離心式通風機設計通風機的設計包括氣動設計計算，結構設計和強度計算等內容。這一章主要講第一方面，而且通風機的氣動設計分相似設計和理論設計兩種方法。相似設計方法簡單，可靠，在工業(yè)上廣泛使用。而理論設講方法用于設計新系列的通風機。本章主要敘述離心通風機氣動設計的一般方法。離心通風機在設計中根據給定的條件:容積流量，通風機全壓，工作介質及其密度，以用其他要求，確定通風機的主要尺寸，例如，直徑及直徑比，轉速n,進出口寬度和，進出口葉片角和，葉片數Z，以及葉片的繪型和擴壓器設計，以保證通風機的性能。對于通風機設計的要求是：（1） 滿足所需流量和壓力的工況點應在最高效率點附近；（2） 最高效率要高，效率曲線平坦；（3） 壓力曲線的穩(wěn)定工作區(qū)間要寬； （4） 結構簡單，工藝性能好；（5） 足夠的強度，剛度，工作安全可靠；（6） 噪音低；（7） 調節(jié)性能好；（8） 尺寸盡量小，重量經；（9） 維護方便。對于無因次數的選擇應注意以下幾點：（1） 為保證最高的效率，應選擇一個適當的值來設計。（2） 選擇最大的值和低的圓周速度，以保證最低的噪音。（3） 選擇最大的值，以保證最小的磨損。（4） 大時選擇最大的值。1 葉輪尺寸的決定圖3-1葉輪的主要參數:圖3-1為葉輪的主要參數:葉輪外徑:葉輪進口直徑；:葉片進口直徑；:出口寬度； :進口寬度；:葉片出口安裝角；:葉片進口安裝角；Z:葉片數；:葉片前盤傾斜角；一 最佳進口寬度在葉輪進口處如果有迴流就造成葉輪中的損失，為此應加速進口流速。一般采用，葉輪進口面積為，而進風口面積為，令為葉輪進口速度的變化系數，故有：由此得出： (3-1a)考慮到輪轂直徑引起面積減少，則有： (3-1b)其中在加速20%時，即, (3-1c)圖3-2 加速20%的葉輪圖圖3-2是這種加速20%的葉輪圖。近年來的研究加速不一定是必需的，在某些情況下減速反而有利。二 最佳進口直徑由水力學計算可以知道，葉道中的損失與速度的平方成正比，即。為此選擇在一定的流量和轉速條件下合適的，以使為最小。首先討論葉片厚度的影響。如圖3-3，由于葉片有一定厚度；以及折邊的存在，這樣使進入風機的流速從增加至，即：圖3-3 葉片厚度和進出口的阻塞系數計算用和分別表示進出口的阻塞系數： (3-2a)式中為節(jié)距，為切向葉片厚度同理那么進出口的徑向速度為：當氣流進入葉輪為徑向流動時，,那么： (3-2b)為了使最小，也就是損失最小，應選用適當的。當過大時，過小，但加大很多，使（3-2c）式右邊第二項過大，加大。當過小時，（3-2c）式右第二項小，第一項會過大，總之在中間值時，使最小，即考慮到進口20%加速系數，及輪轂的影響，的表達式為（3-1b）式,代入(3-2c)式為： (3-3c)對式(3-3)求極小值，得出的優(yōu)化值為： (3-4a)出口直徑不用上述類似的優(yōu)化方法，只要選用合適的即可: (3-4b)即： (3-4c)也可以根據，求出 (3-4d)三 進口葉片角1. 徑向進口時的優(yōu)化值同一樣，根據為最小值時，優(yōu)化計算進口葉片角。當氣流為徑向進口時，,且均布，那么從進口速度三角形（令進口無沖擊=）代入值后得出值，最后得出： (3-5)求極值，即 (3-6a)這就是只考慮徑向進口時的優(yōu)化值。把（3-6a）式代入(3-4a)至(3-4d)式： (3-6b)進而當時： (3-6c)或者： (3-6d)2. 當葉輪進口轉彎處氣流分布不均勻時的優(yōu)化值。圖3-4，葉片進口處速度分布不均勻，在前盤處速度大小為和，比該面上的平均值要大，設那么此外：當時： (3-7a)進而采用近似公式: 其中為葉輪前盤葉片進口處的曲率半徑。計算出來的角比小一些。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)式中為的平均值。