鋒速達通風降溫系統
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地溝風機空調用開式軸流風機性能試驗研究變頻調速在窯頭風機上的
摘要：針對國內各大主流空調企業室外用開式軸流風機的發展趨勢，結合Z401系列不同結構葉輪，工程地進行性能試驗，詳細給出了性能試驗的原理，并給出測試得到的外部性能。試驗結果顯示開式葉輪在根部結構與后緣結構的變化，對整機的性能影響很大。為后期風機葉片優化方向提供依據。
關鍵詞 ：軸流式通風機；試驗研究；優化
中圖分類號： TH432.1 文獻標識碼： 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
空調用軸流風機是室外機換熱的關鍵部件，其葉輪結構設計得好壞直接影響整機的性能與節能降噪效果。近十年來，國內各大空調企業技術研發人員十分重視室外軸流風機的開發研究，在風機的內流與外部性能方面取得了較多的成果。但由于室外風機半開式的結構特點，使得葉片的扭曲與彎掠規律存在差異，至今沒形成完整的設計工程。傳統的軸流設計一般借助工程軸流風機設計的方法可以完成[1-3]，但對于開式風扇設計，性能并不很理想，CFD優化方法的發展[4]，為開式風扇結構優化提供了條件。因此，結合Z401近年來在結構優化發展形成的特點，開展外部性能試驗的研究對比分析，對葉片后緣不同結構上進行性能試驗對比，旨在為降噪尋求后期結構優化方向與趨勢，并積累性能試驗依據。
1 試驗研究模型
空調風機的性能取決于風機結構，氣流繞軸流風機葉片的流動是一個復雜的空間三維流動。通過對已有基本葉片進行局部優化并進行試驗研究，以改善風機性能。由歐拉方程得到葉輪葉柵傳給單位質量氣體的功與通風機全壓升成正比。從理論上改善風機做功能力的途徑有4條：（1）增加圓周速度u；（2）選擇合適的氣流轉折角（氣流轉折角過大，會引起效率下降）；（3）增加軸向速度CZ，但是應限制在CZ≤40m/s；（4）改變葉片表面結構。
本測試用目前采用最多的Z400左右的3種結構的葉輪，主要針對原彎掠Z401圖1a，發展成在葉輪后緣開缺口或開鋸齒口（圖1b、c）。圖1a、b、c其結構上的主要差異在葉片數目、直徑、輪轂比不變時，其后緣結構型式不同。
優化方案的出發點是通過改善葉輪前沿部分來改善氣流入流狀態，改變葉片表面邊界層分布，從而改善葉輪整體性能。
2 試驗裝置及性能數據采集
試驗裝置根據GB/T1236-2000[5]A型試驗裝置（出口側試驗風室）進行建設，風室中采用多噴嘴測定流量，通過在性能試驗臺進行風機試驗。制作試驗方案風機，在試驗臺上通過試驗工程自動采集流量、進出口壓力等相關試驗數據[2]。
3 性能試驗結果對比分析
3.1 試驗曲線處理方法
對每一測試方案，在轉速不變時，采集6個不同工況點的參數，形成Q-p試驗數據表格，利用exelse形成試驗數據表格，并為對比方便，將3種方案同一轉速下的不同工況參數整理在同一的表格文件中。直接導入試驗數據處理軟件，形成特性曲線結果。
3.2 不同轉速下性能結果
試驗采用國內先進綜合性能試驗平臺對原始葉輪、缺口葉輪及鋸齒邊葉輪3種葉輪模型進行性能檢測。通過對不同葉輪在轉速700r/min、800r/min、900r/min下的性能進行試驗，通過調節流量來改變工況，以此對比不同葉輪的性能指標。圖2為對所采集的數據進行對比分析，用ORIGIN數據處理軟件得到3種方案在不同轉速下的特性性能曲線。其中圖2a、b、c分別為3種不同葉輪在轉速700r/min、800r/min、900r/min下的壓力流量特性曲線。
3.3 試驗結果分析
由圖 2 試驗性能對比曲線可看出：
�。�1）改進的葉輪在小流量工況下性能稍差于原始葉輪，而在額定工況以上表現出了很好的適應性，擴大了穩定工作區域；
�。�2）針對風機一般工作流量大的特點，兩種改進有效地優化了風機做功能力。
4 結論
（1）開式結構軸流風機的葉片結構改進對性能影響較大，后緣結構上的不同，能夠帶來一定的降噪效果。
�。�2）3種結構的試驗結果顯示，空調風機的葉片改型能夠改善工作區間，在大流量范圍內緩解了因流量增大而引起壓力快速下降所造成的有效功率下降的問題，擴大了風機穩定工作范圍。在小流量下優化的成果不明顯，有待進一步改善風扇在小流量下的工作狀態。
參 考 文 獻
[1] 吳玉林，等.通風機和壓縮機[M].北京：清華大學出版社，2005.
