轴流式灭火风机气动设计和有效风速理论分析

Vol.32，No.3May ，2010

收稿日期：2009--10--28基金项目：国家林业局森林防火指挥部办公室项目

“轴流式风力灭火机研究”。第一作者：褚双磊，博士生。主要研究方向：林业与园林机械、流体机械。电话：010--62338141Email ：chushuanglei @163.com

地址：

100083北京市清华东路35号北京林业大学675信箱。

责任作者：俞国胜，博士，教授。主要研究方向：林业机械、生物质能源成型设备。电话：010--62338141Email ：sgyzh@bjfu.edu.cn

地址：

100083北京市清华东路35号北京林业大学工学院。

本刊网址：http ：∥www.bjfujournal.cn ；http ：∥journal.bjfu.edu.cn

轴流式灭火风机气动设计和有效风速理论分析

褚双磊

俞国胜

秦瑞鸿

（北京林业大学工学院）

摘要：分析了轴流式风力灭火机采用高速轴流风机的设计特点，结合流体力学中的叶型设计理论对高速轴流风机进行了气动反向设计，得出叶型截面的翼型参数和变截面扭曲叶片的实体模型；并结合气体圆形自由射流原理对轴流式风力灭火机的有效风速进行了理论分析，探讨了提高轴流式风力灭火机有效风速的具体途径。关键词：轴流风机；轴流式风力灭火机；空气动力性能；有效风速

中图分类号：S776.29+6

文献标志码：A 文章编号：1000-

-1522（2010）03--0180--06CHU Shuang-lei ；YU Guo-sheng ；QIN Rui-hong.The aerodynamic design of fire-fighting fan and theoretical analysis of effective wind speed in an axial-flow pneumatic extinguisher.Journal of Beijing Forestry University （2010）32（3）180--185［Ch ，15ref.］School of Technology ，Beijing Forestry University ，

100083，P.R.China.The fire-fighting fan of an axial-flow pneumatic extinguisher makes use of an axial-flow fan.In this study ，we analyzed the design features of a high-speed axial-flow fan for the axial-flow pneumatic extinguisher and made an aerodynamic and reverse design for the high-speed axial-flow fan in combination with the theory of blade design in fluid mechanics.The airfoil parameters of the blade-type cross-section and the solid model of distorted blades with variable cross-section were determined.The effective wind speed of the axial-flow pneumatic extinguisher was also analyzed theoretically in combination with the principles of free gas circular jet flows.In the end ，we discuss the ways of enhancing the effective wind speed of an axial-flow pneumatic extinguisher.Key words axial-flow fan ；axial-flow pneumatic extinguisher ；aerodynamic performance ；effective wind

speed

便携式风力灭火机属于利用空气作为灭火介质的高速气流灭火机具，灭火风机是便携式风力灭火机的主要工作部件，风机的性能直接影响到便携式风力灭火机的工作效率和灭火效果。现有的离心式风力灭火机依靠小型二冲程汽油机带动离心叶轮高速旋转，将外部空气整流吸入后增压加速，形成强有力的高速空气射流，迅速吹散林火燃烧的高温，同时吹散可燃物燃烧时分解出的可燃气体，使其浓度低于着火极限而达到风力灭火的目的

［1-

-3］。

目前，便携式风力灭火机中的灭火风机大多数采用离心式风机，离心式风机的特点是气流经过叶

轮时流速和方向都要发生很大变化，这样风压较高，能耗较大；与离心式风机相比，轴流风机中气体是沿轴向进入和排出的，没有离心惯性力，因而产生的风压很小，但产生的风量和出口风速却很大，具有高比转数，效率较高，能提供强大的高速空气射流，符合便携式风力灭火机所需要的灭火要求，有助于便携式风力灭火机灭火效率的提高。

本研究拟采用轴流式风机代替离心式风机，优化便携式风力灭火机的灭火性能。并对新型轴流式风力灭火机中的轴流风机进行了气动理论计算和造型设计，同时对评价便携式风力灭火机灭火性能的

1轴流风机气动设计的基本要求轴流式风力灭火机依靠汽油机间接驱动轴流风机的叶轮高速旋转，使得气流加速形成高速空气射流，从风力灭火机出口处排出高速度、大流量气流，直接吹向火源，并迅速带走燃烧物燃烧产生的热量，使其燃烧区域的温度急剧下降到燃点以下，从而实现灭火目的。

