大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算

太原理工大学专科学位论文大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算姓名：魏智超申请学位级别：专科专业：机械制造及其自动化指导教师：大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算摘要目前，国内的空冷电机具有结构简单、制造维修方便的优点，但是与国外高效率的电机相比，性能上仍然有一些差距。其中电机冷却风机耗功较大是造成这一差距的主要原因之一。电机的冷却风扇是保证电机稳定、持续工作而不可缺少的部件。电机冷却风扇的作用是使一定的气体，克服用机自身、冷却器、附加通风管道以及过滤器等通风回路的风阻，以维持一定的气体流量和流速，使冷却介质连续不断的吹拂电机的发热部分，把电机中的热损耗散出机外，这样电机就可以在规定的温度限制下安全而有效率的运行。本文以GB/T1236—2000为依据，在已经设计、搭建好的一个通风机试验平台上，对新型轴向风扇进行一系列的风洞试验，对实验数据进行处理分析。特别的，考察3600rpm时的转速，在不同叶顶顶隙和风扇出口面与离扩压管距离下的风洞实验。本文以前期的实验为主，同时，辅助利用CFD软件CFX5.7对冷却风扇数值模拟并对计算结果进行分析，对数值计算的结果与实验所得的结果进行对比分析，以便对冷却风扇进一步优化设计提出理论指导。所使用的电机冷却风扇，通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造，使得冷却风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高，冷却效果大大改善。比同样尺寸下的电机功率可以提高50%左右，即功率重量比大大提高。通过本次实验测量的研究，以便于在其他系列设计中得到应用。关键词：冷却风扇、大型电机、冷却效率、CFXEXPERIMENTALMEASURINGANDNUMERICALSIMULATIONOFCOOLINGFANSFORLARGESCALEELECTRICALMOTORABSTRACTAtpresent,domesticaircoolingelectricalmotorhasexcellenceofoversimplifiedstructureandconvenienceofmanufacture,butcomparewithoverseashighefficiencyelectricalmotortherearesomedisparities.ThecausationofthedisparityislargepowerdissipationofcoolingfansOfelectricalmotor.CoolingfansaretheincisesablepartsforensuringtheTranquilizationandstandingworkingofelectricalmotor.ThefunctionofCoolingfansforelectricalmotorisensuretheaircontinualfanthepartOfelectricalmotorandmaketheheatapartfromit.Theairmustconquertheresistancefromelectricalmottoritself,coolerandvent-pipe,ThereforetheelectricalmotorcanbesecureandeffectiveoperationatDefinedtemperature.WewillconductaseriesofwindtunnelexperimentonaventilatorIIIExperimenttablewhichhasbeendesignedtotestthenewaxialfanperformanceaccordingtoGB/T1236-2000.Inparticular,wefbcusonInvestigatingwindtunnelexperimentindifferentdiametersofpipesanddifferentlengthatspeedof3600rapm.Inthemeantime,numericalsimulationisperformedusingCFDsotare-CFX5.7andanalyzestheCalculatedresult.WetrytoanalzetheresultofexperimentalandCalculatedtomakeadirectivethecoryfbrcoolingfans5optimizingdesign.KEYWORDS:coolingfans,largescaleelectricalmotor,coolingEfficiency,CFX符号说明b 叶片宽度 (tn)1C 机翼升力系数DC 机翼阻力系数C 轴承的额定动负荷 (kg)TOC\o"1-5"\h\zD 叶片直径 (m)d风扇出口面离扩压管的距离 (mm)Cd 叶顶顶隙 (mm)aF 实际轴向负荷 (kg)VF 实际径向负荷 (kg)hL 轴承的额定寿命NM 轴上受的扭矩 (Nm)N 轴所传递的功率 (kw)n风扇的转速(r/min)pA压差 （Pa）P 当量动负荷 （kg）PE 由冷却风量所带出的热量 （kW）Mq质量流量（kg/s）QA冷却空气的温升（℃）HTOC\o"1-5"\h\zQ 额定风量 （m3/s）t环境温度（℃）U 叶片的切向速度 （m/s）V 轴向平均速度 （m/s）VIIIZ叶片数r 绕叶型的环量P 空气密度 （kg/m3）a 流量系数e 膨胀系数u 运动粘性系数 （m/s）太原理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：魏智超日期：2012年9月1日太原理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权太原理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：魏智超 指导教师签名：日期：2012年9月1日 日期：2012年9月12日第一章绪论引言近几年来，随着国内大型空冷电机的出现，通风冷却系统的设计以及风机的工作性能已起着越来越重要的作用。目前，国内的空冷电机有着结构简单、制造维修方便的优点，但是与国外高效率的电机相比，性能上仍然有一些差距.其中电机冷却风机耗功较大是造成这一差距的主要原因之一，因此对于原有风机进行研究与改造已势在必行。电机的冷却风扇是保证电机稳定、持续工作而不可缺少的部件。电机冷却风扇的作用是使一定的气体，克服用机自身、冷却器、附加通风管道以及过滤器等通风回路的风阻，以维持一定的气体流量和流速，使冷却介质连续不断的吹拂电机的发热部分，把电机中的热损耗散出机外，这样电机就可以在规定的温度限制下安全而有效率的运行。叶轮机械动叶顶区域的流场是十分复杂的，包括叶顶区域的泄露流动、叶片的边界层、二次流以及它们之间的相互影响。这些复杂的流动现象影响了压力、效率、机械可靠性和流量。因此，更好的研究这种复杂的流动现象对于提高电机冷却风扇的效率等性能具有非常重要的意义。由于电机结构上的原因，在高压头、小流量下，仍然只能使用单级轴流风机，而转速和叶轮的直径都要受到限制。在这种情况下，通过改变原有风机的叶顶顶隙和风扇出口面离扩压管的距离，来探究其对风机性能所产生的影响，这也是本文所要研究的问题。电机轴承发热分析及冷却方式的选择引起电机轴承高热的原因电机在工作运行中，电流在定子绕组和转子绕组中产生热量，转子的轴承磨擦也产生热量；另一方面，由于磁场的变化，在铁心内产生热损耗，使得铁心的温度升高。()hNPCLH6010/6P= (1.1)上式表示轴承的额定寿命与PC/值的关系，轴承在额定转速n下，PC/值的变化相应的hL值也变化。此设备匹配是在工况改变的情况下使用，在保证能满足运行需要负载条件下工作，需对G轴总增大出现的附加功率计算，用式(1.2)NNNMN附加=97500 (1.2)由此可明显看出，在所给定的条件下运转引起电机轴承发热的原因，是在运转工作时作用在油泵和电机轴承二支点间的，G联轴器增大加G锥度短节及联轴器外径增大，旋转时产生的径向力共同对支点轴承的作用使得轴承的实际径向负荷和实际轴向负荷增大。