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地沟风机空调用开式轴流风机性能试验研究变频调速在窑头风机上的
摘要：针对国内各大主流空调企业室外用开式轴流风机的发展趋势，结合Z401系列不同结构叶轮，工程地进行性能试验，详细给出了性能试验的原理，并给出测试得到的外部性能。试验结果显示开式叶轮在根部结构与后缘结构的变化，对整机的性能影响很大。为后期风机叶片优化方向提供依据。
关键词 ：轴流式通风机；试验研究；优化
中图分类号： TH432.1 文献标识码： B
The Test Research on Performance of Opened Axial-flow Fans for Air-conditioner
Abstract: According to the opened axial-flow fan’s developing trend in the field of air-conditioning, a performance test based on the impellers in Z401 series had been carried out. The principle of the performance test and the external performance are presented in detail in this paper. The test result shows that the variations of the foot edges and the leading edges structure of the opened impeller affect the blade performance apparently. This test also provides a new proof for fan’s further optimization research.
Key words axial-flow fan; test research; optimization
0 引言
空调用轴流风机是室外机换热的关键部件，其叶轮结构设计得好坏直接影响整机的性能与节能降噪效果。近十年来，国内各大空调企业技术研发人员十分重视室外轴流风机的开发研究，在风机的内流与外部性能方面取得了较多的成果。但由于室外风机半开式的结构特点，使得叶片的扭曲与弯掠规律存在差异，至今没形成完整的设计工程。传统的轴流设计一般借助工程轴流风机设计的方法可以完成[1-3]，但对于开式风扇设计，性能并不很理想，CFD优化方法的发展[4]，为开式风扇结构优化提供了条件。因此，结合Z401近年来在结构优化发展形成的特点，开展外部性能试验的研究对比分析，对叶片后缘不同结构上进行性能试验对比，旨在为降噪寻求后期结构优化方向与趋势，并积累性能试验依据。
1 试验研究模型
空调风机的性能取决于风机结构，气流绕轴流风机叶片的流动是一个复杂的空间三维流动。通过对已有基本叶片进行局部优化并进行试验研究，以改善风机性能。由欧拉方程得到叶轮叶栅传给单位质量气体的功与通风机全压升成正比。从理论上改善风机做功能力的途径有4条：（1）增加圆周速度u；（2）选择合适的气流转折角（气流转折角过大，会引起效率下降）；（3）增加轴向速度CZ，但是应限制在CZ≤40m/s；（4）改变叶片表面结构。
本测试用目前采用最多的Z400左右的3种结构的叶轮，主要针对原弯掠Z401图1a，发展成在叶轮后缘开缺口或开锯齿口（图1b、c）。图1a、b、c其结构上的主要差异在叶片数目、直径、轮毂比不变时，其后缘结构型式不同。
优化方案的出发点是通过改善叶轮前沿部分来改善气流入流状态，改变叶片表面边界层分布，从而改善叶轮整体性能。
2 试验装置及性能数据采集
试验装置根据GB/T1236-2000[5]A型试验装置（出口侧试验风室）进行建设，风室中采用多喷嘴测定流量，通过在性能试验台进行风机试验。制作试验方案风机，在试验台上通过试验工程自动采集流量、进出口压力等相关试验数据[2]。
3 性能试验结果对比分析
3.1 试验曲线处理方法
对每一测试方案，在转速不变时，采集6个不同工况点的参数，形成Q-p试验数据表格，利用exelse形成试验数据表格，并为对比方便，将3种方案同一转速下的不同工况参数整理在同一的表格文件中。直接导入试验数据处理软件，形成特性曲线结果。
3.2 不同转速下性能结果
试验采用国内先进综合性能试验平台对原始叶轮、缺口叶轮及锯齿边叶轮3种叶轮模型进行性能检测。通过对不同叶轮在转速700r/min、800r/min、900r/min下的性能进行试验，通过调节流量来改变工况，以此对比不同叶轮的性能指标。图2为对所采集的数据进行对比分析，用ORIGIN数据处理软件得到3种方案在不同转速下的特性性能曲线。其中图2a、b、c分别为3种不同叶轮在转速700r/min、800r/min、900r/min下的压力流量特性曲线。
3.3 试验结果分析
由图 2 试验性能对比曲线可看出：
（1）改进的叶轮在小流量工况下性能稍差于原始叶轮，而在额定工况以上表现出了很好的适应性，扩大了稳定工作区域；
（2）针对风机一般工作流量大的特点，两种改进有效地优化了风机做功能力。
4 结论
（1）开式结构轴流风机的叶片结构改进对性能影响较大，后缘结构上的不同，能够带来一定的降噪效果。
（2）3种结构的试验结果显示，空调风机的叶片改型能够改善工作区间，在大流量范围内缓解了因流量增大而引起压力快速下降所造成的有效功率下降的问题，扩大了风机稳定工作范围。在小流量下优化的成果不明显，有待进一步改善风扇在小流量下的工作状态。
参 考 文 献
[1] 吴玉林，等.通风机和压缩机[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] 吴秉礼，高延福.电站空冷风机技术评述[J].风机技术，2006（1）：12-14，28.
