太原理工大学.doc

太原理工大学
专科学位论文
大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算
姓名：魏智超
申请学位级别：专科
专业：机械制造及其自动化
指导教师：
大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算

摘要

目前，国内的空冷电机具有结构简单、制造维修方便的优点，但是与国外
高效率的电机相比，性能上仍然有一些差距。其中电机冷却风机耗功较大是造
成这一差距的主要原因之一。
电机的冷却风扇是保证电机稳定、持续工作而不可缺少的部件。电机冷却
风扇的作用是使一定的气体，克服电机自身、冷却器、附加通风管道以及过滤
器等通风回路的风阻，以维持一定的气体流量和流速，使冷却介质连续不断的
吹拂电机的发热部分，把电机中的热损耗散出机外，这样电机就可以在规定的
温度限制下安全而有效率的运行。
本文以GB/T 1236－2000为依据，在已经设计、搭建好的一个通风机试验
平台上，对新型轴向风扇进行一系列的风洞试验，对实验数据进行处理分析。
特别的，考察 3600 rpm 时的转速，在不同叶顶顶隙和风扇出口面与离扩压管距离
下的风洞实验。本文以前期的实验为主，同时，辅助利用CFD 软件CFX5.7对冷
却风扇数值模拟并对计算结果进行分析，对数值计算的结果与实验所得的结果
进行对比分析，以便对冷却风扇进一步优化设计提出理论指导。
所使用的电机冷却风扇，通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造，使得冷却
风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高，冷却效果大大改善。比同样尺寸
下的电机功率可以提高50%左右，即功率重量比大大提高。通过本次实验测量
的研究，以便于在其他系列设计中得到应用。

关键词：冷却风扇、大型电机、冷却效率、CFX

EXPERIMENTAL MEASURING AND NUMERICAL
SIMULATION OF COOLING FANS FOR
LARGE SCALE ELECTRICAL MOTOR

ABSTRACT

At present, domestic air cooling electrical motor has excellence of
oversimplified structure and convenience of manufacture, but compare
with overseas high efficiency electrical motor there are some disparities.
The causation of the disparity is large power dissipation of cooling fans
Of electrical motor.
Cooling fans are the incise sable parts for ensuring the
Tranquilization and standing working of electrical motor. The function of
Cooling fans for electrical motor is ensure the air continual fan the part
Of electrical motor and make the heat apart from it. The air must conquer
the resistance from electrical motto r itself, cooler and vent-pipe,
Therefore the electrical motor can be secure and effective operation at
Defined temperature.
We will conduct a series of wind tunnel experiment on a ventilator

III
Experiment table which has been designed to test the new axial fan
performance according to GB/T 1236- 2000. In particular, we focus on
Investigating wind tunnel experiment in different diameters of pipes and
different length at speed of 3600 rap m. In the mean time, numerical
simulation is performed using CFD so tare - CFX5.7 and analyzes the
Calculated result. We try to anal ze the result of experimental and
Calculated to make a directive the eory for cooling fans’ optimizing
design.
KEY WORDS: cooling fans, large scale electrical motor, cooling
Efficiency, CFX
符号说明
b 叶片宽度 (m)
l
C 机翼升力系数
D
C 机翼阻力系数
C 轴承的额定动负荷 (kg)
D 叶片直径 (m)
d 风扇出口面离扩压管的距离 (mm)
C
d 叶顶顶隙 (mm)
a
F 实际轴向负荷 (kg)
V
F 实际径向负荷 (kg)
h
L 轴承的额定寿命
N
M 轴上受的扭矩 (Nm)
N 轴所传递的功率 (kw)
n 风扇的转速 (r/min)
p ∆ 压差 (Pa)
P 当量动负荷 (kg)
P ∑ 由冷却风量所带出的热量 (kW)
M
q 质量流量 (kg/s)
Q∆ 冷却空气的温升 (℃)
H
Q 额定风量 (m
3
/s)
t 环境温度 (℃)
U 叶片的切向速度 (m/s)
V 轴向平均速度 (m/s)

