无蜗壳离心通风机特性及其在空调领域的应用

1 无蜗壳离心风机介绍

风机作为常用的机械设备，广泛应用于国民经济的各个领域，例如：电厂锅炉、建筑物通风、空调系统等，也是社会生活中耗能量大的流体机械之一，根据1998 年全国工业普查统计资料显示：我国的风机装机总功率已达到0.49亿kW，但设备平均效率仅为75%，比国外产品低10%，系统实际运行效率更低，仅为30～40%，节约潜力巨大。

无蜗壳风机在国外运用得较多，有比较成熟的经验。随着国外技术的引进，国内部分工程项目中的空调机组尝试采用了这种新形式风机，取代传统的蜗壳式离心通风机。

无蜗壳离心风机(Unhoused /Plug/Plenum Fan)，常用于组合式空调机组与四面出风卡式风机盘管机组，由集流器、离心叶轮、电动机和电机支撑架组成，比常规蜗壳式离心风机相比少了蜗壳，国外无蜗壳离心风机产品如图1 所示。

无蜗壳风机的特殊构造使之与传统蜗壳式风机相比具有如下优势。

(1) 无“喘振”现象。在特性曲线左侧没有轴流风机所具有的马鞍形工作区，所以在小流量区域工作时不会出现“喘振”现象。

(2) 效率高。电机采用直联形式，传动效率高；在风机出口动压占全压比例小，静压效率高，可获得好的气流条件，风机出口不需设置均流装置。

(3) 静音优势。没有蜗舌，避免叶轮与蜗舌相互作用带来的噪声。

(4) 体积优势。相同规格和额定风量下，在额定风量大的区域，平均外形尺寸要小10% 左右，平均体积小26%，从而节约大量的安装空间，有利于空调机组的小型化、集约化。

(5) 出口方向任意。没有蜗壳安装更为灵活，内置在空调设备中，可将空调设备的外壳视为风机的外壳，系统的入口和出口即为风机的入口和出口，出风方向可以灵活布置，满足各种空调机组的需求。在空间受到限制的地方及风机改造项目中，相比传统风机优势更为明显。图2～3为此种风机两种送风形式。

(6) 没有蜗壳、皮带和皮带轮。避免了皮带磨损、皮带的紧固及更换维护工作，可省去出口末级过滤器，同时避免蜗壳积存污染物，更加干净卫生。

2 无蜗壳离心风机的研究现状

Charles 比较了有蜗壳和无蜗壳风机的应用特点，提出无蜗壳风机设计的基本要点，以便制造商、设计师和业主能够根据相似的产品得到相似的性能曲线。同时研究了其在径向送风和轴向送风形式下的风机性能变化。径向送风时，平均损失系数可降低36%；轴向送风时，风管轴心偏离风机轴心可以导致平均损失系数提高63%。

Shan 在《空调制冷手册》中指出：无蜗壳离心风机的总效率最高为58～63%，选择合适的风机型号和采用恰当的消声工艺，可以得到较低的声功率。

ASHRAE Handbook 指出在空调设备中使用无蜗壳风机时，空调设备的外壳应留给无蜗壳风机适当的空间，以免气流直接冲击管道增大冲击引起的噪声，避免在风机入口、盘管和过滤器区域造成气流的阻塞。

意大利NICOTRA Gebhardt 风机在《Centrifugal fansbelt-driven and plug fans》手册中指出，当离心风机叶轮放入方壳中运行时，外部方壳带来压力损失。为了保证原有风机的性能，风机转速和功率需要在原有数据上乘以修正系数(f _N ＞1)，即：风机转速n= n ₀ ×f _N ，功率N=N ₀ ×f ³ _N ，如图4～5 所示。

为了便于与叶轮外径比较，引入当量尺寸A(A =（根号）[B×H])，B 和H 别为方壳截面宽和高，D为叶轮外径，当A/D＜1.4时，随着比值的降低，曲线变陡，修正系数f _N 急速增大，当A/D≥1.6时，曲线基本趋于水平，修正系数f _N 接近最小值。图为方壳截面推荐值尺寸，指出方壳截面宽高尺寸应该满足宽度B ≥1.6D、高度H ≥1.6D 要求选取。

3 无蜗壳风机在空气处理机组中的运用

无蜗壳风机具有轴向出风和径向出风的特殊送风形式，能够在实际运用时采用多台风机并联，以在合适场合替代单台大功率的常规离心风机。

陈玉良介绍了针对组合式空调机组研制的一种新形式的风机段———风机墙技术，其由多台无蜗壳风机并联排列组成，无蜗壳风机通过后向离心叶轮轴向送风，风机采用双面机翼型铝制叶片，风机墙可以通过关闭风机数量和采用变频技术两种途径实现调节，总结了这种新的风机段形式与其他组合式空调机组的风机段相比所具有的优点。

图6 为HUNTAIR公司提出的多台无蜗壳风机并联的风机墙技术。图7～8为国外厂家在机房空调中，采用多台无蜗壳风机并联置于机组的顶部或底部的运用，与常规离心风机一样满足了机组风量、风压的要求，也满足了实际的空间约束条件。

艾默生网络能源公司研究了在机房空调中采用不同类型的风机系统的能源利用效率。在机房空调中采用可变频的无蜗壳风机和变频器，通过改变风机转速，降低输入功率，提高了能源效率。根据ASHRAE127-2007(计算机与数据处理间单体气调节器分级的测试方法)，比较了三种风机系统的运行效果：将离心通风机、无蜗壳风机分别置于机房空调内部空间下侧，将无蜗壳风机置于机房空调底部。系统均采用三台风机并联工作，在相同风量和外部静压下进行测试，结果显示: 后两种系统分别可以降低输入功率18%和30%，且在改变风机转速的情况下，能达到同样效果。从投资角度分析，后两种系统制造费用加大，但是可以将年运行费用分别降低48%和64%。

在美国双城风机的样本手册中，厂家介绍了生产的高效系列和声效优化系列无蜗壳风机的特点和技术数据，主要优点有：出风口多样性、节省空间、高效、降低成本。

针对风机的水平安装和垂直安装，根据电机位置的不同，手册设计了多种传动布置方式。考虑到气流从无蜗壳风机进入管网引起局部损失，手册针对不同的出风形式和位置，对风机的选型提出了压力修正系数，以便于风机选型。手册中还指出了多台无蜗壳风机并联时，风机转速需保持一致，风机转向配合应采用左旋右旋的风机交替设置，有利于减小压力损失。

4 前景

无蜗壳风机作为一种新形式的风机，具有结构简单、静压效率高、体积小、出口方向任意等特点，在空调领域已得到国内外的密切关注。由于无蜗壳风机影响因素复杂，尚有很多工作需要进一步展开。

(1) 制定相关标准和规范。这种新形式的风机在叶轮设计、支架设计等方面有待完善，需通过大量的研究得到相关的经验公式和设计思路，以指导产品的设计和运用。

(2) 优化结构。风机性能主要由风机内部流场的流动状态决定，因此采用先进的实验测试技术研究风机内部流场，进一步优化无蜗壳风机的结构，如：轴向送风时，风机叶片形式的改进，更好的匹配空调机组的实际运行需求。

(3) 计算模型。通过建模优化叶轮形式、结构尺寸和外壳的形式等。

无蜗壳离心风机融合了离心式风机和轴流式风机的特点，满足了更多场合的特殊需求。考虑到中央空调系统通常按照最大冷负荷设计，实际都在部分负荷下运行，且异步电动机轻载时，运行效率降低的情况，无蜗壳风机多台并联通过控制风机开启台数调节风量具有很大的节能优势和应用前景。

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