离心通风机内部气流短路间隙对风机性能影响的探讨

摘要：针对当前国内离心通风机普遍存在的内部气流短路间隙过大的问题，进行了一次严格的对比测试，结果是：间隙由2mm增大到19mm，就使有效功率降低了一半。仅此一项造成的能源损失大约等于输入功率的40%。现在国内正在生产和使用的离心通风机的间隙一般都大于19mm。对此作者提出了风机改造方案。
关键词：离心通风机；内部气流短路；气流短路间隙；节能改造；性能测试
中图分类号：TH432　　　　　文献标志码：B
Discuss of the Effects of Internal Airflow Short-circuit Gap on Performance of Centrifugal Fans
Abstract: In view of the big gap of internal airflow short circuit commonly existing in the current domestic centrifugal fans, a rigorous comparison test is carried out in this paper. The result shows that the effective power will decrease half by increasing the gap from 2mm to 19 mm. The energy loss caused only by that is approximately equal to 40% of the input power. Now it is found that the internal airflow short circuit gap existing in the current production and use of the domestic centrifugal fans is generally more than 19mm. So the author raises his proposals for the program of fan improvement.
Key words: centrifugal fan; internal airflow short-circuit; airflow short-circuit gap; energy-saving improvement; performance test report
0 引言
　　目前我国普通离心通风机普遍存在的一个严重问题，就是其进风口与叶轮之间的间隙（也叫轮盖间隙）太大，造成机内大量气流短路。这既使风量、风压和风机效率大大降低，造成大量能源浪费，又严重影响了风机使用现场的生产和工作：例如烘烤炉的风量不够，产量降低；正确设计的气力输送系统不能正常输送物料；一套冶金或化工装置由于总风机抽力不够导致生产不正常；气流干燥或流化床系统效果不佳等等。近二十多年来这方面的问题越来越严重了。本人在多个机电大市场和工厂看到的和实际用到的4-72、9-19、G4-73、Y4-73、Y5-48等，以及塑料风机、多翼低噪声离心风机，其气流短路间隙大多在20mm以上，很多达到25~35mm，锅炉引风机的间隙更大。造成这种状况的原因是多方面的：有设计标准问题、小厂管理不善、用户采购员不懂技术等等。但最主要的还是风机行业的技术人员和管理人员存在的认识问题，他们大多认为间隙大了不好，会有些浪费，但并不相信会造成很严重的能源浪费。为了弄清楚这间隙的影响到底有多大，特进行了本次测试。
1 测试方法和仪器
　　本次测试采取自由进口和管道出口装置类型（B类）。
　　除非是有条件的专门测试场所适于用孔板、文丘里等装置以外，一般的风机性能测试多用L形标准皮托管做传感器。但皮托管并不理想：风速不能大于40m/s，有的标明只能用于0~30m/s，精度也不高。现在市场上有数字式风速测量仪、流量测量仪，灵敏又方便，但其传感器还是皮托管。皮托管之所以不能用于高风速场合，主要是因为其静压测孔开在皮托管之外壁，当风速较高时，此处很难保留贴近管壁的滞留层，所以静压测不准。
　　本次测试所用的主要仪器是小管径全压测量管，用Φ3.0的无缝不锈钢圆管制作，其测量口一段逐渐缩小到直径2mm，从测量口到直角弯的直管长度为管径的20倍以上，并有专门的固定和调节装置，使用很方便。静压测孔单独开在被测风管壁，与全压管测量口处于同一横截面内。在测量点前后有足够长度的情况下，可以认为在同一个横截面上的各点静压相等。显示压力用玻璃管U形压力计。风机为4-72A-4.5 #-7.5kW-2900r/min。风管为DN250的PVC管，长3.8m，测量点距进风端面2m，相当于8倍管直径。静压测孔直径约2.2mm，外管直径3mm。电压测量用数字式万用电表，电流测量用初级8匝的5倍电流互感器接数字电流表。
　　风管出风口的轴线上有一根螺杆，移动螺杆上的圆钢板就可以调节阀门开度。这次的阀门开度共设7档，圆钢板到出风口端面的距离分别是：0档、1档30mm、2档70mm、3档120mm、4档200mm、5档300mm和6档全开。
　　为了验证进风口与叶轮之间的间隙对风机性能的影响，这次为一个叶轮配制了2个不同的进风口，一个与叶轮的间隙为2mm，另一个为19mm。这样测试完一个后，只要换装一个进风口就可以再试第二个了。
　　具体测试方案见图1。

2 测试记录
　　下面的记录表中，表1为间隙2mm，表2为间隙19mm。

3 　数据处理
　　所用PVC管并不很圆，内径从241mm至245mm,截面积按直径243mm计算,而测量孔开在245mm的直径上。考虑到圆管中间和边缘可能流速有差别，将圆面积平均分为三等分，即中间一个圆及两个圆环。这三个部分的测量点都必须取在其内外等面积的等分线上。这样一来，实际上就是要将整个圆平均分成6等分，测量点分别设在第1、第3、第5个圆上。设这三个圆的半径分别是R₁、R₂、R₃，大圆半径为R=122.5mm，则可推出：
　　R₁＝(1/6)^0.5R=0.408 2R=50.00mm
　　R₂＝(3/6)^0.5R=0.707 1R=86.62mm
　　R₃=(5/6)^0.5R=0.912 9R=111.83mm
测量中，风管内的全压取全压管的读数，动压为全压与静压之差。空气温度和湿度都接近标准状态，直接取数计算，空气密度取1.2kg/m³。电动机的功率因素没有实测，就取其铭牌上的0.8。
　　动压、静压、全压分别标为p_d、p_j、p_q，功率、输入功率、有效功率分别标为N、Nr、Ny，风速、风量、面积分别标为U、Q、S，电流、电压分别为I、V，则：
　　U=(2p_d/1.2)^0.5=1.291p_d^0.5（m/s）
　　Q=SU=0.785 4×0.243²×3 600U=166.968U(m³/h)
　　Ny=Qp_q/3 600 000(kW)
　　N_r=1.732IV×cosφ
　　由以上测量数据和计算公式，依次可计算出如下结果：