VIII
Z 叶片数
Γ 绕叶型的环量
ρ 空气密度 (kg/m
3
)
α 流量系数
ε 膨胀系数
υ 运动粘性系数 (m/s)
太原理工大学
学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，
独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，
本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式
标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：魏智超

日期： 2012 年 9月 1 日

太原理工大学
学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规
定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电
子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权太原理工大学可以将本学
位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、
缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文作者签名：魏智超 指导教师签名：
日期： 2012年9月 1 日 日期： 2012年9月12日
第一章 绪论
1.1 引言
近几年来，随着国内大型空冷电机的出现，通风冷却系统的设计以及风机
的工作性能已起着越来越重要的作用。目前，国内的空冷电机有着结构简单、
制造维修方便的优点，但是与国外高效率的电机相比，性能上仍然有一些差距。
其中电机冷却风机耗功较大是造成这一差距的主要原因之一，因此对于原有风
机进行研究与改造已势在必行。
电机的冷却风扇是保证电机稳定、持续工作而不可缺少的部件。电机冷却
风扇的作用是使一定的气体，克服电机自身、冷却器、附加通风管道以及过滤
器等通风回路的风阻，以维持一定的气体流量和流速，使冷却介质连续不断的
吹拂电机的发热部分，把电机中的热损耗散出机外，这样电机就可以在规定的
温度限制下安全而有效率的运行。
叶轮机械动叶顶区域的流场是十分复杂的，包括叶顶区域的泄露流动、叶
片的边界层、二次流以及它们之间的相互影响。这些复杂的流动现象影响了压
力、效率、机械可靠性和流量。因此，更好的研究这种复杂的流动现象对于提
高电机冷却风扇的效率等性能具有非常重要的意义。
由于电机结构上的原因，在高压头、小流量下，仍然只能使用单级轴流风
机，而转速和叶轮的直径都要受到限制。在这种情况下，通过改变原有风机的
叶顶顶隙和风扇出口面离扩压管的距离，来探究其对风机性能所产生的影响，
这也是本文所要研究的问题。
1.2 电机轴承发热分析及冷却方式的选择
1.2.1引起电机轴承高热的原因
电机在工作运行中，电流在定子绕组和转子绕组中产生热量，转子的轴承
磨擦也产生热量；另一方面，由于磁场的变化，在铁心内产生热损耗，使得铁
心的温度升高。
() hNP C LH6010/6ρ= ··············································· (1.1)
上式表示轴承的额定寿命与 P C / 值的关系，轴承在额定转速n 下， P C / 值
的变化相应的h
L 值也变化。此设备匹配是在工况改变的情况下使用，在保证能
满足运行需要负载条件下工作，需对G 轴总增大出现的附加功率计算，用式(1.2)
NN NMN
附加
−
= 97500 ·········································· (1.2)
由此可明显看出，在所给定的条件下运转引起电机轴承发热的原因，是在
运转工作时作用在油泵和电机轴承二支点间的，G 联轴器增大加G 锥度短节及
联轴器外径增大，旋转时产生的径向力共同对支点轴承的作用使得轴承的实际
径向负荷和实际轴向负荷增大。
式中：H
L － 轴承的额定寿命；
C － 轴承的额定动负荷(kg) ；
n － 轴承的转速(r/min) ；
P － 当量动负荷(kg) ；
ρ － 轴承的寿命系数，对于球轴承 ρ ＝3，对于滚动轴承
310= ρ ； nM － 轴上受的扭矩(Nm);
N － 轴所传递的功率(kW)；
当负载平稳时，轴承为额定转速n ，工作时作用在轴承上的实际径向负荷
V
F
的增大和作用在轴承上的实际轴向负荷也在增大，从式中可以看出当量动负荷
P 也在增大。

A v
YF XF P + = kg ················································(1.3)
式中：P － 当量动负荷(kg) ；