式中：HL-轴承的额定寿命；C-轴承的额定动负荷(kg)；n-轴承的转速(r/min)；P-当量动负荷(kg)；P-轴承的寿命系数，对于球轴承P=3,对于滚动轴承310=P；nM-轴上受的扭矩(Nm);N-轴所传递的功率(kW)；当负载平稳时，轴承为额定转速n,工作时作用在轴承上的实际径向负荷VF的增大和作用在轴承上的实际轴向负荷也在增大，从式中可以看出当量动负荷P也在增大。AvYFXFP+=kg (1.3)式中：p-当量动负荷(kg);VF-实际径向负荷(kg)；AF-实际轴向负荷(kg)；X-径向系数；Y-轴向系数；上式表明，当量动负荷的增大会引起以下各种参数的变化。从PC/式中可见，因PC/的值都大于1,当量动负荷的增大，额定动负荷也增大。n为额定,轴承的额定寿命hL随PC/值的变化。冷却方式的选择不同冷却方式下，电机性能参数中最主要的变化是线负荷随着冷却强化而增大。线负荷的增加使得电磁损耗增加，但是由于采用了冷却能力强的介质，对于同等电机来说，总损耗非但不会增加，反而会明显减少。对于不同的冷却介质来说，冷却能力越强，所需要的流量越小，通风损耗和风磨损耗越小，电机效率越高。对于同一种冷却介质来说，流量越大，流速越高，压力、密度越大，冷却效果越好，但是相应的流动损耗和风摩损耗越大，电机效率越低。常见的电机冷却方式有气冷-风冷散热和液冷-水冷散热两种。对电机轴承的风冷散热，是利用电机前端盖的紧固螺栓，将制作的风流导向装置置于电机前端盖处，从电机运转开始就产生风并对端盖轴承中心处进行风冷散热，但风流导向装置对风有阻力。为了使散热装置有足够的风量和风速，需将电机后面风扇的叶片适当加长加宽。通过改造后，完全能够把电机轴承发生的热量散走，有效的保证了电机的正常运转工作。风冷对电机轴承散热改造工艺简单、使用可靠，电机运转即可产生风对轴承进行散热，电机停转风即消失。水冷方式冷却电机轴承不但要有严格的密封措施，并因轴承端盖的通水槽沟狭窄容易结垢阻碍水冷散热，使用时需操作和检查。同时，由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积造成水路堵塞，继而产生绕组局部过热而烧毁。同时，水接头及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险。比较二种冷却方式，采用风冷却方式为宜。下面着重分析电机风冷散热。电机风冷散热通风分布与升温方式电机风冷散热的几种风路结构为了把电动机损耗转化的热量有效地传递出去，冷却空气应尽量接触电动机发热部件（绕组、铁心、结构件等），冷却空气经过的路径中应保证发热体有足够的散热面枳，同时风路又要与电动机结构（电路、磁路）相适应。异步电动机常用的冷却风路结构有三种：（1）轴向通风；（2）径向通风；（3）轴一径向混合通风。不同的通风方式，绕组各点温度分布情况各不相同，这在一定程度上影响到电机最终的冷却效果。选择电机的冷却风路结构时，应综合考虑电机容量、极数、转速、铁心长度及定、转子铁心内、外径等参数，同时应考虑到加工成本工时等因素。下面将着重介绍不同的风路结构下定子绕组中各点温度分布情况及不同风路结构的适用范围。轴向通风轴向通风一般采用抽风结构。电机一端安装离心风扇，定子和转子铁心不设径向风道，冷却气流从非风扇端进入之后沿轴向流动，轴向风路一般由以下几部分组成，如图1-1示。图1-1轴向通风图1-1轴向通风Figl-1.Ventilationataxisdirectiona）定子铁心外表面该风路的进、出风口一般由定子压圈开孔形成。由于铁心外表面与机座壁面一般有较大的间隙，为了增加冷却空气的流速进而改善冷却效果，一般在铁心外表面增加导流板以形成合适的通风面积。b）电机定子、转子之间气隙由于气隙两边定、转子铁心表面距定、转子绕组距离最近，且电机的定、转子表面杂散损耗就产生于气隙两边的铁心表面，若能增加气隙部分的空气流量，将产生很好的冷却效果。如能采用定子槽口通风，将大大增加气隙部分的通风面积，使气隙部分的风量分配大大增加。实验表明，采用定子槽口通风时,尽管通过气隙的风量仍占总风量的较小部分，但通过气隙消散的电机损耗可占电机发热损耗的30%。c）转子轴向通风孔通过转子铁心轴向通风孔的冷却风主要带走转子绕组的铜耗及转子铁心中的其它损耗。在风量能够保证的情况下，通风孔的面积并不是主要的，尽量增加通风孔的总周长，也即增加转子铁心的总散热面积，将会使冷却效果更好。d）定子枕部通风定子朝部通风方式即是在定子铁心扼部开一定数量的通风孔，它可直接带走部分定子铜耗及定子铁耗。为避免定子铁心部分磁密度过高或增加定子铁心的体积，一般不会同时采用定子槽口通风与定子规部通风。热空气从风扇端排出。气流基本直线前进，因此这种风路的风阻较低，相对较高的空气流动速度可以确保热传递的效率。由于铁心中没有径向通风道，这使得沿线圈长度方向的绕组温升变化较大，如图1-2示。△r一宣子畿空融电亶化值&Tq长度图1-2定子绕组温升特性分布（轴向通风）图1-2定子绕组温升特性分布（轴向通风）Figl-2.Thedistributioncharacteristicswithstatorcoiltemperature由于定子绕组端部完全暴露于冷却空气中，所以绕组端部温升较低。在铁心中，沿空气流动方向，由于空气温度不断升高，定子绕组温升也逐渐升高。但在铁心出风处，由于铁心侧表面及绕组出槽部分的冷却作用，绕组温升反而有所下降。由图1-2的绕组温升分布可看出，这种冷却方式的温升分布相差较大，铁心越长，这个差别越明显，所以这种风路结构一般不允许铁心太长（以接触传导方式散热的筋外冷电机除外）。这种通风结构在电机体积较小、转速较高（风速较高）的情况下使用较多，其缺点是通风损耗较大，沿电动机轴向温度分布不够均匀。诸如目前国内生产的中型高压(6kV,10kV)Y,YR系列，中心高为H355,H400,H450的4极和6极以及H500的4极电机等。径向通风冷却空气由两侧对称进入。冷却空气的主要部分经定子线圈端部，转子甄部风路，转子径向风道，气隙一定子径向风道，最后经定子铁心中部排出，如图1-3示。图1-3径向通风(两侧对称通风)图1-3径向通风(两侧对称通风)Figl-3.Ventilationatradialdirection(symmetricalventilation)这种风路结构由于对称进风，每一路风只需经过一半的铁心长度，在电机转子线速度较高的情况下，可以不用安装风扇，而靠转子风道片旋转产生的风压来产生冷却风量。而对于转子线速度较低的大型电机，一般需要在两端安装风扇旋转产生足够的冷却风量。这种通风结构一般用于大型电机中，定子、转子风道可采取对齐与错开两种方式。这两种方式的区别是：在电机转子线速度较高、转子风道片旋转能够产生足够高的风压的情况下，应尽量采用定子、转子风道片错开的形式，这样可强迫冷却空气轴向地流经气隙，达到更好的冷却效果，而且还可以防止定子、转子风道对齐时可能引起的哨叫声。而如果转子线速度较低，可采取定、转子风道对齐的方式以尽量减少风阻增加冷却空气流量。这种通风方式的定子绕组温度特性分布如下图1-4所示：图1-4定子绕组温升特性分布（径向通风）图14定子绕组温升特性分布（径向通风）由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口处铁心表面的散热效果，故绕组在该点温度最低。这种通风方式的轴向风温较为均匀，温度变化并不很大，铁心部分的绕组温升基本相同。总体来说绕组各部分温升差异很小。这种通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较均匀。但其缺点是需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸略为增大，也增加了加工成本。轴 径向混合通风采用轴——径向混合通风主要有两种方式：a）电机一侧安装离心风扇。图1-5轴一径向混合通风（一侧进风）Figl-5.Axis-radialdirectionblendedventilation（ventilationinoneside）冷却空气主要经由转子扼部风路f转子通风道一气隙f定子通风道f（定子线圈直线部分/定子铁心通风道表面）f定子线圈端部一冷却风扇最后排出。如图1-5示。这种通风方式仍为一端进风，另一端出风，铁心不宜太长。目前国内广泛应用于中型高压（6kV,10kV）Y.YR系列的4极,6极、8极、10极及12极异步电机中。b）电机两侧安装轴流式风扇如图1-6示。