圖3-4葉片進口處和分布不均勻圖3-5進口速度三角3. 當氣流進入葉片時有預旋，即：由圖3-5進口速度三角形可以得出：求極值后： (2-8a)可以看出當氣流偏向葉輪旋轉方向時（正預旋），將增大，同時得到：4. 葉輪的型式不同時有所區(qū)別一般推薦葉片進口角稍有一個較小的沖角。后向葉輪中葉道的摩擦等損失較小，此時的選擇使葉輪進口沖擊損失為最小。 沖角一般后向葉輪：對于前向葉輪，由于葉道內的分離損失較大，過小的進口安裝角導片彎曲度過大，分離損失增加。較大的安裝角雖然使進口沖擊損失加大，但是流道內的損失降低，兩者比較，效率反而增高。一般前向葉輪：當時，甚至。四 葉輪前后盤的圓角和葉片進口邊斜切設計中，在可能情況下盡量加大葉輪前后盤的圓角半徑r和R（圖3-1）。葉片進口邊斜切是指前盤處葉片進口直徑大于后盤處的直徑，以適應轉彎處氣流不均勻現象。如果葉片進口與軸平行，如圖3-6(a)所示，在進口邊各點是相同的。但該處氣流速度不均勻，而周速相同。故氣流角不同，這樣就無法使葉片前緣各點的氣流毫無沖擊地進入葉輪。為此將葉片進口邊斜切（見圖3-6(b)）,靠近前盤處的大，且其亦大，而靠近后盤小，且亦小。使氣流良好地進入葉道。前向葉輪，進口氣流角是根據葉片彎曲程度來考慮的，故不做成斜切。圖3-6葉輪前后盤的圓角和葉片進口邊斜切五 葉片數Z的選擇葉片數太少，一般流道擴散角過大，容易引起氣流邊界層分離，效率降低。葉片增加，能減少出口氣流偏斜程度，提高壓力。但過多的葉片會增加沿程摩阻損失和葉道進口的阻塞，也會使效率下降。根據試驗，葉片間流道長度l為流道出口寬度a的2倍，且l為,由幾何關系：那么 (3-9)出口角大的葉輪，其葉道長度較短就容易引起當量擴張角過大，應采用較多葉片。出口角小時，葉道較長，應采用較少葉片。同時較小時，Z也少一些為好，以免進口葉片過于稠密。對于后向葉輪：當Z=812個時，采用機翼型及弧型葉片，當Z=1216時，應采用直線型葉片。對于前向葉輪，Z=1216.六 葉片進出口寬度1. 后向葉輪一般采用錐形圓弧型前盤，對于一定流量葉輪，過小則出口速度過大，葉輪后的損失增大，而過大，擴壓過大，導致邊界層分離，所以的大小要慎重決定。由于 (3-10a)上式表明，在一定的時，值與成正比，對于一定的葉輪過大，出口速度大，葉輪后損失增大，反之過小，擴壓度過大。試驗證明，不同的，值不同，即 (3-10b) 然后，利用(3-10a)式可計算出。后向葉輪的進口處寬度，一般可近似計算： (3-10c)2.前向葉輪進口處參數影響很大。其葉片入口處寬度應比公式計算出的大一些。例如當 前向葉輪采用平直前盤時：，若采用錐形前盤，必須正確選用前盤傾斜角，即 0.30.4 0.450.55 >0.5 根據值及，可決定。圖3-7 前盤形狀 葉片形狀的確定離心式通風機主要參數及Z已知后，就可以繪制葉片的形狀，葉片的形狀有很多選擇。一 平直葉片平直葉片是最簡單的葉片型式，根據圖3-8，由正弦定理： (3-11)上式表明, 和之間滿足(3-11)式，不能同時任意選擇。例如：: 0.3 0.5 0.7(當時): 圖3-8平直葉片二 圓弧型葉片圓弧型葉片分單圓弧和多圓弧，一般多采用單圓弧。在設計中，一般先求出,Z等，根據已知條件確定葉片圓弧半徑的大小，和該圓弧的中心位置P，以及圓弧所在半徑。圖3-9a后向圓弧葉片圖3-9 b前向圓弧葉片圖3-9 c 徑向葉片1. 后向葉片圓弧如圖3-9a所示，已知在和中，P0為公共邊：由余弦公式： (3-12a) (3-12b)葉片長度l：2. 前向葉輪圓弧葉片 (3-13a) (3-13b)3. 徑向葉片見圖3-9c (3-14a) (3-14b)三.葉片流道的決定對于直葉片和圓弧葉片，其進口不能很準確地成型，所以在某些情況下會產生過高的前緣葉片壓力，從而導致了氣流的分離。