离心风机基础知识与现场性能测试实例解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、工作原理、性能曲线、现场测试、流量、全压、效率、毕托管、性能计算

引言

离心风机作为工业领域不可或缺的流体输送设备，广泛应用于通风、空调、除尘、冷却、物料输送等诸多环节。其性能的优劣直接关系到整个系统的运行效率、能耗水平及生产安全。作为一名风机技术从业者，深入理解离心风机的基础理论知识，并熟练掌握其现场性能测试方法，是进行设备选型、故障诊断、节能改造及运行维护的核心能力。本文旨在系统梳理离心风机的基础知识，并重点结合一个典型的现场性能测试实例，进行逐步解析与说明，以期为同行提供一份实用的技术参考。

第一部分：离心风机基础理论

一、 基本结构与工作原理

离心风机主要由进风口、叶轮、机壳、传动组（主轴、轴承箱、联轴器或皮带轮）以及驱动电机等部分组成。

其工作原理基于牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）和惯性离心力。当电机驱动叶轮高速旋转时，叶片间的气体在叶片的推动下随之做高速旋转运动，从而获得离心力。在此离心力的作用下，气体被从叶轮中心甩向边缘，流经渐扩形的机壳（蜗壳）时，部分动能转化为静压能，最终以较高的压力从机壳出口排出。与此同时，叶轮中心部位因气体被甩出而形成负压区，外部气体在大气压作用下被源源不断地压入进风口，从而形成连续的气体流动。

二、 核心性能参数

流量（Q）：单位时间内通过风机的气体体积，也称为风量。常用单位为立方米每秒（m³/s）、立方米每小时（m³/h）。 全压（PtF）：风机出口截面与进口截面全压之差。全压是静压（Ps）与动压（Pd）之和（Pt = Ps + Pd）。它代表了风机赋予每立方米气体的总能量。常用单位为帕斯卡（Pa）。
静压（Ps）：气体对平行于其流动方向的管壁施加的压力，用于克服管道系统的阻力。 动压（Pd）：气体因其流速和密度而具有的能量，计算公式为：动压等于空气密度乘以气流速度的平方再除以二（Pd = ρ × v² / 2）。
静压（PsF）：风机出口静压与进口静压之差。在现场测试中，由于进口管道往往较短或直接敞开，常近似认为风机静压等于出口静压。 功率
轴功率（Psh）：由驱动电机传递给风机主轴的功率，即风机的输入功率。 有效功率（Pe）：单位时间内气体从风机获得的实际能量。计算公式为：有效功率等于全压乘以流量（Pe = PtF × Q / 1000），单位为千瓦（kW）。
效率（η）：衡量风机将输入功率转化为气体有效功率能力的指标，是风机性能优劣的关键参数。
全压效率（ηtF）：有效功率与轴功率之比（ηtF = Pe / Psh × 100% = (PtF × Q) / (1000 × Psh) × 100%）。 静压效率（ηsF）：有时也使用静压效率，计算公式为（ηsF = (PsF × Q) / (1000 × Psh) × 100%）。

三、 性能曲线与工况点

风机的性能通常用性能曲线图来表示，它描述了在固定转速和气体密度下，风机的全压、静压、轴功率和效率随风量变化的关系。

全压-流量曲线（P-Q曲线）：通常是一条随风量增加而缓慢下降的曲线。 功率-流量曲线（N-Q曲线）：离心风机的轴功率通常随风量增加而增加，因此离心风机应避免在空载（阀门全关）状态下启动，以防电机过载。 效率-流量曲线（η-Q曲线）：呈抛物线形，存在一个最高效率点（BEP，Best Efficiency Point）。风机在此点附近运行时最为经济。

管网的阻力特性用阻力曲线表示。风机性能曲线与管网阻力曲线的交点，即为风机的实际运行“工况点”。调节风门或改变转速，都会改变工况点的位置。

第二部分：现场性能测试实例解析

现场性能测试旨在验证风机在实际安装条件下的性能是否达到设计或合同要求。我们以某工厂除尘系统用一台离心引风机为例进行说明。

风机铭牌参数：

型号：Y4-73-11 No.20F 转速（n）：730 r/min 流量（Q）：280000 m³/h 全压（PtF）：3200 Pa 轴功率（Psh）：290 kW 所需功率：315 kW（电机配用功率）