[3] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1981.
[4] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.
[5] GB/T1236-2000工业通风机 用标准化风道进行性能试验[S].
> 近年来，随着电力电子技术的飞速发展，IGBTE及GTO的出现，实现了元件的自关断功能，降低了开关损耗，提高了效率，同时由于开关频率的提高，变换器采取了PWM控制，大大降低了电动机的谐波损耗，减少了转矩脉动，加快了调节速度。
随着电气技术的发展，变频调速作为一种先进的电动机调速方式，其优异的性能以及带来的可观的经济效益早已为人们所熟知。而国内变频调速至今还主要应用在中小容量的低压电动机上，经过考察研究，江苏巨龙水泥集团决定对窑头通风机进行改造，采用高压变频技术，在节能方面做出大胆尝试。
变频器选型
目前，变频技术飞速发展，供选择的范围比较宽，因此只有全面分析各自的优缺点，根据实际情况选用，才能达至最优效率。初步确定以下3个方案。
方案1：用输入变压器将6kV的高压降为660V或更低用低压变频器实现调速，再用输出变压器升到6kV。此方案的缺点是效率低，技术性能一般，维护工作量大。
方案2：用额定电压6kV的高压变频器直接驱动电动机，实现变频调速。此方案整体效率高，技术先进，结构简单，可靠性高，缺点是投资大。
方案3：选用新的低压电动机，取代原有的电动机。经输入变压器降压后，用低压变频器调速。
改造步骤及措施
方案确定后，我们又对变频器的调速原理进行了全面的分析和理解之后，选用了希望一森兰公司生产的SLANERT06—40高压变频器。希望一森兰公司生产的完美无谐波高压变频器是一种新型的直接输出高压的变频器，它采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，谐波分量小，功率因数高，输出波形近乎正弦波，不存在谐波引起的电动机附加发热。电动机轴电流以及转矩脉动和噪声。
（1）工程的电气原理
1）2002年我公司对窑头通风机电气工程进行了改造，改造后工程的整体电气原理如附图所示。
其中，KM1～KM4为高压真空接触器，KM1和KM2为进线开关，KM3为变频输出开关，KM4为工频旁路开关：R为缓冲电阻，由3个管电阻串联使用。
2）考虑到工程出现塌料等不正常情况，有时会造成工程风压不稳，为提高整个工程的自动调节能力，我们将风压信号取出，作为变频器调速的反馈信号，以便实现自动调节的功能。
（2）变频器的特性测试
变频器投入后，为检查其性能，我们对多种工况下变频器工作状况进行了详细的测试，结果均达到了设计要求。
1）工频运行模式 工频旁路运行适用于变频器主控制部分发生故障，无法对变频器进行控制或因变频器检修而不希望影响生产时，通过起动旁路按钮控制附图中的KM4闭合，KM3分断，直接进入工频运行，工频起动时，电流倍数在8倍以上，电压降低6.5％，起动时间15s。
2）变频起动谐波分析 闭合附图中的KM1、KM2、KM3、KM4，变频器输出电压信号在变频器输出频率10Hz、20Hz、30Hz、40Hz时，分别进行测试分析，均未引起工程谐波含量增大，6kV母线电压各次谐波含量和总畸变率基本没有变化，波形几乎为正弦波。
效果验证
（1）通过对变频器特性测试及两年来的运行情况了解，变频调速的主要优点如下：
1）电动机可以平缓地起动，减少了起动冲击，且不需再配备起动装置。
2）具有可靠的保护性能，变频器具有过压、欠压、缺相、输出接地、短路、过流及过载保护，并具有柜门打开后及控制电源失电后跳高压开关，功率单元故障诊断功能。
3）控制单元与功率单元采用高精度、高速度的光纤数字通信，保证了控制信号传输的精度和速度，同时也保证了低压控制电源部分与高压电源部分很好的隔离。
4）具有高功率因数，高效率，高质量输出，功率因数可超过0.95。
5）变频器调速范围为0～100％连续可调，频率精度可达±0.5％。
6）在液晶人机界面，可通过键盘直接进行设定，控制器有各种故障诊断、调节及逻辑功能、组态及显示等功能。
（2）节能分析
检修费用的经济分析电动机由于转速降低，机械磨损及风机振动减少，轴承温度降低，可以延长通风机轴承、风叶等机械部件的使用寿命，检修周期可以大大延长。同时减少了风机的噪声，改善了工作环境。
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