用于风力灭火机上的轴流风机不同于一般工业用轴流通风机，它在设计上具有一些特殊的要求：1）风力灭火机是森林消防中的移动作业机具，多为手提式，整机质量要轻，外形结构尺寸要小，因此要求相应配套的灭火风机体积要小、质量要轻，以降低制造成本。2）出口风量要大、出口气流速度要高，要有尽可能大的动压；风压也要求较高，以利于气流的加速与射流的形成。3）灭火风机由汽油机驱动，其转速较高，一般可达到6000 7000r/min。4）风机效率要与风力灭火机整机效率相适应，并与汽油机配套。要使发动机功率有一定的储备，保证发动机在额定转速下工作，以达到满意的风力灭火效果；同时灭火风机要具有较高的风机效率。在正常情况下，轴流风机应在高效区工作。5）风机运转平稳，噪声和振动要小，避免在喘振区工作。6）风机叶轮外缘的圆周速度和旋转叶轮本身的强度要有一定的。

轴流风机的气动性能是轴流式风力灭火机设计的关键，但轴流风机的气动性能与轴流式风力灭火机的整机质量、耳旁噪声是相互矛盾的。如果想提高轴流风机的出口风量，肯定要增加轴流叶轮的直径，必然会使轴流风机的质量和结构尺寸增加，这样轴流式风力灭火机的整机质量将有可能不满足我国便携式林业机械的国家标准；同时，要提高风机的有效风速，会增大轴流风机叶轮外径的圆周速度，势必会导致轴流风机的噪声较大和叶轮强度可能不足。因此，在设计中应综合考虑轴流风机的气动性能和风机外形尺寸等影响便携式风力灭火机工作性能的主要因素，着重解决主要矛盾。

2轴流风机的气动设计及理论计算依据GB/T10280—1999［4］（表1），初步确定轴流式风力灭火机中轴流风机的风量Q

v

=0.5m3/s、风压P=300Pa，选择轴流风机的级数为单独动叶轮级，即可对轴流风机进行气动反向设计。反向设计的设计思想为已知要求的轴流风机工况参数，以保证灭火风机的气动性能为主要出发点，同时兼顾灭火风机的工作条件来设计轴流叶轮的结构参数与叶型型面几何参数。

表1国家标准规定的便携式风力灭火机中

灭火风机性能要求

Tab.1National standards for performance requirements

of portable pneumatic extinguisher

性能指标国家标准

距灭火风机中心2.5m处的风速/（m·s－1）22

出口风量/（m3·s－1）≥0.4

风机全压效率/%≥60

2.1叶轮轮毂比和主要无因次系数的确定

根据Q

v

=0.5m3/s、P=300Pa来计算风机的

无因次参数———比转数n

s

：

n

s

=nQ0.5

v

/P3/4=69（1）式中：n为轴流风机的转速，n=7000r/min。

根据轮毂比随比转数变化的关系曲线［1］，得出轮毂比珔d=0.25。

风机叶轮的轮毂比为叶轮轮毂直径D

h

与叶轮

外径D

t

之比，即轮毂比珔d=D

h

/D

t

。珔d与P成正比，与风机效率η成反比。轮毂比过大，叶片就过短，叶片流道中气体流动损失增加，使风机性能恶化，效率降低；轮毂比过小，会使叶片变得很长，给叶片的布置带来困难。

D

t

=77.4K

u

P0.5/πn=200mm（2）

式中：K

u

为叶轮外径系数，K

u

=3.28。

已知叶轮外缘的圆周速度u

t

=πD

t

n/60=70

m/s，从降低风机噪声的角度出发，u

t

≤60 80 m/s。

考虑到高速空气射流是便携式风力灭火机的基本要求，高速空气射流是由高风速和大风量组成，同时便携式风力灭火机对整机外形尺寸、质量和叶轮的强度也有严格的，因此在不影响风机气动性