图1-6轴一径向混合通风（两侧进风）图1-6轴一径向混合通风（两侧进风）Figi-6.Radial-axisdirectionblendedventilation（ventilationintwosides）定子采用槽口通风，这大大增加了气隙中的空气流量。转子风道数目远远少于定子风道数目，这是为了避免高速情况下风摩耗太大及产生过高噪声。电机的风压由对称的两只轴流风扇产生，优化设计的轴流风扇可以达到很高的效率，噪声也可降到最低。转子风道集中在铁心中间，这使得冷却空气由转子径向风道流进定子径向风道时，有较大部分轴向流经气隙，进一步改善了冷却效果。冷却空气进人电动机后，大体上分成三条独立的路径流动：（1）经线圈端部流向定子铁心表面；（2）直接流经气隙及定子槽口，然后进人定子径向风道；（3）A,-* rTcx*图1-7定子绕组温升特性分布（混合通风）图1-7定子绕组温升特性分布（混合通风）这种通风方式兼有前两种通风方式的特点，温升分布特性是以电动机铁心为中心两端基本对称分布，定子绕组温度分布比较均匀，冷却效果较好。其缺点是结构比较复杂。本论文的主要工作在本文中，将按照试验要求在已经设计并搭建的实验平台上，对冷却风扇进行符合GB/T1236-2000标准的风洞试验，对所得数据进行计算处理，并对不同工况下所得的流量与压差、风机效率特性曲线进行比较分析。本文以前期的实验为主，同时，辅助运用旋转机械专用CFD软件CFX5.7建立模型和数值计算，使用实验所得到的数据，对冷却风扇进行数值计算，并进行性能分析，对数值计算的结果与实验所得的结果进行对比分析，以便对冷却风扇进一步优化设计提出理论指导。本论文的科学意义本论文所进行的大型电机冷却风扇的实验研究工作，能够全面地了解冷却风扇在不同工况下的性能：同时通过运用CFD软件进行数值计算，与实验所得到的结果进行对比分析，可以得到影响电机冷却风扇性能的因素，为以后在电机冷却风扇的设计与应用提供依据。第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍以标准化风道做实验的工作流体是空气，并且压力和温度要在冷却风机出口或在冷却风机进口处正常的大气范围之内。对于恒速特性来说，冷却风机应在规定的转动速度下工作。在对冷却风机特性线上的任意点进行测量之前，冷却风机应该持续运行一段时间，直到取得其达到稳态的工作状态，其速度的波动范围不超过规定转速的%5.0±。大气压力、干球温度和湿球温度应在规定的冷却风机特性所要求的在实验环境内取得读数。对冷却风机特性曲线上的各点，实验风道中的压力应在不少于Imin期间作观测。如果读数始终出现随机变化，则要记录足够多的观测点，以确保得到的平均值在精度范围内。数据观察分为目测和扫描阀两部分，以备后期处理相互对照，电机转速和扭矩由转速扭矩仪打印出。计算方法本试验所有计算均按照国家标准进行。整个计算使用的单位是SI（国际单位制）。其结果也用此单位表示，即用帕斯卡（Pa）表示压力，用瓦特（W）表示功率，用立方米每秒（sm/3）表示容积质量。流量的确定流量的测定按照GB“2624和ISO3966的规定进行，使用这种方法测得的流量符合本实验的要求。管路内流量计（标准的一次装置）可以使用的流量计有文丘里喷管、孔板、锥形进口和进口喷管。前两种流量计可以接在风管的进口或出口以及两段风管之间使用。锥形进口和进口喷管只可接到从自由空间吸入空气的进口风管。太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍12通过管路内压差流量计的质量流量一般表达式如F：对于给定的装置，e是压比函数，而a是雷诺数的函数。这些系数的计算在接下来会做详细介绍。根据进口流管的不同，分别讨论。太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍13用锥形进口测定流量只能在开放式（自由）进口条件下才可使用锥形进口。几何形状锥形进口尺寸和公差在图2-1中示出，型线应该是轴向对称，锥体与端面及锥体与圆筒喉部之间接合均无隆起及凸出的锐边。进口的轴线和风道的轴线应 该 是 一 致 的。图2-1锥形进口几何形状图2-1锥形进口几何形状Fig.2-1Geometricalformoftaperimport网筛加载符合图2-2的可调节网筛加载与锥形进口允许一起使用，但流量系数a的误 差 增 大图2-2自由进口文丘里喷嘴或有可调节筛网加载的锥形进口图2-2自由进口文丘里喷嘴或有可调节筛网加载的锥形进口太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍14Fig.2-2FreeimportVenturispoutorregulativegriddletaperimport网筛、防涡流装置及支承应该具有在使用要求的强度和刚度不变的情况下，具有最小的迎风面积。例如，任何单个横向构件都不应出现大于2%的堵塞。支承应该确保网筛在中部不发生弯曲。网筛应精确地切割并且应该安装径向厚度最大0.01211d的或6mm和最小0.008hd或3mm及长度最大0.05hd的支承环或者采用其他方式消除壁上的漏泄。进口区在进口区内，对于流入进口空气的自由运动不应有任何外部障碍，并且任何涡流的速度不要超过喷嘴喉部速度的5%。应该确保差压计的高压盘上记录的压力读数为进口区环境压力。锥形进口性能按照上述要求制造的锥形进口用于压比96.02dr,即Pap4000<A时不必做校准。复合系数ae取决于雷诺数d