V
F － 实际径向负荷(kg) ；

A
F － 实际轴向负荷(kg) ；
X － 径向系数；
Y － 轴向系数；
上式表明，当量动负荷的增大会引起以下各种参数的变化。从 P C / 式中可
见，因 P C / 的值都大于1，当量动负荷的增大，额定动负荷也增大。n 为额定，
轴承的额定寿命h
L 随 P C / 值的变化。
1.2.2冷却方式的选择
不同冷却方式下，电机性能参数中最主要的变化是线负荷随着冷却强化而
增大。线负荷的增加使得电磁损耗增加，但是由于采用了冷却能力强的介质，
对于同等电机来说，总损耗非但不会增加，反而会明显减少。
对于不同的冷却介质来说，冷却能力越强，所需要的流量越小，通风损耗
和风磨损耗越小，电机效率越高。对于同一种冷却介质来说，流量越大，流速
越高，压力、密度越大，冷却效果越好，但是相应的流动损耗和风摩损耗越大，
电机效率越低。
常见的电机冷却方式有气冷- 风冷散热和液冷- 水冷散热两种。
对电机轴承的风冷散热，是利用电机前端盖的紧固螺栓，将制作的风流导
向装置置于电机前端盖处，从电机运转开始就产生风并对端盖轴承中心处进行
风冷散热，但风流导向装置对风有阻力。为了使散热装置有足够的风量和风速，
需将电机后面风扇的叶片适当加长加宽。通过改造后，完全能够把电机轴承发
生的热量散走，有效的保证了电机的正常运转工作。
风冷对电机轴承散热改造工艺简单、使用可靠，电机运转即可产生风对轴
承进行散热，电机停转风即消失。水冷方式冷却电机轴承不但要有严格的密封

措施，并因轴承端盖的通水槽沟狭窄容易结垢阻碍水冷散热，使用时需操作和
检查。同时，由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和
氧化亚铜等沉积造成水路堵塞，继而产生绕组局部过热而烧毁。同时，水接头
及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险。
比较二种冷却方式，采用风冷却方式为宜。下面着重分析电机风冷散热。
1.3 电机风冷散热通风分布与升温方式
1.3.1电机风冷散热的几种风路结构
为了把电动机损耗转化的热量有效地传递出去，冷却空气应尽量接触电动
机发热部件（绕组、铁心、结构件等），冷却空气经过的路径中应保证发热体
有足够的散热面积，同时风路又要与电动机结构（电路、磁路）相适应。
异步电动机常用的冷却风路结构有三种：(1)轴向通风；(2)径向通风；(3)
轴—径向混合通风。不同的通风方式，绕组各点温度分布情况各不相同，这在
一定程度上影响到电机最终的冷却效果。选择电机的冷却风路结构时，应综合
考虑电机容量、极数、转速、铁心长度及定、转子铁心内、外径等参数，同时
应考虑到加工成本工时等因素。下面将着重介绍不同的风路结构下定子绕组中
各点温度分布情况及不同风路结构的适用范围。
1.3.2轴向通风
轴向通风一般采用抽风结构。电机一端安装离心风扇，定子和转子铁心不
设径向风道，冷却气流从非风扇端进人之后沿轴向流动，轴向风路一般由以下
几部分组成，如图1-1 示。

图1-1 轴向通风
Fig1-1. Ventilation at axis direction
a) 定子铁心外表面
该风路的进、出风口一般由定子压圈开孔形成。由于铁心外表面与机座壁
面一般有较大的间隙，为了增加冷却空气的流速进而改善冷却效果，一般在铁
心外表面增加导流板以形成合适的通风面积。
b) 电机定子、转子之间气隙
由于气隙两边定、转子铁心表面距定、转子绕组距离最近，且电机的定、
转子表面杂散损耗就产生于气隙两边的铁心表面，若能增加气隙部分的空气流
量，将产生很好的冷却效果。如能采用定子槽口通风，将大大增加气隙部分的
通风面积，使气隙部分的风量分配大大增加。实验表明，采用定子槽口通风时，
尽管通过气隙的风量仍占总风量的较小部分，但通过气隙消散的电机损耗可占
电机发热损耗的30 ％。
c) 转子轴向通风孔
通过转子铁心轴向通风孔的冷却风主要带走转子绕组的铜耗及转子铁心中
的其它损耗。在风量能够保证的情况下，通风孔的面积并不是主要的，尽量增
加通风孔的总周长，也即增加转子铁心的总散热面积，将会使冷却效果更好。
d) 定子轭部通风
定子轭部通风方式即是在定子铁心轭部开一定数量的通风孔，它可直接带
走部分定子铜耗及定子铁耗。为避免定子铁心部分磁密度过高或增加定子铁心
的体积，一般不会同时采用定子槽口通风与定子轭部通风。