能的前提下，选取D

t

=190mm、珔d=0.25、D

h

=48 mm、风筒内径为200mm、径向间隙为5mm。

流量系数：珚Q=4Q

v

/（πD2

t

u

t

）=0.252（3）

压力系数：珔P=P/（ρu2

t

）=0.051（4）

无因次轴向速度：c

z

=C

z

/u

t

=0.27（5）

式中：C

z

为轴流风机的轴向速度，C

z

=18.9m/s。

比转数、流量系数、压力系数和无因次轴向速度是轴流风机的主要无因次参数，在相似条件下，风机的无因次系数相同，这为该类型灭火风机在轴流式风力灭火机中的应用提供了理论基础。

2.2轴流叶轮的双圆弧叶型设计

轴流风机叶轮叶型分为机翼叶型和圆弧薄板叶型。圆弧薄板叶型的优点是制造方便，但效率比机翼型叶片低。机翼叶型前缘宽，后缘尖，阻力小，气体流动性好。轴流式风力灭火机的高速风机采用机

181

第3期褚双磊等：轴流式灭火风机气动设计和有效风速理论分析

翼与圆弧组合型叶片，也可称为双圆弧叶型，组合型叶片兼具机翼叶型流动性强和圆弧叶型制造容易、成本低的优点，其前缘的圆角大于后缘的圆角，叶型中心线为抛物线型，而不是圆弧线型。

选取轮毂宽度B =25mm ，轮毂直径D h =48mm ，轴流叶轮平面叶栅在轮毂外圆上的投影见图1

。

图1

轴流叶轮平面叶栅投影图

Fig.1

Plane cascade projection of axial-flow impeller

在不加大叶轮外形尺寸的情况下，加大了叶片的截面尺寸，

并适当加宽叶片宽度，这样会提高风机的全压效率，进一步提高风量和风速。叶缘的叶型截面积要大于叶根的叶型截面积，在叶轮外圆圆周速度较大的前提下，

造成叶片边缘对风的驱动作用增大，有利于吹风。叶缘的宽度b t =42mm ，叶根的宽度b h =34mm ，

b t >b h 。叶片角度的范围为30ʎ 50ʎ之间，取决于风机轮毂宽度的尺寸；叶片安装角越大，轴流叶轮的推力越大，气动性能越好。叶缘的安装角βt =34ʎ，叶根的安装角βh =44ʎ，βh >βt 。叶片扭转角Δβ=βh －βt =10ʎ。

叶轮叶根处和叶缘处的截面分别见图2、3。2.3

变截面扭曲叶片

叶片是风机的核心组成部分，轴流叶轮叶片形状采取变截面扭曲叶片（见图4）。风机叶片可以看作是由无数个叠加在一起的叶型面组成，每个截面的叶型面积不等，但形状相似。在扭曲叶片中，叶片轴线为叶片各截面扭转时的旋转轴，

各叶型面的重

图2

叶根截面草图

Fig.2

Cross-section sketch of blade

root

图3

叶缘截面草图

Fig.3

Cross-section sketch of blade edge

心重合在叶片轴线上，叶片曲面属于直纹曲面。同时，由于离心力场的影响，叶片沿叶高方向的理想形状应为扭曲面，

且从叶根到叶缘的变化符合空气动力学的要求，否则将影响气体流动造成能量损失。

变截面扭曲叶片从叶片的叶根到叶缘，圆周速度增大，叶片的弦长增大，叶片安装角减小

。

图4

变截面扭曲叶片

Fig.4

Distorted blade with variable cross-section

根据叶轮的基本结构参数对其进行三维造型，如图5所示。因为新型轴流式风力灭火机的高速轴流叶轮为非标准叶轮，所以采用整体成型的加工方式。为提高高速旋转叶轮强度，利用熔模铸造的方法铸造出铝合金轴流叶轮，如图6所示。

281北京林业大学学报第32卷

图5

轴流叶轮的三维造型

Fig.5

Three-dimensional modeling of axial-flow

impeller 图6

铝合金铸造的轴流叶轮

Fig.6

Aluminum alloy axial-flow impeller casting

3

灭火风筒的设计和有效风速的理论

分析

3.1

灭火风筒结构设计

在生产制造叶轮的过程中，叶轮本身已有一定的制造偏差，

故为保证叶轮在高速旋转过程中不与风机外壳产生碰撞，所以选取风筒直径为200mm ，径向间隙为5mm 。灭火风筒的具体结构见图7

。

图7

灭火风筒的结构

Fig.7

Structure of fire-fighting wind tube

轴流风机灭火风筒为渐缩型设计，由圆锥型风管和圆柱型风管构成，有利于高速灭火射流的形成。风筒尺寸（出风口直径、风筒长度）是非常关键的要素。在风壳进气面积一定的情况下，出风口直径过