最好在進口有一段無功葉片，或用近似的圓弧表示。這種無功近似圓弧如圖3-10所示：從1點引出的無功圓弧的半徑r等于從該點引出的對數曲線的曲率半徑。圖解時，連接01兩點，做角，過0點做的垂線，交于角的另一邊為A點，以為半徑做圓弧，弧段為無功葉片，e點的以后用拋物線，或者曲線板延長，而且保證出口角為即可。流道畫出以后，檢查過流斷面，過流斷面變化曲線的斜率不能大于，否則的話，擴散度過在，造成較大的邊界層損失，甚至分離。一般葉片較少時，用圓弧葉片還是合理的。圖3-10無功葉片及過流斷面檢查圖3-11無功葉片的形狀以下用解析法做幾種情況的無功葉片：無功葉片就是環(huán)量不變的葉片，即保持常數（或保持常數）的葉片，用下標”0”表示進口，則：由于 (3-15)上式為無功葉片的方程.（1） 情況，這時前盤為雙曲線，即 (3-16a)積分后： (3-16b)如果進口無預旋： (3-16c) (3-16d)（2） (3-17a)當時 (3-17b)圖3-12 葉片基元四.葉片造型的解析法和圖解法1. 減速葉片間流道由于風機葉輪中的流動為逆壓梯度，易造成邊界層的脫流，而造成過大的邊緣失。如果使相對流速w的減少呈線性關系，那么在葉輪中就不會造成過大的逆壓梯度。圖3-12中的一個葉片基元，分解成（徑向）和（周向）兩個分量： (3-18a)這就可以利用w代替進行葉片繪形。如果采用等減速流道，即 (3-18b)可以看出對于等減速流道，w的分布曲線是一條拋物線，其中有幾種情況可以得到解析解。a. 等徑向速度流道當軸面流道的關系為br=常數時，=常數。把(3-18a)式代入(3-18b)式：為常數，積分而得到速度分布為： (3-19)此時w沿半徑是線性分布的。b. =常數的等角螺線葉片： (3-20)c.=常數同時=常數，w也必為常數。見圖3-13所示。同時：那么壓力系數： (3-21)只與幾何尺寸，即有關。d.等寬度葉道，b=常數由于：常數那么: (3-21)圖3-132. 等減速葉片的圖解法。在一般情況，由式(3-18b)得到：積分后: (3-22)積分常數為：那么已知w和，就可以求出，進而利用：可利用圖解法繪型葉片。例如：令,代入方程中：得到若令=常數： (3-23)當及已知時，可以求出和w，進而求出，即可進行葉片繪型。即先用數值方法計算出，然后圖解繪圖。例如：時可列表計算：r b br 5.5 2.45 13.5 0.223 5.84 336.5 2.06 13.4 0.221 5.79 33.27.5 1.7 12.75 0.212 5.55 34.98.5 1.33 11.30 0.1868 4.48 39.39.5 0.98 9.6 0.1585 4.15 46.3 繪型步驟如下：把半徑分成n分，求出各段中點的w和值，并列入表內，就可以求出各段中點的值，根據，在圖上量取和，從進口畫起，就可以得出葉片形狀如圖3-14所示。以上風機葉片的設計是按的線性分布設計葉片，同樣可以按葉片角的分布進行葉片角的繪型，在水輪機中還可以按給定的分布進行葉片繪型。圖3-14 離心通風機的進氣裝置圖3-15離心通風機的進氣裝置圖3-16離心通風機的進氣裝置位置圖3-17離心通風機的進氣形狀一. 進氣室進氣室一般用于大型離心通風機上。倘若通風機進口之前需接彎管，氣流要轉彎，使葉輪進口截面上的氣流更不均勻，因此在進口可增設進氣室。進氣室裝設的好壞會影響性能：1. 進氣室最好做成收斂形式的，要求底部與進氣口對齊，圖3-15所示。2. 進氣室的面積與葉輪進口截面之比一般為矩形，為最好。3進氣口和出氣口的相對位壓，對于通風機性能也有影響。時為最好，時最差。如圖3-16所示。二，進氣口進氣口有不同的形式，如圖3-17所示。一般錐形經筒形的好，弧形比錐形的好，組合型的比非組合型的好。