频带中去。采用不相等叶片间距，虽然降低了风机的噪声，但也降低了风机的效率。所以，采用这种方法必须考虑既能保证取得最大的声学效果，又要兼顾风机效率不至于有较大降低。 研究证明：叶片尾缘边界层厚度决定着湍流噪声的大小，对风机噪声影响

26、很大。当采用前掠和前倾叶片时，叶片尾缘边界层减薄，这就使风机宽频的湍流噪声降低。对于机翼型叶片的轴流式通风机，可将叶轮叶片的径向来流方向倾斜约15，便得到前倾式叶片。第四节：噪声机理及降噪措施 总结 为了使噪声得到更有效的控制，需从噪声源上根本解决问题，可采用优化设计，提高制造精度和装配质量，并选用合理的调节方式，才能取得令人满意的降噪效果。 实际工程表明，风机的声功率级或A声级随着流量和压力的增大而增大。因此在通风系统设计时，应尽量减少不必要的阻力损失，这样风机就不需要产生很高的压力，其噪声也降低下来。 当使用以上讨论的各种降噪措施时，从试验看并不一定能得到综合的降噪效果。对于各种降噪方法及

27、其之间的相互影响的研究和预测，还有许多工作要做。 第五节：安装方式对噪声的影响第五节：安装方式对噪声的影响 提出命题 低压轴流冷却风扇广泛应用于空调换热、对流通风等场合。由于此类风扇功耗较小，长期以来并没有成为风机研究领域的热点问题。近年来，随着空调器的大量使用和人们环保意识的普遍提高，此类风扇的性能，尤其是气动噪声指标越来越受到人们的重视。大量试验和计算工作都是对这类风扇的流场和噪声特性进行仔细研究。 此类风扇的显著特点：轮毂比小，叶片少而宽大，叶轮外没有圆筒状机壳，而只有一个轴向长度很短的导流罩。导流罩的安装对风扇是必需的，因为它可以明显改善风扇进口的气流分离，同时降低入流的湍流度。试验发

28、现，添加进口导流罩后，风扇的气动噪声显著降低。通过数值计算和试验手段，仔细考察了导流罩的形状、轴向长度对风扇性能的影响。我们发现导流罩形状的改变对气动性能影响不大，但对噪声影响明显，导流罩的轴向长度存在最佳值，而形状则以双圆弧为佳。第五节：安装方式对噪声的影响 试验风机参数 试验采用的样机为一种美国Lau家用空调散热风扇，该风扇采用4枚弯板直叶片和圆弧型导流罩，其基本运行参数下表所示。第五节：安装方式对噪声的影响 试验装置简介 风扇气动性能试验和噪声测试试验均在半消声室内进行。采用出气侧多喷嘴风室试验装置来测量风机的气动性能和噪声，下图 给出了该试验台的示意图。实测中需要测量叶轮流量、静压、全

29、压、扭矩和噪声。第五节：安装方式对噪声的影响 试验风扇安装位置 为了考察导流罩的轴向位置对风扇性能的影响，试验采用了3种不同的轴向相对位置。 右图给出了这3种位置的示意。位置1 叶片前缘位于导流罩进口平面内；位置2 叶片中线位于导流罩进口平面内；位置3 叶片后缘位于导流罩出口平面内。第五节：安装方式对噪声的影响 试验结果与分析 第五节：安装方式对噪声的影响 试验结果与分析 第五节：安装方式对噪声的影响 试验结果与分析 从实验曲线的对比可见，导流罩位置的改变，无论是对风扇的气动性能，还是对风扇的气动噪声，都有很大的影响。当导流罩从位于靠近叶片前缘位置（即位置1）向靠近叶片尾缘位置（即位置3）改变时，风扇的总压曲线逐步变平缓，风扇的最大风量增加，大流量区域总压升高。轴功率曲线同样变平缓。风扇的总压效率升高，位置3的最高总压效率比位置1提升了近20，位置3总压效率最高点对应的流量达到了位置1的1.8倍。位置3的比噪声大大下降。 另一方面，位置2与位置3相比，气动性能虽然有所不及，但相差并不明显。然而这两个位置对于噪声的影响则十分显著：位置3的比噪声与位置2相比，下降了23dB。风扇性能之所以对导流罩的位置如此敏感，主要是因为此类风扇的流场结构与普通工业轴流风扇有很大不同，由于导