小会导致气流阻力增加；出风口直径过大会导致出口风速和2.5m 处风速偏小。风筒长度过短会导致气体射流速度过早衰减，但便携式风力灭火机在野外条件下使用，不允许风筒过长，因而经过综合考虑风筒长度、

出风口直径对灭火风机气动指标的影响和野外实际使用条件，同时参照离心式风力灭火机的矩形风管长度，将灭火风筒的长度定为600mm （见表2）。同时灭火风筒的出口面积（出口尺寸）涉及到灭火风机的灭火面积，离心式风力灭火机的出风口尺寸为90mm ˑ82mm 的圆角矩形，换算成当量半径为50mm ，由此确定灭火风筒出口直径d o

为100mm 的圆。

表2

轴流式风力灭火机和离心式风力灭火机

的灭火风筒参数对比

Tab.2Comparison of fire-fighting wind tube parameters between axial-flow and centrifugal pneumatic extinguisher

轴流式风力灭火机离心式风力灭火机

灭火风筒形状

圆锥形和圆柱形焊接的组合型风筒矩形风管灭火风筒出风口形状圆形圆角矩形（四角带圆弧的方形）出风口尺寸/mm 5090ˑ82出口面积/m 20.007850.00738当量半径/mm 5048.5风管长度/mm

600600灭火风机中心距离风管出口的长度/mm

750

730

灭火风筒出风口的形状对于出口风速也有一定的影响。在相同的出风口面积和风筒长度条件下，圆形风管比矩形风管的周长小，风管沿程阻力损失小，所以将轴流式灭火风机的风管出风口设计成圆形，有利于减轻灭火风机的质量，提高灭火风筒的出风口风速。3.2灭火风机有效风速的理论分析3.2.1

有效风速和灭火距离

便携式风力灭火机中灭火风筒喷口气流自灭火风筒圆形出口喷出后，

出口气流速度较大，出流到无限的大气空间中去，其射流状态属于气体圆形紊流自由射流，其射流速度分布见图8。

灭火气流的射流为紊流型，射流束从极点P 开始，在灭火风筒内部为稳压段，x o 为稳压段长度，自灭火风筒喷口射出后形成了向四周扩散的锥体状射

流场，射流场分为射流起始段和射流主体段；l o 为初始段，初始段流核心在过渡截面上最终消失之前，

其轴向速度几乎不变，流速等于出口风速V o ，初始段放射锥后是射流主体段，在射流主体段内，由于气流的脉动混杂作用，带动四周静止的介质，随着射流距离的增加，轴向气流流速逐渐减少。