Re并在图2-3中绘出，当dRe<20000时不应采用锥形进口。图2-3维形进口复合流量系数图2-3维形进口复合流量系数图2-3锥形进口复合流量系数aeFig.2-3Compoundflowmodulusaeoftaperimport太原理工大学专科学位论文基本原理介绍15对于hdW0.5m：m=0.01107,c=0.8824,maxa£=0.94；对于0.5m<hd<2m：m=0.00963+0.04783hd+0.055332hd，c=0.9715-0.2058hd+0.05533第二章电机冷却风扇性能实验2hdmaxae=0.9131+0.0623hd-0.015672hd对于2hd22m：m=0.03459,c=0.7812,maxae=0.975«误差复合系数a£的误差和流量系数a的误差是相同的。当dRe<3X510时并且在连续件内不允许有任何网筛加载情况下，可适用的基本误差为±1.5%。对此应算术地增加（当应用时）与低dRe和网筛负载相关的净附加误差。由于低dRe（即dRe<3x510）而产生的附加误差（％）表示如下：X±151Re1024 (2.5)由于符合2.3.2均匀网筛出现的附加误差要用算术方法增加0.5%。如果使用ae校正值代替2.3.4中给出的值可以降低这些误差。可以用按照ISO3966要求的皮托静压管或用流量系数误差不超过1.0%的一次仪表方法进行校准。网筛质量或容积流量值的综合误差可取±2%。2.4用文丘里喷管测定流量安装对于标准风道中试验，在进口或出后风室中应使用多喷嘴。它们可能不同但它们在尺寸和半径上，相对于风室轴线应是对称定位。本试验中使用4个相同的文丘里喷管对称定位。太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍16几何形状多喷嘴及文丘里喷嘴的尺寸和公差如图24所示。外形应该是轴向对称的及出口边缘应是直角锐边，并且没有毛刺、刻痕或者倒圆。喷嘴轴线和它们所安装的风室的轴线应该是平行的，喷嘴喉部尺寸L应为0.6d+0.005bd(推荐的)或者0.5hd±0.005h图2-4喷嘴几何形状图24喷嘴几何形状Fig.2-4Geometricalformofspout喷嘴应有的椭圆段如图24所示，但也可以使用两个或二个半径近似成椭圆，在任何点法线方向与标准椭圆形相差不大于0.015hd。喷嘴的喉径hd应该在椭圆的短轴和喷嘴出口处测量（精度0.001hd）.应该45。间隔上取四个测量值并且这些值都应在平均值的±0.002hd之内。在喉部进口处平均值可大于0.002hd,但不小于在喷嘴出口上的平均值。喷嘴表面要求相当光滑以至直尺在其表面上没有刮碰并且表面局部凸起峰一峰值应不大于0.001bd。太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍17当喷嘴使用在风室中，可以使用图24所示出的任一种型式。在喷嘴排气口直接与管道或扩散段连接时，应该使用喉部有测孔的喷嘴并且喷嘴出口采用法兰连接。喷嘴喉部的测孔应该有4个间隔90°的静压测孔与压力计相连。当风管与喷嘴连接时，喉径与进口风管的直径比应不超过0.525。连接到喷嘴上游侧的风管应是直的均匀圆形截面。当用于提供一测量段时，应有其直径6.5-6.75倍的长度和当用于出口风管时，应有直径9.5〜9.75倍的长度。进口区多喷嘴定位应该使各喷嘴的中心线与风室壁距离不小于1.5bd。同时使用的任何两个喷嘴中心间的最小距离应是较大喷嘴的3hd,hd是大喷嘴的直径。多喷嘴与文丘里喷嘴的性能符合2.4.3要求制造的多喷嘴装置对压比9.0>dr(即kPap10<A)未校准下可使用。喷嘴流量系数a由下列表达式计算：本试验中所使用喷管hdL/=0.6,则有：PapaaAuAuddC+—=111Rc6.134Re006.79986.0 (2.6)式中：dRe——对应于出口直径的雷诺数，由下列表达式估算:610048.01.17295.0Rex十△uhdP£ （2.7）Aua——喷嘴上游的动能系数，对于管道内喷嘴为1.043,对于风室中喷嘴和多喷嘴或自由进口喷嘴为1:Ddh/=B（对于风室它可以取作零）（对于管道内喷嘴525.0WB）；D为风道直径；太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍18C是喷嘴排出系数。膨胀系数由下式计算：0()5.04/245.01/211111ddddrr (2.8)uuudPPPPPrA—=A-=1 (2.9)上式可由下式代替：5.01/244/211111e (2.10)质量流量由下列表达式给出：对于多喷嘴OpdquniimA=Spnae2412 (2.11)对于文丘里喷管PdqumA=paen242 (2.12)式中：()En12a——各个开放式喷嘴直径平方乘以它们各自的流量系数的和；uP 上游密度。2.4.5误差对于4102.1ReX2d排出系数C的误差为土L2%。太原理工大学专科学位论文 第二章电机冷却风扇性能实验基本原理介绍192.5通风机空气功率和效率建议三种方法：第一种由单位质量功的概念导出；另外两种使用容积流量和压力概念及流体可压缩性效应的修正系数计算得出。这三种方法给出相同的结果，对于压比等于1.3时不超过千分之几。本试验中使用由单位质量功的概念导出。21222212212212122AqAqppwppymmmmmmPPPP (2.13)式中：221PPP十m (2.14)111&wRPP (2.15)220wRPP (2.16)通风机空气功率uP等于yqm的乘积。各种效率由uP和供给通风机的各种功率计算得出。本试验中可由扭矩仪测得的电机主轴的转速和扭矩算得轴功率，以此计算通风机电机轴效率。通风机电机轴效率：0PPUa=n (2.17)太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验20第三章电机冷却风扇性能实验3.1实验背景与要求本文所使用的电机冷却风扇，通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造，使得冷却风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高，冷却效果大大改善。比同样尺寸下的电机功率可以提高50%左右，即功率重量比大大提高。本文以GB/T1236-2000为依据，在已经设计、搭建的大型冷却风机实验平台上，对新型轴向风机进行一系列的风洞实验。特别的，考察转速为3600rpm时，叶顶顶隙10.5mm；7.5mm；5mm三个不同叶顶顶隙，风扇出口面离扩压管的距离d=40mm、d=20mm、d=0mm出口风管，这九种情况下的风洞实验。我们得到大量数据，并对这些数据进行比较分析。通过对出口边界条件的细化，来分析出口边界条件对冷却效率的影响。图3-1为实验装置布置总图：

ta3-1实验装置布置总图图3」实验装置布置总图Fig.3-1Schematicofexperimentalequipment太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验实验过程中，电机转动带动风扇转动抽风（叶片装配直径为416mm）,空气由大气进入风室，流经整流网栅，形成均匀流场，再通过异径直管和扩压管流出。在此过程中通过测量室内静压差，进口动压和轴的转速及扭矩来计算风扇（ 图 3-2） 性 能 .图3-2叶片装配图 图3-3叶片Fig.3-2Schematicofblade Fig.3-3Blade实验装置设计山于本实验的实验台体积较大，所以实验在室外进行。实验装置实物图:图3-4实脸平台进风口实物图 图3-5实验电机实物图图34实验平台进风口实物图 图3-5实验电机实物图Fig.3-4SchematicofexperimentalplatformFig.3-5Schematicofexperimentalelectricintake motor太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验22整个装置由电动机，变频仪，扭矩仪，轴系，风扇，风室，法兰板，进口风管，异径直风管和垫箱等部分组成。电动机：本实验采用的是三相异步电机，其功率为4kw,额定电压为380V。变频仪：由于本实验要求电动机转速为3600转，需要60Hz的激励电流，而中国电网频率为50Hz,需要通过变频来达到要求。扭矩仪：用来测量实验过程中电机转速和轴的扭矩。冷却风扇：冷却风扇是电机冷却的主要的压力元件。冷却风扇的作用是使一定的气体压力，克服电机自身、冷却器、附加通风管道及过滤器等通风回路的风阻，以维持一定的气体流量和流速，使冷却介质连续不断的吹拂电机的发热部分，把电机中的热损耗散出机外，这样电机就可以在规定的温度限制下安全运行了。