[2] 吳秉禮，高延福.電站空冷風機技術評述[J].風機技術，2006（1）：12-14，28.
[3] 李慶宜.通風機[M].北京：機械工業出版社，1981.
[4] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.
[5] GB/T1236-2000工業通風機 用標準化風道進行性能試驗[S].
> 近年來，隨著電力電子技術的飛速發展，IGBTE及GTO的出現，實現了元件的自關斷功能，降低了開關損耗，提高了效率，同時由于開關頻率的提高，變換器采取了PWM控制，大大降低了電動機的諧波損耗，減少了轉矩脈動，加快了調節速度。
隨著電氣技術的發展，變頻調速作為一種先進的電動機調速方式，其優異的性能以及帶來的可觀的經濟效益早已為人們所熟知。而國內變頻調速至今還主要應用在中小容量的低壓電動機上，經過考察研究，江蘇巨龍水泥集團決定對窯頭通風機進行改造，采用高壓變頻技術，在節能方面做出大膽嘗試。
變頻器選型
目前，變頻技術飛速發展，供選擇的范圍比較寬，因此只有全面分析各自的優缺點，根據實際情況選用，才能達至最優效率。初步確定以下3個方案。
方案1：用輸入變壓器將6kV的高壓降為660V或更低用低壓變頻器實現調速，再用輸出變壓器升到6kV。此方案的缺點是效率低，技術性能一般，維護工作量大。
方案2：用額定電壓6kV的高壓變頻器直接驅動電動機，實現變頻調速。此方案整體效率高，技術先進，結構簡單，可靠性高，缺點是投資大。
方案3：選用新的低壓電動機，取代原有的電動機。經輸入變壓器降壓后，用低壓變頻器調速。
改造步驟及措施
方案確定后，我們又對變頻器的調速原理進行了全面的分析和理解之后，選用了希望一森蘭公司生產的SLANERT06—40高壓變頻器。希望一森蘭公司生產的完美無諧波高壓變頻器是一種新型的直接輸出高壓的變頻器，它采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，諧波分量小，功率因數高，輸出波形近乎正弦波，不存在諧波引起的電動機附加發熱。電動機軸電流以及轉矩脈動和噪聲。
（1）工程的電氣原理
1）2002年我公司對窯頭通風機電氣工程進行了改造，改造后工程的整體電氣原理如附圖所示。
其中，KM1～KM4為高壓真空接觸器，KM1和KM2為進線開關，KM3為變頻輸出開關，KM4為工頻旁路開關：R為緩沖電阻，由3個管電阻串聯使用。
2）考慮到工程出現塌料等不正常情況，有時會造成工程風壓不穩，為提高整個工程的自動調節能力，我們將風壓信號取出，作為變頻器調速的反饋信號，以便實現自動調節的功能。
（2）變頻器的特性測試
變頻器投入后，為檢查其性能，我們對多種工況下變頻器工作狀況進行了詳細的測試，結果均達到了設計要求。
1）工頻運行模式 工頻旁路運行適用于變頻器主控制部分發生故障，無法對變頻器進行控制或因變頻器檢修而不希望影響生產時，通過起動旁路按鈕控制附圖中的KM4閉合，KM3分斷，直接進入工頻運行，工頻起動時，電流倍數在8倍以上，電壓降低6.5％，起動時間15s。
2）變頻起動諧波分析 閉合附圖中的KM1、KM2、KM3、KM4，變頻器輸出電壓信號在變頻器輸出頻率10Hz、20Hz、30Hz、40Hz時，分別進行測試分析，均未引起工程諧波含量增大，6kV母線電壓各次諧波含量和總畸變率基本沒有變化，波形幾乎為正弦波。
效果驗證
（1）通過對變頻器特性測試及兩年來的運行情況了解，變頻調速的主要優點如下：
1）電動機可以平緩地起動，減少了起動沖擊，且不需再配備起動裝置。
2）具有可靠的保護性能，變頻器具有過壓、欠壓、缺相、輸出接地、短路、過流及過載保護，并具有柜門打開后及控制電源失電后跳高壓開關，功率單元故障診斷功能。
3）控制單元與功率單元采用高精度、高速度的光纖數字通信，保證了控制信號傳輸的精度和速度，同時也保證了低壓控制電源部分與高壓電源部分很好的隔離。
4）具有高功率因數，高效率，高質量輸出，功率因數可超過0.95。
5）變頻器調速范圍為0～100％連續可調，頻率精度可達±0.5％。
6）在液晶人機界面，可通過鍵盤直接進行設定，控制器有各種故障診斷、調節及邏輯功能、組態及顯示等功能。
（2）節能分析
檢修費用的經濟分析電動機由于轉速降低，機械磨損及風機振動減少，軸承溫度降低，可以延長通風機軸承、風葉等機械部件的使用壽命，檢修周期可以大大延長。同時減少了風機的噪聲，改善了工作環境。
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