风机的性能研究

一、背景及意义

    风机是用于压缩、输送气体的机械，主要应用于矿井、地下工程和地下电站的通风换气，锅炉的通风引风，化工厂高温腐蚀气体的排送，石油工业中的催化裂化，空气调节设备和家用电器设备中的冷却通风等，遍及煤炭、石油、化工、冶金、建筑和农业等国民经济的各个部门。

    科学合理地设计、制造和使用风机对于生产厂商和用户具有重要意义。表征风机性能的主要参数有流量、压力、功率、效率、噪声和转速等，当风机的流量与转速变化时，其他性能参数会随之变化。为了选用合适的风机，需要了解额定转速下风机的性能参数随流量的变化情况。由于风机的内部流场十分复杂，目前想要用理论计算方法准确地求得风机的性能曲线还很困难，所以通过试验方法测得风机的实际性能就显得尤为必要。风机性能试验就是通过测试与计算，获得给定转速和标准状态下的风机性能参数，并绘制性能曲线的过程。

    对于成品检测和新产品开发，风机性能试验*。一方面，许多风机用户为了经济效益的大化，在选择风机时对其性能参数提出了更加严格的要求;另一方面，风机生产厂家为了提升产品竞争力，在努力改进气动设计、提升加工水平和生产效率的同时，也对风机性能试验的研究和改进给予了高度的重视长期以来，我国的风机测试方法较为落后，试验步骤的操作、试验数据的采集和性能曲线的绘制都以手工为主，劳动强度大、工作效率低且精度难以保证。随着测试技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度不断提高，使得风机性能参数的自动采集成为可能。采用计算机技术进行风机性能试验的自动采集和自动控制，既提高了测试效率又避免了人为因素造成的误差，具有获取数据快速、准确和可靠的优点。因此，对于风机生产厂家和研究单位而言，利用先进的计算机技术和数据采集技术实现风机性能试验的自动化具有重要意义。

    为提高测试精度，相关部门出台了一系列标准以规范性能试验的装置设计和测试方法。由于风机性能试验是一项较为复杂的工作，涉及装置选型、结构设计、安装调试、参数采集、数据处理等多个环节，虽然相关标准经过专家多年的讨论在科学性上已经相当完善，但在实际测试过程中发现现行标准依然存在一些问题和争议，因此，有必要对标准中存在的问题进行研究和分析，从而为今后的进一步修订和完善提供参考。

二、风机性能试验的研究现状

    风机属于在发电、化工等行业应用范围较广的通用机械，国外发达国家对风机产品的研究和制造非常重视。世界上比较大的风机制造国主要有日本、德国、意大利、丹麦、美国等。

    作为世界上早研究风机的国家之一，丹麦有很多风机制造商，如Bonus公司、Vestas公司、NEG Micon公司和Wincon公司等[61，这些公司拥有先进的试验系统，能够自动测试风机性能并计算分析，从而指导风机的性能改进。

    德国同样十分重视风机的发展。1974-1993年，德国研发部为风机研究资助了超过3.3亿马克，其中关于风机性能试验系统的研究占有相当大比例t71。据统计，德国有二十几家公司相继投入风机的研究与生产，形成了大学、研究所和企业联合开发的趋势，如萨尔大学和西门子公司就曾开展相关合作[fgl。德国工程师协会还制定了DIN 24163, V D1 2044等风机性能试验标准，在制定时间和标准质量上都处于较高水平。

    上也出台了一系列标准来规范风机性能试验。ISO/TC 117“工业通风机”技术委员会下的SCI分会于1997年制订了标准ISO 5801: 1997(E ) "Industrial fans-Performance testing using standardized airways"，并于2001年制订了ISO 5802:2001 "Industrial fans-Performance testing in situ"。

    我国在风机性能试验方面也取得了一定的进展，根据测试中使用的设备仪表和自动化程度的差异，大体上可分为三个阶段：

    (1)七十年代及以前，采集数据利用全分立仪表进行，处理数据和描点绘图则通过手工完成。使用的仪器和仪表包括:机械风表、压差计、毕托管、空盒气压计、温湿度计、机械式转速表、功率表等f lzl。试验时需要机电、通风等多部门人员分组配合，组织工作较为困难，且用分立式仪表测量，指挥协调十分不便，这种方式既存在人为的读数视差，也存在各组之间的读数时差，上述缺陷导致了试验结果难以反映风机的实际性能，并且到后期整理数据时才能发现试验中存在的问题，此时已很难补救。