图3-6新型风扇实物图图3-6新型风扇实物图Fig.3-6Schematicofexperimentalnewtypefan风室：长2m,宽0.9m,高1.5m,在其内部模拟均匀流场，测量室内静压差。法兰板：布满均匀网格，使进口空气经过之后变得流场均匀。进口风管：由4个直径96mm的文丘里喷管和1个直径261mm的锥形进口喷管组成，所有风管均经过校验以满足实验标准。太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验图3-8锥形喷管图3-7文丘里喷管图3-8锥形喷管图3-7文丘里喷管 图3-8锥形喷管Fig.3-7Venturispout Fig.3-8Taperimport异径直风管：由实验要求而定制的直径，分别为437mm、431mm和426mm；长度分别为100mm、120mm和140mm的不同规格的直风管。垫箱：用来固定电机，扭矩仪，以防止在他们实验过程中发生位置的偏移，从而导致实验中断甚至失败。实验过程中，电机转动带动风扇转动抽风，空气由大气经过进口风管进入风室，流经法兰板，近似形成均匀流场，再通过异径直管和扩压管流出。在此过程中通过测量室内静压差，进口动压和轴的转速及扭矩来计算风扇性能。图3-9电机，扭矩仪与风扇的连接图3-9电机，扭矩仪与风扇的连接Fig.3-9Connectionofelectricmotor,torquewithfan太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验24实验仪器及介绍本节按照测量物理量的不同来分类介绍仪器以及他们的规格与安装使用方法。风室内平均压力的测量a）测量方法使用U型管实时显示和美国Scanivalve公司的DSA-3017多路压力扫描阀采集总压和静压差，一段接壁测孔或接压力测量平面内皮托静压管组成的压力接头。为确定此平面的平均静压差，压力计的另一端应敞开与实验室内的大气压力相通。为了确定通风机压力测量平面对应的压差，压力计的一端或两端可接至按d）布置的4个测孔接头之间。b）壁测孔的使用在标准化风道内，进行压力测量的每一截面上，平均静压差按照331c）结构布置的4个壁孔的静压差平均值取得。c）测孔的结构每一个测孔均通过风道壁，它符合图3-10中所示的尺寸范围。孔径a应不小于1.5mm,不大于5mm和不大于0.04D.当风道流速与通风机进口和出口速度相当时，则需要特别注意。在这种情况下，孔应位于风道直段处.该处没有接头或其他不规则的部分（距上游段D,下游段D/2的距离,D为风道直径）。当风道非常大时.实际上是不能满足此条件的，在这种情况下，可以采用3.3.1f）中规定的皮托静压管法。太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验图3-10管壁压力测孔的结构图3-10管壁压力测孔的结构Fig.3-10Structureofpressureeyeletonwalld）位置和连接当采用圆形风道时，4个孔的位置应该等距分布在圆周上。当采用矩形风道时，孔的位置应位于4个侧面的中心位置（本实验风室为矩形）。4个相似的孔接到单个的压力计上。e）合格检查应当注意的是，要保证所有管子和接头均无堵塞和漏泄，并且应将管子中的液体排净。在进行连续观察之前，4个测孔的压力应在最大流量处连续进行单独测量。如果测得的4个读数中任何一个读数对于aexPp1000<超过了5%或对aexaPpP30001000<〈超过2%范围时，exp为平均表压，孔和压力计接头应进行检查，看其是否有缺陷，如果检查未发现缺陷，则应检查流量是否稳定。f)皮托静压管的使用在圆形风道适当的压力测量平面内，至少选择4个点，这4个点应等距、对称轴线分布在圆周上，距离壁面中心点大约为风道直径的1/8»或者，当采用矩形风道时，距离每一壁面中心为管道宽度的1/8。在稳定流量的条件下，应读取每一点静压差读数，并进行平均计算：另一方面，如果需要，可将4个分开的皮托静压管的静压接头连接在一起，以便得到平均读数。本实验使用扫描阀DSA-3017来测量空气的静压和总压，并通过LabVIEW数据处理系统的平台采集通过扫描阀采集的数据。大气压力则是通过校准过的太原理工大学专科学位论文 第三章用机冷却风扇性能实验26大气压力计测得。使用扫描阀DSA-3017采集压力，它可以同时测16路压力，U型管的压力读数仅供目测监控，它的目测数据对于扫描阀的结果是•种监控和对照。温度测量温度计实验所采用的温度为室外温度，由水银干湿球温度计测得，经校准后的测量温度的仪表精度，应为5.0±℃«干湿球温度计位置实验所需的干球和湿球温度应在可以记录实验风道进气条件的位置进行测量。干球温度计应隔离以防止受到热表面的辐射。湿球温度计应保持套管的清洁，而且与水银球接触良好，并且用清水保持湿润。转速和扭矩的测量冷却风机的转速冷却风机轴的转速应在每一个测试点的实验期间，定期进行测量以确保冷却风机轴平均转速的误差不超过%5.0±o不应使用对实验冷却风机转速或冷却风机性能有较大影响的测量装置。扭矩仪扭矩的测量采用误差不超过2.0%的测量扭矩的扭矩仪。为了进行校准，已确定负载的精度为%2.0±o被测量的力矩长度精度应达到%2.0±.在每次实验前后，均应检查零力矩的平衡(配重)和读出系统的量程。在每次检查时，其差值应在实验期间测得的最大值的0.5%范围内。校准的电机直接驱动的电机，输出功率要按制造厂和用户均可接受的效率校准进行测定。电机应负载运转足够的时间，以保持其在正常操作温度下进行运转。电源应在规定范围内，即电压变化范围不得超过额定电压的%6±；频率不得超过额定频率的%1.0+.太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验27ZJ型转矩转速传感器本实验采用ZJ型转矩转速传感器。ZJ型转矩转速传感器（简称传感器）是根据磁电转换和相位差原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压信号的一种精密仪器，它与ZJYW1微机型转矩转速仪（简称测量仪）配套使用，能直接测量各种动力机械的转矩与转速（即机械功率），具有测量精度高，操作简便，显示直观，测量范围广等优点，可以测量轴静止状态至额定转速范围的转矩，广泛应用于：a.各种发动机的台架实验：b.各种电机的转矩、转速及功率测试；c.各种不同类型水泵、液压泵的转矩、转速及功率测试；d.各种类型的风机的转矩♦转速及功率测试；e.各种减速器•变速器的转矩、转速及功率测试：£各种家用电器设备旋转轴的转矩、转速及功率测试；g.各种旋转机械的转矩、转速及功率测试。ZJ型转矩转速传感器结构原理图3-11传感器结构示意图图3-11传感器结构示意图Fig.3-11Schematicofsensor图3-11为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等部件组成。内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力矩上，当内外齿轮发生相对转动时，由于磁通不断变太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验28化，在线圈中便感应出近似正弦波的感应电势21UN、，两感应电势的初始相位差是恒定的，考虑到正、反加载，0a设计在大约180°的位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形。在弹性范围内外加扭矩与机械扭转角成正比，这时21、信号的相位差要发生变化，aaa△士=0.当传感器的扭矩增加到额定值时，变化的相位a△大约为90。。因此，测量出a就等于间接测量出轴上的外加转矩，这样，传感器就实现了把机械量(扭角变化)转化成电子量(相量差变化)的过程。图3-12为信号的时序波形图。图3-12时序波形图图3-12时序波形图Fig.3-12Oscillogramofhorarysequence正常工作条件传感器应在下列环境条件下正常工作：a.温度：0〜50C；b.相对湿度：＜90%;c.电源：频率为(50±2)Hz的三相交流电源、电压为(380±38)V,技术指标传感器的转速和扭矩的测量精度分为01级和0.2级，其基本参数如卜表所列：第三章电机冷却太原理工大学专科学位论文风扇性能实验第三章电机冷却表3-1.