离心式通风机设计 通风机的设计包括气动设计计算，结构设计和强度计算等内容。这一章主要讲第一方 面，而且通风机的气动设计分相似设计和理论设计两种方法。 相似设计方法简单， 可靠，在 工业上普遍的使用。 而理论设讲方法用于设计新系列的通风机。 本章主要叙述离心通风机气动 设计的一般方法。 离心通风机在设计中根据给定的条件 : 容积流量，通风机全压，工作介质及其密度， 以用其他要求，确定通风机的主要尺寸，例如，直径及直径比，转速 n, 进出口宽度和，进 出口叶片角和，叶片数 Z，以及叶片的绘型和扩压器设计，以保证通风机的性能。 对于通风机设计的要求是： （1） 满足所需流量和压力的工况点应在最高效率点附近； （2 ） 最高效率要高，效率曲线 ） 压力曲线的稳定工作区间要宽； （4 ） 结构相对比较简单，工艺性能好； （5 ） 足够的强度，刚度，工作安全可靠； （6 ） 噪音低； （7 ） 调节性能好； （8 ） 尺寸尽量小，重量经； （9 ） 维护方便。 对于无因次数的选择应注意以下几点： （1） 为保证最高的效率，应选择一个适当的值来设计。 （2 ） 选择最大的值和低的圆周速度，以保证最低的噪音。 （3 ） 选择最大的值，以保证最小的磨损。 （4 ） 大时选择最大的值。 §1 叶轮尺寸的决定 图 3-1 叶轮的主要参数 : 图 3-1 为叶轮的主要参数 : : 叶轮外径 : 叶轮进口直径； : 叶片进口直径； : 出口宽度； : 进口宽度； : 叶片出口安装角； : 叶片进口安装角； Z: 叶片数； : 叶片前盘倾斜角； 一． 最佳进口宽度 在叶轮进口处如果有迴流就造成叶轮中的损失， 为此应加速进口流速。 一般都会采用， 叶轮进口 面积为，而进风口面积为，令为叶轮进口速度的变化系数，故有： 由此得出： (3-1a) 考虑到轮毂直径引起面积减少，则有： (3-1b) 其中 在加速 20%时，即 , (3-1c) 图 3-2 加速 20%的叶轮图 图 3-2 是这种加速 20%的叶轮图。近年来的研究加速并不全是必需的，在某些情况下减速反 而有利。 二． 最佳进口直径 由水力学计算不难得知， 叶道中的损失与速度的平方成正比， 即。为此选择在一定的流量和 转速条件下合适的，以使为最小。 首先讨论叶片厚度的影响。如图 3-3 ，由于叶片有一定厚度；以及折边的存在，这样 使进入风机的流速从增加至，即： 图 3-3 叶片厚度和进出口的阻塞系数计算 用和分别表示进出口的阻塞系数： (3-2a) 式中为节距，为切向叶片厚度 同理 那么进出口的径向速度为： 当气流进入叶轮为径向流动时， , 那么： (3-2b) 为了使最小， 也就是损失最小， 应选用适当的。 当过大时， 过小，但加大很多， 使 （3-2c ） 式右边第二项过大，加大。当过小时， （3-2c ）式右第二项小，第一项会过大，总之在中间 值时，使最小，即 考虑到进口 20%加速系数，及轮毂的影响，的表达式为（ 3-1b ）式 , 代入 (3-2c) 式为： (3-3c) 对式 (3-3) 求极小值，得出的优化值为： (3-4a) 出口直径不用上述类似的优化方法，只要选用合适的即可 : (3-4b) 即： (3-4c) 也可以根据，求出 (3-4d ) 三． 进口叶片角 1. 径向进口时的优化值 同一样，根据为最小值时，优化计算进口叶片角。当气流为径向进口时， , 且均布，那么从 进口速度三角形（令进口无冲击 = ） 代入值后得出值，最后得出： (3-5) 求极值，即 (3-6a) 这就是只考虑径向进口时的优化值。 把（ 3-6a ）式代入 (3-4a) 至 (3-4d) 式： (3- 6b) 进而当时： (3-6c) 或 者： (3-6d) 2. 当叶轮进口转弯处气流分布不均匀时的优化值。 