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中汽中心气动声学风洞先进设备-风机系统 Fan System

2020-03-07 00:45:15·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
CATARC-AAWT风洞管道及风机系统示意中汽中心气动声学风洞（CATARC-AAWT）即将落成。如果将风洞比喻成一位仗剑天涯的侠客，那么这位大侠的心脏就是风机系统（Fan
© CATARC-AAWT风洞管道及风机系统示意
中汽中心气动声学风洞（CATARC-AAWT）即将落成。如果将风洞比喻成一位仗剑天涯的侠客，那么这位大侠的心脏就是风机系统（Fan System），以稳定而强劲的输出提供源源不断的动力。
 
1 .  AAWT风机系统概述
汽车风洞是进行汽车空气动力学实验的重要工具。其基本原理是，在按一定要求设计的管道系统内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，根据运动的相对性和相似性原理对汽车模型或汽车实车进行空气动力学试验。而其中“速度可控的气流”由风机系统提供。
气流在风洞管道中的能量耗散，主要表现为压力的下降，风机系统风扇的作用正是提高气流的压力—— 当二者达到平衡时，风洞便能稳定运转。
为了实现风洞管道内气流的高速流动，汽车气动声学风洞的风机系统功率通常都很大， CATARC-AAWT风机系统功率达到了4000千瓦，可以保证为测试段内喷口面积28平米的测试区域提供最大250km/h的稳定气流。
 
2 .  CATARC-AAWT风机系统构成
风机系统主要包括以下几个重要部分：
 © CATARC–AAWT风机结构
 
2.1 转子组件
转子包含 叶轮 与 叶片调节机构。叶轮是由钢材焊接而成的转动部件，通过柱形油压器安装在电机轴上。转子上安装叶片，为了承受叶片的离心力及轴向力，CATARC –AAWT风机系统设计了一个锻造的外支撑环来适应离心力。
叶片可以在风机静止时通过 独立 的叶片调节机构进行无极调节。调节工作在叶轮外部操作，整个过程简单便捷。
叶轮与叶片试装
 
2.2 机壳
风机壳体是一个总长超过35米 、 直径达到10米的钢制筒状结构，是AAWT中最大的 设备。风机壳体与AAWT的混凝土流道 共同 组成了 部分 风洞管道 。
壳体包括外壳、芯筒和所有的支撑结构、叶片拆除检查门、风机静叶片（导流）、内部照明装置、用于安装电缆和各种工作用冷却液、润滑液的管路等。
壳体分为入口过渡段、固定的鼻锥、入口环形消声段、出口尾椎和扩压段。
风机系统机壳安装
 
2.3 膨胀节
在风机机壳和风洞混凝土流道之间，以及在风机入口消声段和前锥之间，通过专有的柔性膨胀节进行连接。 柔性膨胀节的使用，一方面确保了在不同材料之间连接时对伸缩缝的设计要求，另一方面也对风洞流道整体做了保护，隔绝了流道内外界的气流交换以及外部异物的侵入。
 
2.4 消声装置
在风机系统的鼻锥、入口过渡段、出口尾椎和扩压段的外表面都做了消声处理，从而降低了由于风机运转和气流流动产生的噪声。 需要注意的是，CATARC-AAWT风机采用了固定式鼻锥，即叶片转动时鼻锥不随叶轮转动，这样的结构提高了叶轮转动的稳定性，同时可以允许在鼻锥处进行消声处理，有效地抑制风机处产生的噪音向实验区域传播。
消声处理采用的消声材料具有良好的阻燃特性、热-声特性以及绝缘特性。 所有需要做消声处理的外表面，都做了内部加强肋板结构，用于装填消音棉，消音棉外部安装有穿孔覆盖板。
消声处理外表面的加强肋板结构
 
2.5 电机、变频器及变压器
CATARC-AAWT风机系统的电机安装在芯筒的电机舱内，电机由安装在风机壳体外部的变频器进行驱动，变频器的输入电压是3.3KV，通过上级变压器将外部10KV电力进行转换后，提供稳定电力。

2.6 控制柜及控制系统
风机系统的驱动由控制系统完成，控制系统安装在AAWT的电气室内，其上端由AAWT的控制系统（FCS）在远程模式下进行管理。控制系统基于PLC系统，通过Modbus/TCP/IP Ethernet COM与风机驱动连接，并且配置了临界安全相关的联锁装置的硬线触点。

2.7 冷却系统
驱动电机在高速运转时会产生大量的热量，为此，风机系统设计了一套专用的风/水混合冷却系统，该冷却系统被安装在了风机芯筒的内部，外部冷却水管路通过导叶直接连接到芯筒内的电机上，通过热交换器冷却内部空气，避免了纯风冷带来的噪音，提高了冷却效率。
© CATARC-AAWT风机系统冷却系统
 
2.8 叶片
风机系统的叶片安装在转子上，随着转子不同的转动速度产生所需的气流压力。 叶片采用三明治结构的碳纤维复合材料制作，每片叶片高度达到了2.25米，重量小于40Kg，最大限度的减轻了叶片的重量。 复合材料的选择充分考虑到了材料疲劳、运行周期、运行环境和风机系统的设计寿命等因素。 通过对叶片叶形的精确设计，叶片的工作效能达到了最大，CATARC-AAWT风机系统仅安装有15片叶片。
© CATARC-AAWT风机系统叶片设计
© CATARC-AAWT风机系统调试
© CATARC-AAWT风机系统试运行
© CATARC-AAWT风机系统完成调试
 
3 . CATARC-AAWT风机系统主要性能
 
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