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1、风扇系统气动设计一 方法本风洞风扇设计要求在两种不同流量（即两个不同试验段截面积：4.8m2-对应风速 120m/s的二元试验段； 8.25m2-对应风速90m/s的三元试验段）情况下风扇均处于最佳工作状态。要实现这一目的，有两种途径：变矩和变转速。 经论证，变矩会使风扇结构复杂，使用不便，增加造价；变转速则容易简单，只涉及到电源控制。具体设计时我们曾考虑了Patterson方法， Collar 方法和 Wallis方法。实际计算表明，按Patterson方法和 Wallis 方法设计所得风扇弦长 C 太大，叶片迎角 和升力系数 CL太小，特别是 Patterson方法，根部弦长大于800mm
2、，叶片在-1.60 0.90迎角下工作，而升力系数在 0.41 0.49之间。按 Collar 方法设计，当风洞几何外形、风速、电机转速一定，叶片数N，弦长 C 和升力系数 CL三者之积为常数，在合适范围内，这三个参数经协调均可取得较合理的值。另外，按 Patterson方法和 Wallis 方法，不同的流量对应着不同的弦长和安装角，存在两个变量， 用变转速的方法来协调和统一弦长和安装角难以实现，而按Collar 方法则可先使其两种不同流量下其弦长相同，只有安装角这一个变量， 通过变更其它个相应参数， 可协调不同流量下的安装角，使其达到要求的范围之内。鉴此，我们采用了Collar方法。二 公式
3、Collar 方法设计计算所用公式是由近似的片条理论得出的。这些公式是：21AV8=P （1）A0u=AV （2）21drdTNcu2Gcot（3）21drdQNcu2Hcot（4）G= sinLC- sinDC（5）H= sinDC- sinLC（6）tg=）（2a-1ru（7）2a-11= J+rNc8H （8）=-（9）其中-空气密度A- 试验段面积V-试验段速度-功率因子P-电机轴功率A0-风扇段面积u-风扇段速度T- 推力Q- 转矩-局部半径N- 叶片数C- 局部弦长CL-局部升力系数CD-局部阻力系数- 风扇角速度a2- 旋转流入因子- 局部叶片角- 局部迎角上述公式的推导过程见材
4、料（2） 。资料（1）中对这些公式的使用作了如下处理：略去阻力系数 CD和旋转因子 a2；又因风扇很少在高螺矩下工作，且 u 与r相比较小，故式变为tg=sin=ru（10）且用 cos =1 把（2） （3）式简化为21drdTNcr22C L （11）21drdQNcr2uCL （12）进而推出A0u2 NcrC L =4p（13）根据我们具体风洞情况， 以达 40 多度，这样的处理太粗糙， 欠合理。在计算过程中，迭代开始时只采用了tg=ru，其余计算全部未做简化处理的公式进行。经计算比较可知， 原简化处理偏保守， 而用未简化原式计算则较为合理。三 原始数据及计算结果电机功率：P=1120
5、千瓦电机转速：二元n1=450 转/分; 三元n2=500 转/分风扇角速度：二元1=604502=47.12o/秒；三元1=608002=52.36o/秒；风扇段风洞直径： Df =4.8m 风扇直径：Df1=4.79m 风扇直径与转毂直径之比：xb = DfDb=0.65 整流罩直径： Db=3.1135m 风扇段通道面积： Af-Ab=10.4502m2 风扇转矩 :二元Q1=1p=12.479.81021120=2.？三元Q1=2p=36.529.81021120=21381.84 N.m 风扇叶片所受切向力：二元X1=75.01Qr= 185.223757.55=10873.00N
6、三元X2=75.02Qr=185.221381.84=？每个叶片所受切向力：二元X1= 1210873.00=906.11N 三元X2=129785.69=815.46N 风扇叶片推力：二元T1=1f1DfV=26.548 .98833.01021120=18225.26N 三元T2=2f2PfV=05.718.99017.01021120=14208.33N 试验段面积：二元AT1 = 4.8 m2三元AT2 = 8.25 m2试验段速度：二元VT1 = 120 ms 三元VT2 = 90 ms 风扇段速度：二元Vf1 = 54.26 ms 三元Vf2 = 71.05 ms风洞能量化：二元R
7、E = 5.062 三元RE = 3.741 风扇叶片选 12 片。叶片剖面取RAF-6 系列翼型。叶片从根部到梢部剖面具体取为：RAF-6 D，E，F，F，F 采用变相对厚度。整个设计过程是由计算机完成的。协调计算结果如下：二元情况：C （翼弦，单位 m） (安装角，单位度 ) r （半径， 单位 m） CL（升力系数）0.42 43.49 1.569 0.825 0.41 39.42 1.766 0.777 0.40 36.10 1.976 0.734 0.39 32.73 2.185 0.679 0.38 29.93 2.395 0.665 效率f1 =0.8833 , 经过风扇后气流的
8、最大转角=21.15o 风扇前后压差P=1744.01 Nm2三元情况：C （翼弦，单位 m） (安装角，单位度 ) r （半径， 单位 m） CL（升力系数）0.42 42.65 1.569 0.471 0.41 39.15 1.766 0.447 0.40 36.24 1.976 0.426 0.39 33.11 2.185 0.407 0.38 28.38 2.395 0.390 效率f2 =0.9017 经过风扇后气流的最大转角满足要求。风扇前后静压差： p=1359.65N/m2 由结果可知， 两转速下弦长相同， 叶片安装角非常接近 （除根弦外） 。我们是二元风洞，故选二元情况下计算
9、结果作为设计参数（当然这样可以基本兼顾三元） 。四 . 预旋片，上旋片，整流罩设计预旋片翼剖面选NASA0010 翼型，根弦长 2.1米，梢弦长 1.4米，靠风扇一侧（翼型后缘）垂直流线。预旋片弦线与流线重合，实际只起导流和支撑整流罩头部作用，不起预旋作用。预旋片选5 片。风扇后的气流以扭转角 冲向止旋片，为此有校验公式=tg-I60450180o, 1.33kp24o, 可满足根弦处气流不分离的要求。根弦处气流扭转角较小，一般对称翼型完全可以满足要求，故梢弦选（稍作修型），中间直线过渡。根弦长2.1 米，梢弦长 1.8 米，靠风扇一侧（翼型前缘）垂直气流。止旋片选7 片。因止旋片还兼有电机支
10、撑与电机冷却通风管道之用， 故止旋片最大厚度沿展长不变。？后支撑片选用 3 片， 剖面是 NACA0010， 根弦 1.5m， 梢弦 1.0m。整流罩按常规流线型旋成体经验公式设计计算，公式为：当 0LX0.4 时(LX- 0.4)2 + 0.16(Rr)2 = 0.16 当 0.4 LX1.0 (LX- 0.4)2 + 0.0679(Rr)2 + 0.2921Rr= 0.36 计算时取L=9.34m，即前段取 3.74m，后段取 5.6m，在前后段之间有 3.245m长等直段，以置放电机。参考文献1.“ The Design of Wind Tunnel Fans”ARCollar R&M 1889(Aug 1940) 2.“ Exploration of the Flow near the Screw Proposed for the NPLCompressed Air Tunnel” C N H Lock and A R Collar R&M 1293 3.“ Ducted Fans: Desgin for High Efficiency”GNPatterson ACA7(July 1944) 4.“ Axial Flow Fan” RAWall-is (1961)