热空气从风扇端排出。气流基本直线前进，因此这种风路的风阻较低，相
对较高的空气流动速度可以确保热传递的效率。由于铁心中没有径向通风道，
这使得沿线圈长度方向的绕组温升变化较大，如图1-2 示。

图1-2 定子绕组温升特性分布（轴向通风）
Fig1-2. The distribution characteristic s with stator coil temperature
由于定子绕组端部完全暴露于冷却空气中，所以绕组端部温升较低。在铁
心中，沿空气流动方向，由于空气温度不断升高，定子绕组温升也逐渐升高。
但在铁心出风处，由于铁心侧表面及绕组出槽部分的冷却作用，绕组温升反而
有所下降。
由图1-2 的绕组温升分布可看出，这种冷却方式的温升分布相差较大，铁
心越长，这个差别越明显，所以这种风路结构一般不允许铁心太长（以接触传
导方式散热的筋外冷电机除外）。
这种通风结构在电机体积较小、转速较高（风速较高）的情况下使用较多，
其缺点是通风损耗较大，沿电动机轴向温度分布不够均匀。诸如目前国内生产
的中型高压（6kV,10kV）Y, Y R 系列，中心高为H355, H400,H450 的4 极和6
极以及H500的4 极电机等。
1.3.3径向通风
冷却空气由两侧对称进人。冷却空气的主要部分经定子线圈端部，转子轭
部风路，转子径向风道，气隙－定子径向风道，最后经定子铁心中部排出，如
图1-3 示。

图1-3 径向通风（两侧对称通风）
Fig1-3. Ventilation at radial direction (symmetrical ventilation)
这种风路结构由于对称进风，每一路风只需经过一半的铁心长度，在电机
转子线速度较高的情况下，可以不用安装风扇，而靠转子风道片旋转产生的风
压来产生冷却风量。而对于转子线速度较低的大型电机，一般需要在两端安装
风扇旋转产生足够的冷却风量。
这种通风结构一般用于大型电机中，定子、转子风道可采取对齐与错开两
种方式。这两种方式的区别是：在电机转子线速度较高、转子风道片旋转能够
产生足够高的风压的情况下，应尽量采用定子、转子风道片错开的形式，这样
可强迫冷却空气轴向地流经气隙，达到更好的冷却效果，而且还可以防止定子、
转子风道对齐时可能引起的哨叫声。而如果转子线速度较低，可采取定、转子
风道对齐的方式以尽量减少风阻增加冷却空气流量。
这种通风方式的定子绕组温度特性分布如下图1-4 所示：

图1-4 定子绕组温升特性分布（径向通风）
由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口
处铁心表面的散热效果，故绕组在该点温度最低。这种通风方式的轴向风温较
为均匀，温度变化并不很大，铁心部分的绕组温升基本相同。总体来说绕组各
部分温升差异很小。
这种通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较
均匀。但其缺点是需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸略为增大，
也增加了加工成本。
1.3.4 轴——径向混合通风
采用轴——径向混合通风主要有两种方式：
a) 电机一侧安装离心风扇。

图1-5 轴—径向混合通风（一侧进风）
Fig1-5. Axis-radial direction blended ventilation(ventilation in one side)
冷却空气主要经由转子轭部风路→转子通风道→气隙→定子通风道→( 定
子线圈直线部分/ 定子铁心通风道表面) →定子线圈端部→冷却风扇最后排出。
如图1-5 示。
这种通风方式仍为一端进风，另一端出风，铁心不宜太长。目前国内广泛
应用于中型高压（6kV, 10kV ） Y, Y R 系列的4 极,6 极、8 极、10 极及12 极异
步电机中。
b) 电机两侧安装轴流式风扇如图1-6 示。