图 3-4 ，叶片进口处速度分布不均匀，在前盘处速度大小为和，比该面上的平均值要 大，设 那么 此外： 当时： (3-7a) 进而采用近似公式 : 其中为叶轮前盘叶片进口处的曲率半径。计算出来的角比小一些。如下表所示： : 0.2 0.4 1.0 2.0 3.0 4.0 : 0.952 0.88 0.74 0.58 0.472 0.424 : 那么 (3-7b) 式中为的平均值。 图 3-4 叶片进口处和分布不均匀 图 3-5 进口速度三角 3. 当气流进入叶片时有预旋，即： 由图 3-5 进口速度三角形能得出： 求极值后： (2-8a) 能够准确的看出当气流偏向叶轮旋转方向时（正预旋），将增大，同时得到： 4. 叶轮的型式不同时有所区别 一般推荐叶片进口角稍有一个较小的冲角。 后向叶轮中叶道的摩擦等损失较小， 此时的选择 使叶轮进口冲击损失为最小。 冲角 一般后向叶轮： 对于前向叶轮，由于叶道内的分离损失较大，过小的进口安装角导片弯曲度过大，分 离损失增加。较大的安装角虽然使进口冲击损失加大，但是流道内的损失降低，两者比较， 效率反而增高。 一般前向叶轮： 当时，甚至。 四． 叶轮前后盘的圆角和叶片进口边斜切 设计中，在可能情况下尽量加大叶轮前后盘的圆角半径 r 和 R （图3-1 ）。叶片进口 边斜切是指前盘处叶片进口直径大于后盘处的直径，以适应转弯处气流不均匀现象。 如果叶片进口与轴平行，如图 3-6(a) 所示，在进口边各点是相同的。但该处气流速度 不均匀， 而周速相同。 故气流角不同， 这样就无法使叶片前缘各点的气流毫无冲击地进入叶 轮。为此将叶片进口边斜切（见图 3-6(b) ）, 靠近前盘处的大，且其亦大，而靠近后盘小， 且亦小。使气流良好地进入叶道。 前向叶轮，进口气流角是根据叶片弯曲程度来考虑的，故不做成斜切。 图 3-6 叶轮前后盘的圆角和叶片进口边斜切 五． 叶片数 Z 的选择 叶片数太少，一般流道扩散角过大，会造成气流边界层分离，效率降低。叶片增加，能减 少出口气流偏斜程度， 提高压力。 但过多的叶片会增加沿程摩阻损失和叶道进口的阻塞， 也 会使效率下降。 根据试验，叶片间流道长度 l 为流道出口宽度 a 的 2 倍，且 l 为 , 由几何关系： 那么 (3-9) 出口角大的叶轮，其叶道长度较短就会造成当量扩张角过大，应采用较多叶片。出 口角小时，叶道较长，应采用较少叶片。同时较小时， Z 也少一些为好，以免进口叶片过于 稠密。 对于后向叶轮：当 Z=8~12 个时，采用机翼型及弧型叶片，当 Z=12~16 时，应采用直 线型叶片。 对于前向叶轮， Z=12~16. 六． 叶片进出口宽度 1. 后向叶轮一般都会采用锥形圆弧型前盘，对于一定流量叶轮，过小则出口速度过大， 叶轮后的损失增大，而过大，扩压过大，导致边界层分离，所以的大小要慎重决定。由于 (3-10a) 上式表明，在一定的时，值与成正比，对于一定的叶轮过大，出口速度大，叶轮后损 失增大，反之过小，扩压度过大。试验证明，不同的，值不同，即 (3-10b) 然后，利用 (3-10a) 式可计算出。 后向叶轮的进口处宽度，一般可近似计算： (3-10c) 2. 前向叶轮进口处参数影响很大。其叶片入口处宽度应比公式计算出的大一些。例如 当 前向叶轮采用平直前盘时：，若采用锥形前盘，必须正确选用前盘倾斜角，即 0.3~0.4 0.45~0.55 0.5 根据值及，可决定。 图 3-7 前盘形状 叶片形状的确定 离心式通风机主要参数及 Z 已知后，就可以绘制叶片的形状， 叶片的形状有很多选择。 一． 平直叶片 平直叶片是最简单的叶片型式，根据图 3-8 ，由正弦定理： (3-11) 上式表明 , 和之间满足 (3-11) 式，不能同时随意选择。 