通风机串联吸气性能试验台的研制
关炎芳 周学建 师清翔 / 河南科技大学车辆与动力工程学院
摘要：介绍了一套风机串联吸气性能试验装置方案、设计及研制。基本实现了压力、流量、功率、转速、扭矩的自动采集与处理，性能曲线的绘制。现场运行结果表明，该试验装置通用性较强、测试准确性较高、效果良好。
关键词：通风机 串联 性能试验台 中图分类号：TH43 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2006）06-0013-05
Research and Manufacture on Serial Connection Test Bed for Fan Inspiration Performance
Abstract: The scheme, design and research on test equipment for fan inspiration performance is introduced. The sampling and dealing with of pressure, flow, power, speed, torque and the drawing of performance curve are realized basically. The result of field operation shows, the equipment is used widely, the measuring is accurate, and the effect is good.
Key words: Fan Series Connection Performance test bed
1 引言
风机性能试验是风机设计、生产和检验中必不可少的项目。某些特殊场合，在单台风机不能满足需要的情况下，势必要将风机串联起来以达到所需的流量和压力。风机串联后，各自及整个系统性能将会发生怎样的变化，气流在管路内将怎样分配。这就需要有一套测试系统来对其性能进行检验。本试验装置即是为这一目的而设计的。这对有效的利用风机将是一个全新的课题。目前对单台风机性能测试装置介绍得较多，风机串联性能测试装置目前国内尚未见报道。
2 试验装置方案
通风机性能试验装置基本可分为风管试验和风室试验两大类。由于风室试验适用于测量压力较小（如小于50~100Pa）的风机，而风管试验则适用于测量压力较高的风机[1]。本试验装置是为一般工业用风机设计，压力相对较高，所以采用风管试验。另外，风管试验装置制造及操作简便，一般不需用辅助风机，成本较低。
风管试验装置管道截面的设计要根据所选用风机的进、出口截面积来定。不同类型、同种类型、不同大小的风机其进出口截面积也会不同。由于现有试验设备采用皮托静压管测压力和流量，故采用方形管道[2]
。本试验装置根据SF3.5G-4型轴流通风机、4-72№4A 型离心通风机和与其流量、压力相匹配自制横流风机[3-5]结构，进、出口截面积采用300mm ×300mm 的方形管道。按照GB/T1236-2000《工业通风机 用标准化风道进行性能试验》[6]中带进气管、用皮托管测流量的标准单风机测量装置（图1）的要求来布置串联吸气试验管道，如图2所示。图中，性能测量孔可用来测定两风机串联后的吸气性能，辅助测量孔可用来配合性能测量孔确定一级风机的吸气性能。在试验台上，还可以进行各种不同类型风机串联组合的吸气性能试验。若将试验台管道稍做调整，就可用于串联排气性能试验。将一级风机后面部分去掉，还可用于单台风机性能测试。
1. 节流装置 2. 整流器 3. 皮托静压管 4. 过渡件 5. 通风机
图 1 带吸气管的风机性能标准测量装置
1．节流器 2．整流栅 3．进气风管 4．性能测量孔 5．一级风机 6．动力装置 7．辅助测量孔 8．二级风机
图 2 风机串联吸气性能试验结构图
3 试验系统原理
压力、流量测试部分设计根据GB/T 15913-1995《风机机组与管网系统节能监测方法》，在方形风管截面上将测点划分为9个相等的小截面，用皮托管分别测９个小截面中心点压力
[7]
，如图3所示。并采用式（1）、（2）、（3）、（4）、（５）[8，9]，计算出所测截面的平均动压、平均静压、平均全压、风速以及流量。
图中的圆点为皮托管测压点
图 3 风管截面与测点布置图
p
d 1
+⋅⋅⋅+p
p
d 9
]
2
d
＝[
9
（1）
p
p
s 1
+⋅⋅⋅+p s 9
s
＝
9
（2）
2g ⋅p
v =
d
γ
（3）
p t ＝p d
＋p s
（4）
Q =v ⋅A
（5）
式中p d 为平均动压，Pa ；p s 为平均静压，Pa ；p t 为平均全压，Pa ；
v 为平均风速，m/s；Q 为流量，m 3/h；g 为重力加速度，取9.81m/s2
；γ为空气密度，取γ=1. 1506
kg m
3
。
4 试验系统结构
4.1 动力系统
动力系统用V ARISPEED 616G5型变频器和YTSP90L-4型变频调速三相异步电动机控制，采用皮带传动，如图4所示。此部分固定在可移动的动力小车上，可适应不同位置测试要求。
1．变频电机 2．皮带轮 3．轴承
4．联轴器 5．传感器 6．支架 图4 动力小车结构图
4.2 整流栅
本试验装置共设置2道整流栅，整流栅采用1.5mm 薄钢板穿插焊接而成，外观如图5。在图2中，第一道整流栅设置在距性能量孔2015mm 处，满足标准测量装置中>5D 的要求， 同时保证进入管道内气流均匀稳定, 便于风机串联性能测试；第二道整流栅设置在距一级风机出口450mm 、辅助测点815mm 处，其作用是为了保证中间管道内气流均匀稳定，便于辅助测量孔测试。 4.3 节流器