传感器的转速和扭矩精度Tab.3-1Precisionofrotatespeedandtorqueoftransducer精确度等级0.1级0.2级静校误差±0.1%±0.2%转速变化引起的转矩误差±0.2%±0.3%同心度误差套转“同心度”误差±0.1%±0.2%轴“同心度”的误差±0.1%±0.2%表3-1.传感器的转速和扭矩精度Tab.3-1Precisionofrotatespeedandtorqueoftransducer精确度等级0.1级0.2级静校误差士0.1%±0.2%转速变化引起的转矩误差±0.2%±0.3%套转“同心度”误差士0.1%±0.2%同心度误差轴''同心度”的误差士0.1%±0.2%c) 传感器系数修正：传感器在使用时只须将传感器系数及标定温度通过仪器背后的拨盘输入，再在“室温”拨盘上输入当时室温，仪器内部即可自动进行系数修正。本传感器若与其他型号的转矩转速仪器配套使用时应注意仪器是否具有系数自动修正功能，若无此功能时，为了确保传感器测量精度，在使用环境温度和标定温度不相同时，按卜式对传感器的标定系数进行修正：()[]0I0ttGXXtt-+=e式中：tX——温度为t时的传感器系数：0tX——温度为0t时的传感器系数，即铭牌上所标注的系数值：t——测量时实际环境温度(°C)；0t——标定传感器时的环境温度（℃）,见铭牌；Ge——剪切弹性模量G的温度系数，本传感器变形轴材料为50GrVA,Gt=-0.027%/C,见铭牌输出信号幅度；不小于100mV»可以测量的最大转矩，满量程的120%。扫描阀的应用本实验使用扫描阀DSA-3017。在测量时引入扫描阀测压，与常规使用的U太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验30型管目测压力相比，扫描阀大大提高了实验数据的精度，并且提供了更直观的监视。本次实验的数据采集系统是在NationalInstrument公司推出的LabVIEW环境上，通过创建相应的虚拟仪器VI和框图程序来构造的，这也是利用了LabVIEW的最大优点。创建数据采集系统很大程度上是在LabVIEW下进行图形编程。压力的采样、转换、放大、传输都包含在此环节中•LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringworkbench）是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS,简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境。随着计算机和总线技术的发展，越来越多的科学家和工程师采用基于PC的数据采集（DataAcquisition,以下简称DAQ）系统来完成实验室研究和工'业控制中的测试测量任务。建立在通用计算机和DAQ设备基础上的虚拟仪器系统具有--机多用。用户自定义功能和使用维护方便等特点，代表了今后仪器的发展方向。LabVIEW的数据采集（DataAcquisition）程序包括了许多NI公司数据采集（DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能——数/模转换、模/数转换、数字量输入/输出以及计数器/定时器操作等。用户在使用之前必须设置好DAQ卡的硬件配置。DAQ系统的基本任务是物理信号的产生和测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据，分析数据，给出结果等。当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入）、分辨率、输入范围、采样范围、采样速率、精度和噪声等。单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于1伏），信号源与采集端的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验31有一个公共接地端。如果不能满足以上条件，则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，差分输入的精度较高。在本实验中，该仪器的最主要目的就是测量风室静压差和进口气流总压。一起使用的是以空气动力测压法为基础的总压管和静压管。用总压管和静压管测压时，偏流角的存在对测量结果有很大影响，在实际中需要特别注意。由于工艺误差的存在和马赫数的影响，每支总压管和静压管在使用前必须进行风洞校准。在调试及实验过程中，U型管目测数据也是必不可少的，虽然U型管的误差较大，但是结构简单的它容易校正，除了密封问题以外基本不会出现错误，它的目测数据对于扫描阀的结果是一种监控和对照。实验前期设备安装及调试风道风道各段之间的接头要有良好的密封性，以确保在冷却风机运行时不会造成过多的流量损失。在对测量仪表接入和操作等做出规定的地方，要尽量把该风道处的漏泄和障碍减小到最低限度.实验空间当冷却风机不运行的时候，应保证该冷却风机及其实验风道的组件应该在进口和出口周围不得存有大于lm/s的气流。要小心避免可能会出现对进口和出口处空气流动影响较大的任何障碍物的存在。特别地由风道和实验冷却风机的进口或出口处接近两个风道直径内不得有任何墙壁或者其他主要的障碍。实验空间应大到足以允许气流由出口自由返回到进口。通风机与风道的匹配为了与实验风管尺寸相符，实验冷却风机进口和出口面积应被看作不扣除电动机、整流装置和任何其他隙碍物的进口和出口法兰的总面积。在电动机、太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验32整流装置和任何其他障碍物延伸在进口和出口法兰之外，将要确定带风管装置的性能的地方，该壳体要由同进口和出口相同规格和形状的风管来延长并且具有足够的长度覆盖住障碍物。实验风道尺寸应由通过该障碍物最外面的延伸测量。作为进口和出口法兰平面。当激励频率在33~37Hz时，垫箱会出现明显的共振现象，这对于实验数据的采集和实验装置的稳定都是及其不利的。整个风室随着冷却电机转速的提高也会出现了很明显的振动.对于这两个问题进行调整，并确定调整方案。对于出现的共振现象应增加垫箱重量，并且保证垫箱中物体相对运动尽量小：对于风室的振动问题，在风室外面两侧各焊接三根间隔均匀的铁梁，以起到减振作用。特别的，考虑到实验是在不同工况、不同出口直径和出风管长度下进行，为了保证每次更换出口风管之后风室、电机、风扇之间相对位置的不变，需做特别设计。在风室下端接以导轨，保证移动过程中风室不会出现上下左右位移，同时在垫箱上焊接两根等长钢管，风室处于标准位置时，钢管的一端刚好碰到风室前壁面。如图3-13所示。这样可以保证每次更换出风管后风室都可以恢复到原位，以保证实验的正常进行。图3-13保证实脸质量的措施图3-13保证实验质量的措施Fig.3-13Measurefbrensureexperimentalprecision太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验33数据处理及分析讨论本文所使用的电机冷却风扇，通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造，使得冷却风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高，冷却效果大大改善。比同样尺寸下的电机功率可以提高50%左右，即功率重量比大大提高。本文以GB/T1236-2000为依据，在已经设计、搭建的大型冷却风机试验平台上，对新型轴向风机进行一系列的风洞试验。特别的，考察转速为3600rpm时，叶顶顶隙cd=5mm；cd=7.5mm；cd=10.5mm三个不同叶顶顶隙，风扇出口面离扩压管的距离d=0mm、d=20mm、d=40mm出口风管，这九种情况下的风洞试验。我们得到大量数据，并对这些数据进行比较分析。通过对出口边界条件的细化，来分析出口边界条件对冷却效率的影响。所有试验数据均用Excel进行运算处理，最后结果代入Origin中进行作图，以直观分析。额定流量130m3/min下，不同叶顶顶隙和风室内静压差的关系