    (2)八十年代中期，试验系统实现了部分仪器和仪表的自动化。比如采用可编程计算机PC-1500和Apple II微型计算机设计的试验数据处理程序，通过GPIB总线可在计算机上显示、处理、存储数据以及打印报告，并由自动绘图仪输出试验结果，从而提高了工作效率。随后又出现了由传感器、A。转换器、Z80单片机、打印机、六笔智能绘图仪组成的风机性能试验系统，典型产品如南京某单位生产的DF-X型9头风速仪，利用布置在风道中的9只风速表，可实现自动采集气流速度并打印输出。

    (3)九十年代以来，随着计算机技术、传感器技术以及数字集成电路的快速发展，风机性能试验进入了自动化、智能化的新阶段[ 16]。以计算机为核心的试验系统可以快速、准确地进行测量并自动完成数据处理、存储等任务，具有率、高精度、功能全的特点，因而在目前的风机性能试验领域得到了广泛应用。

    近年来，国内有不少学校和单位进行了风机性能试验系统的设计和开发:

张师帅等采用Visual Basic开发了计算机辅助试验系统，该系统采用锥形节流器调节流量，采用皮托管测量风机出口平均动压，能够完成试验数据的自动采集、处理、显示、打印以及性能曲线的绘制，软件具有良好的人机界面，但系统还未实现皮托管测点位置的自动调节，仍需手工操作。

    宋玲等根据离心风机的特点和性能测试的要求，开发了墓于可视化编程语言 Delphi和DAQ数据采集卡的离心风机性能试验台，实现了数据的自动采集、处理及分析，同时利用CFD软件对节流孔板前后流场的速度、压力分布和流阻特性进行了分析。

    董泳等针对便携式风力灭火机开发了一套性能试验系统，该系统的流量测量采用均速管流量计，信号采集选用研华PCL-818L数据采集卡，软件编写以MCGS组态软件和Visual Basic编程语言为工具，实现了信号显示和数据处理等功能。

    关贞珍等参照GB/T 1236-1985应用虚拟仪器LabWindows/CVI开发了信号采集与分析系统，该系统采用NI公司的PCI-6024E数据采集卡，实现了多路信号的采集和时域、频域分析，并可显示、存储和打印试验数据。

我国的风机性能试验方法初是按照1 H 15-59制定的，它承袭了苏联的标准。1977年我国制定了GB 1236-76《通风机性能试验方法》，取代了TH 15-59专业标准，1985年又制定了GB 1236-85《通风机空气动力性能试验方法》，两者在内容上没有大的变化[211。我国现行的标准是2000年制订的GB/T 1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》和2006年制订的GB/T 10178-2006《工业通风机现场性能试验》。

为了与标准接轨，现行的GB/T 1236-2000在技术内容和编写规则上等同于ISO 5801: 1997 ( E )。与旧标准相比，GB/T 1236-2000对于试验方法的规定进行了相应的改进和完善，但其中有关装置设计和参数计算的表述存在一定争议，许多人对此进行了研究。比如在计算轴流风机动压时需要确定出口面积，此时是否需要扣除轮毅面积一直是人们争论的焦点，GB 1236-1985对此未作规定，GB/T1236-2000则明确指出:“为了确定通风机的动压，轴流通风机的出口面积应被看作在未对电动机、整流装置或任何其他障碍物扣除下机壳的出口法兰或出口开放处的总面积’，现行标准强调了不扣除轮毅面积。陆明琦等采用理论分析和试验分析相结合的方法对这一规定的科学性进行了探讨，发现在计算出口面积时单纯扣除或不扣除轮毅面积都是不合理的，并提出了延长轮毅至出口截面以外的改进办法。梁春霖也对该问题进行了研究，提出了改用进气装置为进出气装置的建议。

对标准试验装置的结构部件进行比较和改进的研究也有很多。周海燕在理论分析的基础上采用CFD软件对孔板、文丘里管和锥形节流器三种节流装置的流场进行了数值模拟，发现锥形节流器具有压力损失小、可靠性好且来流适应能力强的特点。朱建国等采用试验方法，比较了矩形风阀和锥形节流器在风机性能试验中流量调节效果的差异，结果表明两者都能得出较为准确的风机性能曲线，但使用矩形风阀更易实现自动控制，流量的控制精度更高，且此时噪声测量更加准确。