图1-6 轴—径向混合通风（两侧进风）
Fig1-6. Radial-axis direction blended ventilation(ventilation in two sides)
定子采用槽口通风，这大大增加了气隙中的空气流量。转子风道数目远远
少于定子风道数目，这是为了避免高速情况下风摩耗太大及产生过高噪声。电
机的风压由对称的两只轴流风扇产生，优化设计的轴流风扇可以达到很高的效
率，噪声也可降到最低。转子风道集中在铁心中间，这使得冷却空气由转子径
向风道流进定子径向风道时，有较大部分轴向流经气隙，进一步改善了冷却效
果。
冷却空气进人电动机后，大体上分成三条独立的路径流动：(1)经线圈端部
流向定子铁心表面；(2)直接流经气隙及定子槽口，然后进人定子径向风道；(3)
经转子轴向风道流向转子径向风道的部分。如上图1-6 示。
相应的定子绕组温度特性分布如下图1-7 所示：

图1-7 定子绕组温升特性分布（混合通风）
这种通风方式兼有前两种通风方式的特点，温升分布特性是以电动机铁心
为中心两端基本对称分布，定子绕组温度分布比较均匀，冷却效果较好。其缺
点是结构比较复杂。
1.4 本论文的主要工作
在本文中，将按照试验要求在已经设计并搭建的实验平台上，对冷却风扇
进行符合GB/T 1236-2000 标准的风洞试验，对所得数据进行计算处理，并对不
同工况下所得的流量与压差、风机效率特性曲线进行比较分析。
本文以前期的实验为主，同时，辅助运用旋转机械专用 CFD 软件CFX 5.7
建立模型和数值计算，使用实验所得到的数据，对冷却风扇进行数值计算，并
进行性能分析，对数值计算的结果与实验所得的结果进行对比分析，以便对冷
却风扇进一步优化设计提出理论指导。
1.5 本论文的科学意义
本论文所进行的大型电机冷却风扇的实验研究工作，能够全面地了解冷却
风扇在不同工况下的性能；同时通过运用 CFD 软件进行数值计算，与实验所得
到的结果进行对比分析，可以得到影响电机冷却风扇性能的因素，为以后在电
机冷却风扇的设计与应用提供依据。
第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
以标准化风道做实验的工作流体是空气，并且压力和温度要在冷却风机出
口或在冷却风机进口处正常的大气范围之内。对于恒速特性来说，冷却风机应
在规定的转动速度下工作。在对冷却风机特性线上的任意点进行测量之前，冷
却风机应该持续运行一段时间，直到取得其达到稳态的工作状态，其速度的波
动范围不超过规定转速的 %5. 0 ± 。大气压力、干球温度和湿球温度应在规定的
冷却风机特性所要求的在实验环境内取得读数。对冷却风机特性曲线上的各点，
实验风道中的压力应在不少于1min期间作观测。如果读数始终出现随机变化，
则要记录足够多的观测点，以确保得到的平均值在精度范围内。数据观察分为
目测和扫描阀两部分，以备后期处理相互对照，电机转速和扭矩由转速扭矩仪
打印出。
2.1 计算方法
本试验所有计算均按照国家标准进行。整个计算使用的单位是SI(国际单位
制) 。其结果也用此单位表示，即用帕斯卡( Pa) 表示压力，用瓦特( W ) 表示功率，
用立方米每秒( s m /
3
) 表示容积质量。
2.2 流量的确定
流量的测定按照GB/T 2624 和ISO 3966 的规定进行，使用这种方法测得的
流量符合本实验的要求。
管路内流量计( 标准的一次装置)
可以使用的流量计有文丘里喷管、孔板、锥形进口和进口喷管。前两种流
量计可以接在风管的进口或出口以及两段风管之间使用。锥形进口和进口喷管
只可接到从自由空间吸入空气的进口风管。
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
12
通过管路内压差流量计的质量流量一般表达式如下：
对于给定的装置，ε 是压比函数，而α 是雷诺数的函数。这些系数的计算
在接下来会做详细介绍。根据进口流管的不同，分别讨论。
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
13
2.3 用锥形进口测定流量
只能在开放式( 自由) 进口条件下才可使用锥形进口。
2.3.1几何形状
锥形进口尺寸和公差在图2-1 中示出，型线应该是轴向对称，锥体与端面
及锥体与圆筒喉部之间接合均无隆起及凸出的锐边。进口的轴线和风道的轴线
应该是一致的。