例如： : 0.3 0.5 0.7 ( 当 时): 图 3-8 平直叶片 二． 圆弧型叶片 圆弧型叶片分单圆弧和多圆弧，一般多采用单圆弧。在设计中，一般先求出 ,Z 等，根 据已知条件确定叶片圆弧半径的大小，和该圆弧的中心位置 P，以及圆弧所在半径。 图 3-9a 后向圆弧叶片 图 3-9 b 前向圆弧叶片 图 3-9 c 径向叶片 1. 后向叶片圆弧如图 3-9a 所示，已知 在和中， P0 为公共边： 由余弦公式： (3-12a) (3-12b) 叶片长度 l ： 2. 前向叶轮圆弧叶片 (3-13a) (3-13b) 3. 径向叶片见图 3-9c (3-14a) (3-14b) 三 . 叶片流道的决定 对于直叶片和圆弧叶片，其进口不能很准确地成型，所以在某些情况下会产生过高的 前缘叶片压力，因此导致了气流的分离。最好在进口有一段无功叶片，或用近似的圆弧表 示。这种无功近似圆弧如图 3-10 所示： 从 1 点引出的无功圆弧的半径 r 等于从该点引出的对数曲线的曲率半径。图解时，连 接 01 两点，做角，过 0 点做的垂线，交于角的另一边为 A 点，以为半径做圆弧，弧段为无 功叶片， e 点的以后用抛物线，或者曲线板延长，而且保证出口角为即可。流道画出以后， 检查过流断面，过流断面变化曲线的斜率不能大于，否则的话，扩散度过在，造成较大的 边界层损失，甚至分离。一般叶片较少时，用圆弧叶片还是合理的。 图 3-10 无功叶片及过流断面检查 图 3-11 无功叶片的形状 以下用解析法做几种情况的无功叶片： 无功叶片就是环量不变的叶片，即保持常数（或保持常数）的叶片，用下标” 0 ”表 示进口，则： 由于 (3-15) 上式为无功叶片的方程 . （1） 情况，这时前盘为双曲线b) 如果进口无预旋： (3-16c) (3-16d) （2 ） (3-17a) 当时 (3-17b) 图 3-12 叶片基元 四. 叶片造型的解析法和图解法 1. 减速叶片间流道 由于风机叶轮中的流动为逆压梯度，易造成边界层的脱流，而造成过大的边缘失。如 果使相对流速 w 的减少呈线性关系，那么在叶轮中就不会造成过大的逆压梯度。 图 3-12 中的一个叶片基元，分解成（径向）和（周向）两个分量： (3-18a) 这就可通过 w 代替进行叶片绘形。如果采用等减速流道，即 (3-18b) 能够准确的看出对于等减速流道， w 的分布曲线是一条抛物线，其中有几种情况能够获得解 析解。 a. 等径向速度流道 当轴面流道的关系为 br= 常数时， =常数。把 (3-18a) 式代入 (3-18b) 式： 为常数，积分而得到速度分布为： (3-19) 此时 w 沿半径是线性分布的。 b. =常数的等角螺线) c.= 常数同时 =常数， w 也必为常数。见图 3-13 所示。同时： 那么压力系数： (3-21) 只与几何尺寸，即有关。 d. 等宽度叶道， b=常数 由于： 常数 那么 : (3-21) 图 3-13 2. 等减速叶片的图解法。 在正常的情况，由式 (3-18b) 得到： 积分后 : (3-22) 积分常数为： 那么已知 w 和，就可以求出，进而利用： 可利用图解法绘型叶片。 例如：令 , , 代入方程中： 得到 若令 =常数： (3-2 3) 当及已知时，可以求出和 w，进而求出，即可进行叶片绘型。即先用数值方法计算出， 然后图解绘图。 例如：时 可列表计算： r b b r 5.5 2.45 13.5 0.223 5.84 33 6.5 2.06 13.4 0.221 5.79 33.2 7.5 1.7 12.75 0.212 5.55 34.9 8.5 1.33 11.30 0.1868 4.48 39.3 9.5 0.98 9.6 0.1585 4.15 46.3 绘型步骤如下：把半径分成 n 分，求出各段中点的 w 和值，并列入表内，就可以求出 各段中点的值，根据，在图上量取和，从进口画起，就能得出叶片形状如图 3-14 所示。 