1■1■•▲'110I9-8・▲I7-6▲i5-----------5432109876533333322222>el|二二一-DUD二D-rt2D-L—0mm—•—20mm40mm图3-14叶顶顶隙和替压差的关系图3-14叶顶顶隙和静压差的关系Fig.3-14Relationshipbetweenclearanceofverticesandstaticpressure由图3・14可以看出，叶顶顶隙越小，风扇叶片与管壁之间存在回流现象越明显，则风室内静压差越高；在同一叶顶顶隙下，风扇出口面离扩压管距离越太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验34小，在此区域的回流流量受到的影响越大，使得风室内静压差增大。额定流量130m3/min下，不同风扇出口面离扩压管距离和效率的关系010203040500.480.490.500.510.520.530.54Efficiencydmm

5mm7.5mm10.5mmStandaredflowratein130m3/mindc=5mmdc=5mm图3-15不同风扇出口面离扩压管距离和效率的关系Fig.3-15Relationshipbetweendifferentdistancefromexporttoexpansiblepressurepipeandefficiency山图3・15可以看出，额定流量下，相同的叶顶顶隙、不同风扇出口面离扩压管距离下，风扇出口面离扩压管距离d=20mm时，效率最高。相同叶顶顶隙、不同风扇出口面离扩压管的距离时流量与风室静压差的对比图80901001101201301401502025303540455055PressureheadmmHdc=5mmoieepe①一i①」rissaid图3-16cd=5mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-16Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatcd=5mm80901001101201301401502025303540455055PressureheadmmHOFlowrateinm/min0mm20mm40mmde=7.5mmdc=7.5mmoteepe①uoteepe①ualnssalCL50454035302520 ..,.,,, 80 90 100110 120130140 150Flowrateinm3/min图3-17dc=7.5mm时静•压差随流量的变化关系图3-17d=7.5mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-17Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatcd=7.5mm90100110120130140202530354045Flowrateinm3/minPressureheadmmH2O0mm

20mm40mmdc=10.5mmoieeoieepe①一|ainss①一d图3-184=10.5mm时静压差随流量的变化关系图3-18Cd=10.5mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-18Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatcd=10.5mm如图3-16、图3-17、图3-18所示，是在风扇出口面离扩压管距离d分别为太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验360mm、20mm、40mm时，相同叶顶顶隙下流量与风室内静压差的对比图。冷却风扇的额定流量在130m3/min附近。由图示可以看出，由于在出风管内，风扇叶片与管壁之间存在回流现象，较大的风扇出口面离扩压管距离，意味着气流流到自由空间的距离增大，自由空间对回流现象的影响较小，风扇出口面离扩压管距离越大，在此区域的回流流量受到的影响越小，使得风室内静压差减小。在相同叶顶顶隙的情况卜，较小的风扇出口面离扩压管距离可以得到一个较大的风室内静压差和进口流量；而较大的风扇出口面离扩压管距离则较小。在额定流量增加的情况下，较小的风扇出口面离扩压管距离仍然带来一个较大的风室内静压差和进口流量。相同叶顶顶隙、不同风扇出口面离扩压管的距离时流量与效率的对比图80901001101201301401500.320.340.360.380.400.420.440.460.480.500.520.54EfficiencyFlowrateinm3/minde=5mm0mm20mm40mmdc=5mm第三章电机冷却dc=5mm第三章电机冷却0.54]0.520.500.480.460.440.420.400.380.360.34-03280 90 100 110 120 130 140 1503Flowrateinm/min图3-194.=5mm时效率随流量的变化关系图3-19d=5mm时效率随流量的变化关系Fig.3-19Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatcd=5mm太原理工大学专科学位论文风扇性能实验3780901001101201301401500.340.360.380.400.420.440.460.480.500.520.54

0.56EfficiencyFlowrateinm30.56EfficiencyFlowrateinm3/minde=7.5mm0mm20mm40mmdc=7.5mm0.540.520.500.480.460.440.420.400.380.36-°34 80 90 100110 120130 140150Flowrateinm3/min图3-20"<=7.5mm时效率随流量的变化关系图3-20cd=7.5mm时效率随流量的变化关系Fig.3-20Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatcd=7.5mm901001101201301400.340.360.380.400.420.440.460.480.500.52Flowrateinm3/min0mm20mm40mm图3-214=10.5mm时效率随流量的变化关系图3-21Cd=10.5mm时效率随流量的变化关系Fig.3-21Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatd=10.5mm如图3-19、图3-20、图3-21所示，是在风扇出口面离扩压管距离d分别为

Omm,20mm、40mm时，相同叶顶顶隙下流量与风室内静压差的对比图。由图示可以看出，较小的风扇出口面离扩压管距离带来更大的进口流量和轴效率。由于风室内压强小，在出口风管内，风扇叶片与管壁之间存在回流现太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验38象，更小的叶顶顶隙意味着风扇叶片与风管管壁间的间隙越小，这样在此区域的回流流量明显变小，而较大的风扇出口面离扩压管距离意味着自由空间对回流现象影响较小，而通风机功率变化不大，这使得轴效率更大。额定流量下，相同风扇出口面离扩压管距离的情况下，较小的叶顶顶隙，会带来更大的效率；特别的，在风扇出口面离扩压管距离为0mm时，不同叶顶顶隙的效率都有一个峰值，即存在效率的最大值。对应于效率-流量曲线的峰值点，此时沿叶片各截面的流线分布均匀，所以出现效率最高点。当流量小于效率最高点的流量时，沿叶片各截面压力不相等，流线分布不均匀，出现二次回流，由于二次回流伴有较大的能量损失，因此，效率也随之下降。不同叶顶顶隙、相同风扇出口面离扩压管距离时流量与风室内静压差的对比图d=0mmoTEEpe①①」nss①」d—5mm7.5mmoTEEpe①①」nss①」d—5mm7.5mm一▲10.5mm50454035302520-80 90 100 110 120 130 140 1503Flowrateinm/min图3-22d=0mm时静压差随流量的变化关系图3-22d=0mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-22Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatd=0mm太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验