节流器安装在风管进口处，能沿带有刻度的轨道滑动，通过设置其不同的开口位置，即不同的工况来调节流量，并用销子固定以保证同一工况测试的准确性，同时也保证了多次测试的可重复性。此种设计可适应不同类型风机，不同流量的需要，调节范围较大，外观如图6所示。
图 5 整流栅外观图 图 6 节流器外观图
5 测试系统
测试系统原理如图7所示，主要由测试系统、控制系统、试验风机、各类传感器及相应的显示仪表（包括温度计、微压计、变频器等）、各种输入模板、计算机部分（包括打印机、绘图仪）等组成。
图 7 测试系统原理图
（1）压力测量：压力测量采用皮托管与微压计相结合。测试时气流通过皮托管的全压和静压测孔，流至DP-2000数字式微压计的高压和低压接口，经微压计的A/D转换器，将压力模拟信号转换为数字信号，通过5位LED 显示出来。当皮托管全压接口与微压计高压接口相联接时，显示的数值为全压；当皮托管全压接口与微压计高压接口相联接，同时皮托管静压接口与微压计低压接口相联接时，显示的数值则为动压。反之，若将皮托管静压接口与微压计高压接口相联接，则显示的数值为静压； DP-2000数字式微压计压力测量范围为0~1998Pa，基本误差为±1%FS，环境温度每变化1℃，微压计示值变化量不会超过基本误差的1/5（实际约2Pa/℃），因此具有较高的测试精度。
（2）功率、转速、扭矩测量：此部分采用基于Labview 编程软件的无线网络虚拟测试系统，与JN338型智能数字式转矩转速传感器相结合，能实现功率、转速、扭矩的自动采集、显示、存储与处理，自动化程度较高。所用无线遥测设备，打破了空间的局限性，可实现远距离测试。转速控制用V ARISPEED 616G5 1.5kW 变频器和YTSP90L-4 1.5kW 变频调速三相异步电动机控制，可调节转速范围为0~2800r/min。
（3）温度与大气压测量：温度测量采用温度计人工读数。由于进行一组性能测试的时间较短，通常不超过0.5h ，因而大气压变化可忽略不计，大气压力采用水银气压计人工读数，测量误差为±0.25mg ，可满足测试要求。
（4）微机系统与接口：此部分主要由笔记本电脑、打印机组成。Labview 遥测系统采集的功率、转速等数据直接保存在笔记本电脑中。压力、温度及大气压等数据则用键盘输入电脑中。所有数据用Excel 2000进行存储与处理，并用功能强大的数学运算及绘图工具MATLAB 绘制风机的Q -p s 、Q -P 、Q -ηs 等性能曲线。并能将串联性能曲线与单风机性能曲线以及计算的理论叠加曲线进行对比分析。
6 试验实例
通过对SF3.5G-4型轴流通风机与自制横流风机单独及串联运行进行吸气性能试验，绘制出单机及串联的Q -p s 、Q -P 、Q -ηs 等性能曲线。图8、图9是将串联试验结构图2中的一级风机的后面部分去掉，测量单风机性能，绘出的性能曲线；图10给出了轴流风机和横流风机串联后在串联吸气性能试验台上测出的串联性能曲线。为便于分析，图10还给出了轴流风机和横流风机各自单独运行的吸气性能曲线，并将按串联叠加原理计算所得的理论叠加串联性能曲线一并绘上。通过此图可以对各种风机串联后的性能与单独运行时的性能以及理论叠加性能进行对比，以确定各种不同风机在不同转速下串联后的性能变化规律。图11是轴流与横流风机串联系统的效率及两风机单独运行时的效率比较图。以上绘出的曲线均采用最小二乘法，通过3或4次拟合得出[10]。
图8 横流风机（n=740r/min）Q -p s 、Q -P 曲线
图9 横流风机（n=740r/min）Q -ηs 曲线
参 考 文 献
[1] 殷忠民，茅忠明，等. 大型通风机性能自动测试装置的研制[J]. 流体机械，2000，28（3）：8-11,3.
[2] 张义云，祁大同. 如何选择通风机性能测试试
图10 轴流―横流风机串联Q -p s 叠加曲线
验台[OL]. 中国风机网.
3 [3] A Toffolo,A Lazzaretto and A D Martegan
图11 轴流―横流风机串联Q -ηs 曲线
7 结束语
（1）本试验装置可用于各种类型风机
的串联组合，在各种不同转速下的吸气性能测试；将二级风机及相关管道去掉，还可以进行各种类型风机单独运行的吸气性能试验；将整个试验装置倒过来并稍加改变，也可用于风机排气性能测试。
（2）本试验装置由于采用皮托管与微压计相结合的测试方式，人工测量、读数，简单方便；采用计算机系统处理数据、绘制性能曲线，便于分析比较。
（3）实际试验结果表明：该测试与分析装置设计合理，通用性好，测量精度高，测试数据准确、可靠，重复性好。
i. Cross-flow fan design guidelines for multi-objective performance optimization. Power and Energy，2004，218.
[4] 朱永宁，陶滨友，周学建. 径向进气风扇结构和
性能参数的实验研究[J]. 洛阳工学院学报，1985(1).
[5] 师清翔，等. 横流式系列风机及其CAD 研究鉴
定材料汇编. 洛阳工学院，洛阳西方节能设备厂，1991.
[6] GB/T1236-2000 工业通风机 用标准化风道 进行性能试验[S]. 国家质量技术监督局，2000. [7] GB/T15913-1995 风机机组与管网系统节能监测方法[S] . 国家质量技术监督局，1995. [8] 续魁昌. 风机手册[M]. 机械工业出版社，
2003.
[9] 蔡增基，龙天. 流体力学泵与风机[M]. 中国建筑工业出版社，1999.
[10] 沈圣豪，杨伟民. 小型通风机性能自动测试系
统的实现技术. 风机技术，2002（5）：36-39.