图2-1 锥形进口几何形状
Fig.2-1 Geometrical form of taper import
2.3.2网筛加载
符合图2-2 的可调节网筛加载与锥形进口允许一起使用，但流量系数α 的
误差增大。

图2-2 自由进口文丘里喷嘴或有可调节筛网加载的锥形进口
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
14
Fig.2-2 Free import Venturi spout or regulative griddle taper import
网筛、防涡流装置及支承应该具有在使用要求的强度和刚度不变的情况下，
具有最小的迎风面积。例如，任何单个横向构件都不应出现大于2％的堵塞。
支承应该确保网筛在中部不发生弯曲。
网筛应精确地切割并且应该安装径向厚度最大0.012
h
d 的或6mm 和最小
0.008
h
d 或3mm 及长度最大0.05
h
d 的支承环或者采用其他方式消除壁上的漏
泄。
2.3.3进口区
在进口区内，对于流入进口空气的自由运动不应有任何外部障碍，并且任
何涡流的速度不要超过喷嘴喉部速度的5％。
应该确保差压计的高压盘上记录的压力读数为进口区环境压力。
2.3.4锥形进口性能
按照上述要求制造的锥形进口用于压比 96 . 0 ≥
d
r ，即 Pa p 4000 < ∆ 时不必
做校准。
复合系数αε取决于雷诺数 d
Re 并在图2-3 中绘出，当 d
Re <20000 时不应采
用锥形进口。

图2-3 锥形进口复合流量系数αε
Fig.2-3 Compound flow modulusαεof taper import
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
15
对于h
d ≤0.5m：m＝0.01107，c＝0.8824 ， max
αε ＝0.94 ；
对于0.5m<
h
d <2m ：m＝0.00963＋0.04783
h
d ＋0.05533
2
h
d ，
c＝0.9715 －0.2058
h
d ＋0.05533
2
h
d
max
αε ＝0.9131 ＋0.0623
h
d －0.01567
2
h
d
对于
2
h
d ≥2m：m＝0.03459，c＝0.7812 ， max
αε ＝0.975。
2.3.5误差
复合系数αε的误差和流量系数α 的误差是相同的。当 d
Re ≤3×
5
10 时并且
在连续件内不允许有任何网筛加载情况下，可适用的基本误差为±1.5％。对此
应算术地增加（当应用时）与低
d
Re 和网筛负载相关的净附加误差。
由于低 d
Re （即 d
Re <3 ×
5
10 ）而产生的附加误差（％）表示如下：







−
×
±
15
1
Re
10 2
4
d
················································· (2.5)
由于符合2.3.2 均匀网筛出现的附加误差要用算术方法增加0.5％。
如果使用αε校正值代替2.3.4 中给出的值可以降低这些误差。可以用按照
ISO 3966 要求的皮托静压管或用流量系数误差不超过1.0％的一次仪表方法进
行校准。网筛质量或容积流量值的综合误差可取±2％。
2.4 用文丘里喷管测定流量
2.4.1安装
对于标准风道中试验，在进口或出后风室中应使用多喷嘴。它们可能不同
但它们在尺寸和半径上，相对于风室轴线应是对称定位。
本试验中使用4 个相同的文丘里喷管对称定位。
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
16
2.4.2几何形状
多喷嘴及文丘里喷嘴的尺寸和公差如图2-4 所示。外形应该是轴向对称的
及出口边缘应是直角锐边，并且没有毛刺、刻痕或者倒圆。喷嘴轴线和它们所
安装的风室的轴线应该是平行的，喷嘴喉部尺寸L 应为0.6d ±0.005
h
d （推荐
的）或者0.5
h
d ±0.005
h
d 。