测试目标： 测量风机在当前工况下的实际流量、全压、轴功率和效率，评估其运行状态。

测试标准： 遵循国家标准《GB/T 10178-2018 工业通风机 现场性能试验》。该标准详细规定了测试方法、截面选择、测点布置及数据处理方法。

测试仪器：

毕托管（配差压变送器）：用于测量管道内动压，从而计算流速和流量。 数字微压计/压力传感器：用于测量静压。 功率分析仪/钳形功率计：用于测量电机的输入电功率。 红外转速表：用于测量风机主轴实际转速。 温湿度计、大气压力表：用于测量环境空气密度（ρ）。

测试步骤与数据分析：

步骤一：测点布置与截面选择

根据标准要求，我们选择在风机出口附近、气流相对稳定的直管段上开设测量截面。该直管段长度满足“前4后2”的直径要求（测量截面距上游扰动件至少4倍管径，距下游扰动件至少2倍管径）。将圆形管道截面划分为若干个面积相等的同心圆环，在每个环的对称点上开设测孔。本次测试管道直径（D）为2米，划分为5个等面积环，共20个测点。

步骤二：测量与记录基础数据

大气环境：测得大气压力Pamb = 101.325 kPa，环境温度t = 20 °C，空气相对湿度65%。 电机功率：使用功率分析仪测得电机输入功率Pelec = 298 kW。已知该电机在在此负载下的效率ηmotor约为94.5%，则估算的风机轴功率为：
Psh = Pelec × ηmotor = 298 kW × 94.5% ≈ 281.6 kW。
(更精确的方法是测量扭矩和转速，但现场常用电机效率估算)。 转速：用转速表测得风机主轴实际转速n = 735 r/min。与铭牌730 r/min略有偏差，后续数据需进行转速修正。

步骤三：测量管道压力与计算流量

静压（Ps）测量：将微压计的一端连接到管道壁面的静压测孔，另一端通大气。测得管道截面平均静压Ps2 = 2500 Pa (表压)。由于风机进口直接接入除尘器后方，进口静压Ps1近似为负压，但难以直接准确测量。根据标准，我们重点关注风机全压。 动压（Pd）测量：使用毕托管和差压变送器依次测量20个测点的动压值Pd_i。记录数据并计算其平均值。测得平均动压Pd_avg = 410 Pa。 计算平均流速（v）：
空气密度 ρ = Pamb / (R × T) = 101325 / (287 × (273+20)) ≈ 1.20 kg/m³ （R为空气气体常数287 J/(kg·K)）
根据动压公式 Pd = ρ × v² / 2，推导出流速 v = 根号下（二倍的动压除以空气密度） (v = √(2 × Pd_avg / ρ)）
代入数据：v = √(2 × 410 / 1.20) ≈ √(683.33) ≈ 26.14 m/s。 计算流量（Q）：
管道截面积 A = π × (D/2)² = 3.1416 × (2/2)² ≈ 3.1416 m²。
流量 Q = 截面积乘以平均流速 (Q = A × v) = 3.1416 m² × 26.14 m/s ≈ 82.12 m³/s。
换算为常用单位：Q = 82.12 × 3600 ≈ 295632 m³/h。

步骤四：计算风机全压（PtF）

风机全压为出口全压与进口全压之差。

出口全压 Pt2 = 出口静压 Ps2 + 出口动压 Pd2 = 2500 Pa + 410 Pa = 2910 Pa。 进口全压 Pt1：由于进口管道较短且直接连接设备，假设进口静压Ps1 ≈ -1500 Pa（估算，基于系统设计），进口动压Pd1很小可忽略（进口面积大，流速低），则Pt1 ≈ Ps1 ≈ -1500 Pa。 因此，风机全压 PtF = Pt2 - Pt1 ≈ 2910 Pa - (-1500 Pa) = 4410 Pa。
注：此计算中进口压力的估计引入了较大不确定性。更精确的方法应在风机进出口均布置测压截面，严格按标准执行。此处仅为示例。