例如錐弧型進氣口的渦流區(qū)最小。此外還注意葉輪入口的間隙型式，套口間隙，比對口間隙形式好。三，進口導流器若需要擴大通風機的使用范圍和提高調節(jié)性能，可在進氣口或進氣室流道裝設進口導流器，分為軸向、徑向兩種?？刹捎闷桨逍?，弧形和機翼型。導流葉片的數目為Z=812。圖3-18離心通風機的進氣導葉 導葉設計在單極通風機中幾乎不用導葉。主要在壓氣機中使用，空氣離開葉輪后有一個絕對速度，與圓周方向的夾角為，因此根據環(huán)量不變和連續(xù)方程： (3-25)由此可以得出常數所以，空氣在離開葉輪后按對數螺線流動，其對數螺線方程為： (3-26)因此，至少在截面采用對數螺線，或用近似的圓弧表示：其曲線曲率半徑：以后部分可用式(3-26)計算。流道寬度a+s為 (3-27)式中，t-葉片節(jié)距，由于考慮葉片厚度引起流道變窄，可把用表示 (3-28)通風機用的導葉多用直導葉，流道不允許有過大的擴散度，若最大的擴壓角為，那么所需最少葉片數為，如圖3-19所示。圖3-19 蝸殼設計圖 3-20離心通風機蝸殼一，概述蝸殼的作用是將離開葉輪的氣體集中，導流，并將氣體的部分動能擴壓轉變?yōu)殪o壓。目前離心通風機普遍采用矩形蝸殼，優(yōu)點是工藝簡單適于焊接，離心通風機蝸殼寬度B比其葉輪寬度大得多，則氣流流出葉輪后的流道突然擴大，流速驟然變化。如圖3-20所示，為葉輪出口后的氣流速度，為其氣流角（分量為和），蝸殼內一點的流速為c，分量為和，為氣流角，半徑為r.二，基本假設：1，蝸殼各不同截面上所流過流量與該截面和蝸殼起始截面之間所形成的夾角成正比： (3-29)2，由于氣流進入蝸殼以后不再獲得能量，氣體的動量矩保持不變。常數 (3-30)三，蝸殼內壁型線：圖 3-21離心通風機蝸殼內壁型線根據上述假設，蝸殼為矩形截面，寬度B保持不變，那么在角度的截面上的流量為： (3-31)代入式(3-30)后： (3-32)上式表明蝸殼的內壁為一對數螺線，對于每一個，可計算，連成蝸殼內壁?？梢杂媒谱鲌D法得到蝸殼內壁型線。實際上，蝸殼的尺寸與蝸殼的張度A的大小有關令按冪函數展開： (3-33)其中那么 (3-34a)系數m隨通風機比轉數而定，當比轉數時，(3-34)式第三項是前面兩項的10%，當時僅是1%。為了限制通風機的外形尺寸，經驗表明，對低中比轉數的通風機，只取其第一項即可： (3-34b)則得 (3-35)式(3-35)為阿基米德螺旋線方程。在實際應用中，用等邊基方法，或不等邊基方法，繪制一條近似于阿基米德螺旋線的蝸殼內壁型線，如圖3-22所示。由式(2-34)得到蝸殼出口張度A (3-36)一般取，具體作法如下：先選定B，計算A式(3-36)，以等邊基方法或不等邊基方法畫蝸殼內壁型線。四，蝸殼高度B蝸殼寬度B的選取十分重要。,一般維持速度在一定值的前提下，確定擴張當量面積的。若速度過大，通風機出口動壓增加，速度過小，相應葉輪出口氣流的擴壓損失增加，這均使效率下降。如果改變B，相應需改變A使 不變。當擴張面積不變情況，從磨損和損失角度，B小A大好，因為B小，流體離開葉輪后突然擴大小，損失少。而且A大，螺旋平面通道大，對蝸殼內壁的撞擊和磨損少。一般經驗公式為：1. (3-37a)或2. (3-37b)低比轉數取下限，高比轉速取上限。3. 為葉輪進口直徑，系數：五，蝸殼內壁型線實用計算以葉輪中心為中心，以邊長作一正方形。為等邊基方。以基方的四角為圓心分別以為半徑作圓弧ab,bc,cd,de，而形成蝸殼內壁型線。其中 (3-37)等邊基方法作出近似螺旋線與對數螺線有一定誤差，當比轉速越高時，其誤差越大?？刹捎貌坏冗?。方法不同之處，做一個不等邊基方：不等邊基方法對于高比轉速通風機也可以得到很好的結果。圖3-22 等邊基方法圖3-23 不等邊基方法 END