3

81第3期褚双磊等：轴流式灭火风机气动设计和有效风速理论分析

Fig.8Free circular turbulent gas jet flow

灭火风筒为由圆锥形风管和圆柱形风管构成的组合型风筒，喷嘴为收缩型的圆形喷口，紊流系数a=0.065。初始段核心长度为灭火风筒喷口至过渡

截面的距离，即l

o =0.335d

o

/a=515mm。

有效风速是衡量便携式风力灭火机灭火性能的重要指标之一。便携式风力灭火机将距离灭火风机中心2.5m处的风速定义为有效风速。灭火有效距

离l

1

+l=2.5m=2500mm。

灭火风筒长度为600mm，l

1

为轴流式灭火风机中心距离风管出口的长度（750mm），射流距离l（灭

火距离）为气流射流轴心线上速度V

m

处离出口的距离（即灭火点距离风管出口的距离）。灭火距离l

=2500－750=1750mm>l

o

，得出灭火射流截面处于射流场的主体段。

根据圆型截面自由射流中心轴线速度的理论计算公式，得到灭火风机的有效风速计算公式为

V

m

=0.965V

o

∕（al/r

o

+0.294）（6）

式中：V

m

为有效风速（距离灭火风机中心射流轴心

线上2.5m处的风速），即灭火风速；V

o

为灭火风筒

出口风速，V

o

=m/s；r

o

为灭火风筒出口半径，

r

o

=0.05m。

灭火风机的有效风速示意见图9，由式（6）计算

得出V

m

=24m/s>22m/s。因此，轴流式风力灭火机有效风速大于离心式风力灭火机有效风速

。

图9灭火风机有效风速示意图

Fig.9Effective wind speed schematic diagram of fire-fighting fan

3.2.2灭火面积

灭火风筒的出口面积直接影响其灭火面积，灭

火风筒的出口面积越大，便携式风力灭火机的灭火

面积就越大。但是在出风量一定的条件下，其出口

风速就低，会直接导致灭火风机的有效风速降低。

因此轴流式灭火风机的圆形出口风筒半径为50

mm，与离心式风力灭火机的出口半径几乎相同。

根据气体自由射流中圆形截面射流半径沿射流

距离的变化规律可以推导出：

R=3.4r

o

（al/r

o

+0.294）（7）

式中：R为射流半径（距离灭火风机中心射流轴心线

上2.5m处的射流截面半径），即灭火半径。

计算得出灭火截面的半径R=0.436m；灭火面

积S=πR2=0.60m2。

在便携式风力灭火机的设计中，可以根据要求

的l和V

m

，确定灭火风筒的d

o

和V

o

，然后再对灭火

风机的风量和风压进行验证。

根据圆形截面自由射流基本原理，在提高灭火

风机的有效风速方面可以得出如下结论：

1）改变灭火风筒的形状和出口截面，可降低紊

流系数，提高有效风速。射流的运动状态，决定于出

口风速、喷口结构及紊流程度。紊流系数越大，射流

与周围边界层气体混合作用越严重，射流衰减加速，

不利于高速射流的形成。轴流式风力灭火机的灭火

风筒采用圆锥和圆柱组合式渐缩型设计，其收缩型

圆喷口的紊流系数小于离心式风力灭火机的圆柱型

矩形风管，有更短的射流距离和更小的扩散角α，灭

火风筒出口距离灭火点的距离l就近，提高了射流

风速。减少风筒出口直径d

o

，可以提高风筒出口风

速V

o

，但是随着风筒出口面积的减少，灭火面积也

随之减少，同时风筒出口直径减少，出口风速V

o

增

大，但风管阻力增加，风压损失变大，风机效率显著

下降，因此设计灭火风筒时，应考虑综合因素，选取

适当的喷口直径。

2）适当增加灭火风筒长度，可减少射流距离，

提高灭火风速。便携式风力灭火机的灭火有效距离481北京林业大学学报第32卷

为2.5m，即灭火风机叶轮中心与灭火点的距离为固定值。增大灭火风机叶轮中心与灭火风筒出口的距离，可以减少灭火风筒出口与灭火点的射流距离，提高有效风速。灭火风机叶轮中心与灭火风筒出口的距离包括灭火风机叶轮到风机外壳出口的距离和灭火风管的长度，轴流式风力灭火机的轴流叶轮中心与轴流风筒外壳出口的距离大于离心叶轮与离心蜗壳出口的距离，所以在灭火风管长度相同的条件下，轴流式风力灭火机的有效风速要大于离心式风力灭火机。灭火风管长度增大，可以提高有效风速，但是过长的灭火风管，会增加风力灭火机的质量和尺寸，使用和携带转移均不灵便。

4结论

轴流风机的气动性能是轴流式风力灭火机设计的关键，轴流风机的设计必须综合考虑风量、风速和整机外形结构尺寸的因素，保证便携式风力灭火机的灭火效率和经济性能。本文设计的轴流式风力灭火机的轴流风机具有小型、高速的特征，叶型采用机翼型和圆弧型组合叶片形式，无论从制造成型和气动性能方面都是合理的，可以提高轴流风机的灭火效果和制造质量。有效风速是评价便携式风力灭火机灭火性能的重要参数之一，通过理论分析得出，便携式风力灭火机的有效风速与风筒出口半径和灭火点距离风筒出口的距离成反比。当功率一定时，提高有效风速可以从两个方面来考虑：1）要提高出口风速，适当地减少风筒出口半径，即要获得较高的风机动压；2）选择合适的灭火风筒长度，但风管过长，沿程损失也增加，而且过长的风管会使风力灭火机携带不便。总之，轴流风机的气动设计和灭火风机有效风速的理论分析为今后样机的试制提供了良好的理论基础。

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（责任编辑李文军）

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