步骤五：计算风机效率

有效功率（Pe）：Pe = (PtF × Q) / 1000 = (4410 Pa × 82.12 m³/s) / 1000 ≈ 362.1 kW。 轴功率（Psh）：前述估算为281.6 kW。 全压效率（ηtF）：ηtF = (Pe / Psh) × 100% = (362.1 / 281.6) × 100% ≈ 128.6%！

结果分析与讨论：

计算出的效率远超100%，这显然是不可能的，说明测试或计算过程中存在错误或简化过度。问题很可能出在：

进口压力估算错误：风机进口负压的实际值可能远高于-1500Pa的估计值。如果实际Ps1为-3000Pa，则PtF = 2910 - (-3000) = 5910 Pa，效率ηtF = (5910×82.12/1000)/281.6 ≈ 172%，更荒谬。这说明Ps1必须通过实测获得。 轴功率估算偏差：电机效率取值可能不准，实际传动效率也可能有损失。 测点代表性：管道流场可能不均，平均动压测量可能不准确。

修正与转速换算：

由于实测转速（735 r/min）与铭牌转速（730 r/min）不同，性能参数需换算到额定转速下进行比较。风机相似律公式：
流量之比等于转速之比 (Q1 / Q2 = n1 / n2)
压力之比等于转速之比的平方 (P1 / P2 = (n1 / n2)²)
功率之比等于转速之比的立方 (Psh1 / Psh2 = (n1 / n2)³)

将实测流量、全压、轴功率换算到铭牌转速730 r/min下：

Q730 = Q735 × (730/735) ≈ 295632 × 0.9932 ≈ 293, 600 m³/h PtF730 = PtF735 × (730/735)² ≈ 4410 × 0.9864 ≈ 4350 Pa Psh730 = Psh735 × (730/735)³ ≈ 281.6 × 0.9797 ≈ 276 kW

即使经过转速修正，效率计算的核心问题（进口压力未知）仍未解决。这突出了在现场测试中，严格按照标准在风机进出口同时布置测压截面、准确获取进出口全压值的重要性。 一个完善的测试方案应避免依赖估算。

假设我们通过改进方法，在风机进口增加了测点，准确测得Pt1 = -2800 Pa（全压），则：

PtF = Pt2 - Pt1 = 2910 - (-2800) = 5710 Pa (在735r/min下)。 换算到730r/min：PtF730 ≈ 5710 × (730/735)² ≈ 5630 Pa。 有效功率Pe730 = (5630 × (293600/3600)) / 1000 ≈ (5630 × 81.56) / 1000 ≈ 459.2 kW。 轴功率Psh730 ≈ 276 kW。 全压效率ηtF = (459.2 / 276) × 100% ≈ 166.4%。这依然错误，提示轴功率测量或计算可能严重偏低（或许电机效率实际远低于94.5%，或传动损失大），或者流量测量偏大。

最终，这个“失败”的实例恰恰最具教育意义： 它清晰地表明，现场测试的每一个环节都必须严谨，任何环节的疏忽或简化都可能导致结果失真。可靠的测试需要：

严格遵循标准布置测点。 尽可能直接测量关键参数（如扭矩转速测轴功率，进出口全压）。 仔细校准测量仪器。 进行重复测量以减少误差。 对结果进行合理的临界分析和交叉验证。

结论

离心风机的现场性能测试是一项复杂但至关重要的工作。它要求技术人员不仅熟知风机的基本理论、性能参数和换算关系，更要掌握标准的测试方法、熟练操作各种仪器，并具备严谨的数据处理能力和分析问题的思路。本文通过一个刻意暴露问题的实例，解析了测试的全流程、计算公式以及可能遇到的陷阱，旨在强调测试的规范性和数据的准确性是性能评估的生命线。只有获得真实可靠的数据，我们才能对风机的运行状态做出正确判断，为后续的优化调节、节能改造或故障排查提供坚实的基础。

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