5 讨论
　　由以上数据和图表可以看出：离心通风机内部气流短路间隙的大小对风机性能产生严重影响：间隙由2mm扩大到19mm，就使风机总效率降低了将近40%；在输入功率减少大约1/5的同时，有效功率减少了一半。仅此一项所造成的能源损失大约等于风机输入功率的40%。可以相信，与低压的4-72风机相比，高压的9-19等风机对间隙更敏感。
　　在JB/T10563-2006一般用途离心通风机技术条件中有规定：
　　“3.5.4 进风口与叶轮轮盖进口间的径向单侧间隙为叶轮直径的0.15%~0.45%，轴向重迭长度为叶轮直径的0.8%~1.2%。”照此规定，直径450mm的4.5#风机的间隙应为0.675~2.025mm，轴向重迭长度为3.6～5.4mm。照此标准，现在国内正在使用的和正在生产的普通离心通风机没有一台是合格的。
　　虽然国家标准要求很高，但若要达到标准的要求在我国现阶段是不可能的。
　　1）　设计方面的原因：据了解，我国现用的离心通风机制造技术基本上还是沿用前苏联在上世纪四、五十年代的标准。可以看出，风机的发明人和后来的改进者在流体动力学方面考虑得很细，但对于在制造工艺中如何减少气流短路这方面有所忽略。为了尽可能减少气体涡流损失，将进风口设计成特殊的弧线形，或叫双喇叭形（见图7），其直径先逐渐缩小，然后又逐渐扩大一些，这样就有了一个比中间的最小圆大一些的端面圆。风机装配时，多是先装叶轮后装进风口，进风口的端面圆必须小于叶轮轮盖进口才能装得进去。装进去以后，现在国内市场上的一般情况都是尽量使叶轮处于进风口最小圆平面内，这样，实际间隙为S₃,S₃=S₁+S₂,这就必然有相当大了。即使是进风口端面正好处于叶轮轮盖进口平面内或稍许进去一点，这样间隙可以达到最小，但在以后的检修和热膨胀都可能改变叶轮的轴向位置，也就会加大间隙。

　　2）　制作方面的原因：现在的绝大多数风机厂都是人工冷作，工件的尺寸精度、圆度、同轴度都远远达不到要求，光是圆度误差就超过间隙标准要求的几倍；再加上工人技术不熟练、企业管理不严、市场对“间隙”没有要求，所以一般的间隙都很大。一些塑料风机、多翼低噪声风机的轴向间隙在20~35mm，显然是生产者和采购者都没有这方面的意识。
　　3）　政府缺乏技术监督：过去有地方政府的行业监督，对风机产品实行抽样测试，现在没有了。
　　现在的风机厂都把用于较高温度场合的锅炉引风机等的间隙留得特别大，理由是考虑热膨胀。其实这是一个误区。因为进风口是插在叶轮里面的；而且叶轮的温度总是略高于进风口，因为热气流对叶轮的对流换热最好，对风管和进风口的传热要差一些，而且进风口和风管还有对外散热的问题，叶轮则没有。所以，当气体温度升高后，两者之间的间隙不是变小了，而是增大了，所以锅炉引风机等高温风机也不必加大间隙。
　　要想真正解决我国的离心通风机间隙问题，避免严重的能源浪费，只有采取一个办法：改变风机的设计和加工方法，将叶轮和进风口的配合部分改成圆柱面，并实行车削加工（见图8）。只有这样，才能达到必要的尺寸精度、圆度和同轴度，才能使气流短路间隙不会因叶轮位置难以避免轴向移动而改变。

　　自2010年上半年以来，我们根据此方法改造了1台旧风机，又在风机厂定制了3台，总共4台。第一台间隙2.55mm，第二、三台间隙1.5mm,第四台间隙2mm（就是这次测试用的）。投入使用后风量、风压都明显大了。这样的改动所增加的气流阻力损失应是微乎其微的，制作成本也增加不多，目前这项技术已获得专利。
　　4）　节能改造的效益估计
　　在全国离心通风机的装机容量和用电量，目前没有参考数据。估计装机容量和用电量大约都占到总量的1/10以上。按照这个比例，2010年全国发电量41　413亿kWh，因为通风机间隙增大的原因平均浪费40%的电量，按0.5元/k·Wh计算，全国离心通风机因此而浪费的总电价值为828亿元/年。大量节约电能，就能减少以煤发电的环境污染，减少煤矿矿难。风机质量大幅提高对使用风机场所提产降耗、改善环境也都大有裨益。
6 结论
　　测试结果表明，离心通风机内部气流短路间隙的大小对风机性能产生严重影响：间隙由2mm扩大到19mm，就使风机总效率降低了近40%；在输入功率减少大约1/5的同时，有效功率减少了一半。仅此一项所造成的能源损失大约等于风机输入功率的40%。现在国内正在生产和使用的离心通风机中多数间隙在19mm以上，还有很多在30mm以上，浪费的电能比例更大。要想改变这种局面，必须改变离心通风机的设计和加工方法，将进风口和叶轮的配合部分改成圆柱面并进行车削加工。