图2-4 喷嘴几何形状
Fig.2-4 Geometrical form of spout
喷嘴应有的椭圆段如图2-4 所示，但也可以使用两个或三个半径近似成椭
圆，在任何点法线方向与标准椭圆形相差不大于0.015
h
d 。
喷嘴的喉径
h
d 应该在椭圆的短轴和喷嘴出口处测量（精度 0.001
h
d ）。应该
45 °间隔上取四个测量值并且这些值都应在平均值的±0.002
h
d 之内。在喉部进
口处平均值可大于0.002
h
d ，但不小于在喷嘴出口上的平均值。
喷嘴表面要求相当光滑以至直尺在其表面上没有刮碰并且表面局部凸起峰
－峰值应不大于0.001
h
d 。
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
17
当喷嘴使用在风室中，可以使用图2-4 所示出的任一种型式。
在喷嘴排气口直接与管道或扩散段连接时，应该使用喉部有测孔的喷嘴并
且喷嘴出口采用法兰连接。
喷嘴喉部的测孔应该有4 个间隔90 °的静压测孔与压力计相连。
当风管与喷嘴连接时，喉径与进口风管的直径比应不超过 0.525。连接到喷
嘴上游侧的风管应是直的均匀圆形截面。当用于提供一测量段时，应有其直径
6.5～6.75 倍的长度和当用于出口风管时，应有直径9.5～9.75 倍的长度。
2.4.3进口区
多喷嘴定位应该使各喷嘴的中心线与风室壁距离不小于1.5
h
d 。同时使用
的任何两个喷嘴中心间的最小距离应是较大喷嘴的3
h
d ，h
d 是大喷嘴的直径。
2.4.4多喷嘴与文丘里喷嘴的性能
符合2.4.3 要求制造的多喷嘴装置对压比 9. 0 >
d
r （即 kPa p 10 < ∆ ）未校准
下可使用。
喷嘴流量系数α 由下列表达式计算：
本试验中所使用喷管 h
d L / ＝0.6，则有：

β α β α
α
Au Au
d
d
C
−
=






−






+ − =
1 1
1
Re
6. 134
Re
006 . 7
9986 . 0 ················· (2.6)
式中： d
Re ——对应于出口直径的雷诺数，由下列表达式估算：

6
10
048 . 0 1. 17
2
95 . 0 Re ×
+
∆
=
u
u
h d
t
p
d
ρ
ε ··································· (2.7)
Au
α ——喷嘴上游的动能系数，对于管道内喷嘴为 1.043，对于风室中喷嘴
和多喷嘴或自由进口喷嘴为1；
D d
h
/ = β （对于风室它可以取作零）（对于管道内喷嘴 525 . 0 ≤ β ）；
D 为风道直径；
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
18
C 是喷嘴排出系数。
膨胀系数由下式计算：

()( )
5. 0
4 / 2
4
5. 0
1
/ 2
1
1
1 1
1






−
−










− −






−
=
−
β
β
κ
κ
ε
κ
κ
κ
κ
d d
d d
r r
r r
························· (2.8)

u u
u
d
p
p
p
p p
r
∆
− =
∆ −
= 1 ············································· (2.9)
上式可由下式代替：

5. 0
1
/ 2 4
4 / 2
1
1
1
1
1








−
−
−
−
−
=
−
d
d
d
d
r
r
r
r
κ
κ
κ
κ
β
β
κ
κ
ε ·································· (2.10)
质量流量由下列表达式给出：
对于多喷嘴
() p d q
u
n
i i m
∆ = ∑ ρ
π
α ε 2
4
1
2
······································ (2.11)
对于文丘里喷管
p
d
q
u m
∆ = ρ αεπ 2
4
2
··········································· (2.12)
式中： () ∑
n
i i
d
1
2
α ——各个开放式喷嘴直径平方乘以它们各自的流量系数的
和；
u
ρ ——上游密度。
2.4.5误差
对于
4
10 2. 1 Re × ≥
d
排出系数C 的误差为±1.2％。
太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍
19
2.5 通风机空气功率和效率
建议三种方法：
第一种由单位质量功