50a=zumm50Flowrateinm3/min图3-23d=20mm时静压差随流量的变化关系图3-23d=20mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-23Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatd=20mmd=40mmooteepe①一|amssaid20 , , । , , 80 90 100 110 120 130 140Flowrateinm3/min图3-24d=40mm时静压差随流量的变化关系图3-24d=40mm时静压差随流量的变化关系Fig.3-24Relationshipofvariationbetweenstaticpressureandflowatd=40mm如图3・22、图3・23、图3-24所示，是在叶顶顶隙分别为5mm、7.5mm、10.5mm时，相同风扇出口面离扩压管距离下，流量与风室内静压差的对比图。由图示可以看出，由于在出风管内，风扇叶片与管壁之间存在回流现象，较大的叶顶顶隙，意味着风扇叶片与风管管壁之间的间隙越大，在此区域的回流流量明显增加，使得风室内静压差减小。在相同风扇出口面离扩压管距离的情况下，较小的叶顶顶隙可以得到一个较大的风室内静压差和进口流量；而较太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验40大的叶顶顶隙则较小。在额定流量增加的情况下，较小的叶顶顶隙仍然带来一个较大的风室内静压差和进口流量。3.6.6不同叶顶顶隙、相同风扇出口面离扩压管距离时流量与效率的对比图80901001101201301401500.360.380.400.42

0.440.460.480.500.52EfficiencyFlowrateinm3/mindOmm5mm7.5mm10.5mm0.520.500.480.460.440.420.400.380.36-15080 90 100 110 120 130 140150Flowrateinm3/min图3-25d=0mm时效率随流量的变化关系图3-25d=0mm时效率随流量的变化关系Fig.3-25Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatd=0mm80901001101201301401500.340.360.380.400.42

0.440.460.480.500.520.540.440.460.480.500.520.540.56EfficiencyFlowrateinm3/mind=20mm5mm7.5mm10.5mmd=20mm0.540.520.500.480.460.440.420.400.380.360.34-8090 100 110 120 130 140Flowrateinm390 100 110 120 130 140Flowrateinm3/min150图3・26d=20mm时效率随流量的变化关系Fig.3-26Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatd=20mm太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验

4180901001101201301400.320.340.360.380.400.420.440.460.480.500.52EfficiencFlowrateinm3/min5mm7.5mm10.5mmd=40mm0.520.500.480.460.440.420.400.380.360.34-d=40mmn^2 । । । । । । । । । । ।d=40mm80 90 100 110 1203 130 140Flowrateinm/min图3-27d=40mm时效率随流量的变化关系

图3・27d=40mm时效率随流量的变化关系Fig.3-27Relationshipofvariationbetweenefficiencyandflowatd=40mm如图3・25、图3・26、图3・27所示，是在叶顶顶隙分别为5mm、7.5mm、10.5mm时，相同风扇出口面离扩压管距离下，流量与效率的对比图。由图示可以看出，较小的出口风管叶顶顶隙带来更大的进口流量和轴效率。由于风室内压强小，在出口风管内，风扇叶片与管壁之间存在回流现象，更小的叶顶顶隙意味着风扇叶片与风管管壁间的间隙越小，这样在此区域的回流流量明显变小，而通风机功率变化不大，这使得轴效率更大。3.6.7相同叶顶顶隙实验测得的出口平均速度与相同流量下理论平均速度对比8090100110120130140150121416182022Flowrateinm3/minflowrateexperimentaldatatheoreticaldatadc=5mmd=0mm8090100110120130140121416182022flowrateFlowrateinm3/mindc=7.5mmd=0mmexperimentaldatatheoreticaldatadc=5mm、d=0mmdc=5mm、d=0mmdc=7.5mm、d=0mmdc=5mmd=Omm1%0 90 100 110dc=5mmd=Omm1%0 90 100 110 120 130 140 150Flowrateinm3/min①75』moj(a)dc=5mm>d=0mm(c)dc=5mm、d=Oirun图3-28不同叶顶顶隙、风扇出口面离扩压管距离实脸与理论出口平均速度对比图3-28不同叶顶顶隙、风扇出口面离扩压管距离实验与理论出口平均速度对比Fig.3-28Contradistinctionofflowratebetweenexperimentalandtheoretical图3-28所示的是不同叶顶顶隙、风扇出口面离扩压管距离下，实验与理论出口处平均速度的对比图。理论上，风扇出口处的平均速度与流速成线性关系，流速越大，风扇出口处的平均速度越大。而实验所测得的出口平均速度与理论的趋势一致，与理论值相比较小。分析可能的原因：实验测量时，风扇转速较高，引起风扇出风管的震动，使得采集数据出现偏差。其他不同叶顶顶隙、风扇出口面离扩压管距离实验与理论出口平均速度对比见附录。3.7本章小结由以上分析可知，可以得到以下结论：.通过分析额定流量下，叶顶顶隙对风室静压差的影响，可以知道：叶顶顶隙越小，则风室内静压差越高；而在同一叶顶顶隙之下，风扇出口面离扩压管距离越小则静压差越高。.通过分析额定流量下，风扇出口面离扩压管距离对效率的影响，可以知道：相同叶顶顶隙下，在风扇出口面离扩压管距离d=20mm时，效率最高；而在同一风扇出口面离扩压管距离卜叶顶顶隙越小则效率越小。

电机冷却.在出风管内，风扇叶片与管壁之间存在回流现象，气流流到自由空间的太原理工大学专科学位论文 第三章电机冷却风扇性能实验43距离受到风扇出口而离扩压管距离的影响，距离越大，则回流流量受到的影响越小，使得风室内静压差减小，反之亦然。在相同叶顶顶隙的情况下，风扇出口面离扩压管距离越小，可以得到较大的风室内静压差和进口流量，反之亦然。.由于风室内静压差小，较小的叶顶顶隙使得回流现象变小，而较大的风扇出口而离扩压管距离对回流现象影响较小，使得进口流量和轴效率增大。.在风扇出口面离扩压管距离d=Omm时，不同叶顶顶隙的效率都有一个峰值，即存在效率的最大值，这就为我们寻找理想的叶顶顶隙和风扇出口面离扩压管距离带来了依据。计算流体力学理论与应用软件CFX计算流体力学(CFD)是20世纪60年代起伴随计算机和计算技术的发展而迅速崛起的学科，是计算机技术和数值模拟技术相结合的产物。本论文中，CFD方法的采用使我们能够数值化解决Nav