以上风机叶片的设计是按的线性分布设计叶片，一样能按叶片角的分布进行叶片角的绘 型，在水轮机中还可以按给定的分布进行叶片绘型。 图 3-14 离心通风机的进气装置 图 3-15 离心通风机的进气装置 图 3-16 离心通风机的进气装置位置 图 3-17 离心通风机的进气形状 一. 进气室 进气室通常用于大型离心通风机上。倘若通风机进口之前需接弯管，气流要转弯，使 叶轮进口截面上的气流更不均匀， 因此在进口可增设进气室。 进气室装设的好坏会影响性能： 1. 进气室最好做成收敛形式的，要求底部与进气口对齐，图 3-15 所示。 2. 进气室的面积与叶轮进口截面之比 一般为矩形，为最好。 3．进气口和出气口的相对位压，对于通风机性能也有影响。时为最好，时最差。如图 3-16 所示。 二，进气口 进气口有不同的形式，如图 3-17 所示。 一般锥形经筒形的好，弧形比锥形的好，组合型的比非组合型的好。例如锥弧型进气 口的涡流区最小。此外还注意叶轮入口的间隙型式，套口间隙，比对口间隙形式好。 三，进口导流器 若需要扩大通风机的应用限制范围和提高调节性能，可在进气口或进气室流道装设进口导流器， 分为轴向、径向两种。 可采用平板形，弧形和机翼型。导流叶片的数目为 Z=8~12。 图 3-18 离心通风机的进气导叶 导叶设计 在单极通风机中几乎不用导叶。 主要在压气机中使用， 空气离开叶轮后有一个绝对速度， 与 圆周方向的夹角为，因此 根据环量不变和连续方程： (3-25) 由此能够得出 常数 所以，空气在离开叶轮后按对数螺线流动，其对数螺线) 因此，至少在截面采用对数螺线，或用近似的圆弧表示：其曲线曲率半径： 以后部分可用式 (3-26) 计算。 流道宽度 a+s 为 (3-27) 式中， t-- 叶片节距，由于考虑叶片厚度引起流道变窄，可把用表示 (3 -28) 通风机用的导叶多用直导叶， 流道不允许有过大的扩散度， 若最大的扩压角为， 那么所需最 少叶片数为，如图 3-19 所示。 图 3-19 蜗壳设计 图 3-20 离心通风机蜗壳 一，概述 蜗壳的作用是将离开叶轮的气体集中，导流，并将气体的部分动能扩压转变为静压。 目前离心通风机普遍采用矩形蜗壳，优点是工艺简单适于焊接，离心通风机蜗壳宽度 B 比其叶轮宽度大得多，则气流流出叶轮后的流道突然扩大，流速骤然变化。如图 3-20 所 示，为叶轮出口后的气流速度，为其气流角（分量为和），蜗壳内一点的流速为 c，分量为 和，为气流角，半径为 r. 二，基本假设： 1` ，蜗壳各不同截面上所流过流量与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角成正比： (3-29) 2，由于气流进入蜗壳以后不再获得能量，气体的动量矩保持不变。 常 数 (3-30) 三，蜗壳内壁型线 离心通风机蜗壳内壁型线 根据上述假设，蜗壳为矩形截面，宽度 B 保持不变，那么在角度的截面上的流量为： (3-31) 代入式 (3-30) 后： (3-32) 上式表明蜗壳的内壁为一对数螺线，对于每一个，可计算，连成蜗壳内壁。 可以用近似作图法得到蜗壳内壁型线。 实际上，蜗壳的尺寸与蜗壳的张度 A 的大小有关 令按幂函数展开： (3-33) 其中 那么 (3-34a) 系数 m随通风机比转数而定，当比转数时， (3-34) 式第三项是前面两项的 10%，当时 仅是 1%。为了限制通风机的外观尺寸，经验

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