離心式通風(fēng)機設(shè)計 通風(fēng)機的設(shè)計包括氣動設(shè)計計算 結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算等內(nèi)容 這一章主要講第一 方面 而且通風(fēng)機的氣動設(shè)計分相似設(shè)計和理論設(shè)計兩種方法 相似設(shè)計方法簡單 可靠 在工業(yè)上廣泛使用 而理論設(shè)講方法用于設(shè)計新系列的通風(fēng)機 本章主要敘述離心通風(fēng)機 氣動設(shè)計的一般方法 離心通風(fēng)機在設(shè)計中根據(jù)給定的條件 容積流量 通風(fēng)機全壓 工作介質(zhì)及其密 度 以用其他要求 確定通風(fēng)機的主要尺寸 例如 直徑及直徑比 轉(zhuǎn)速 n 進 出口寬度 和 進出口葉片角 和 葉片數(shù) Z 以及葉片的繪型和擴壓器設(shè)計 以保證通風(fēng)機的性能 對于通風(fēng)機設(shè)計的要求是 1 滿足所需流量和壓力的工況點應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)性能好 8 尺寸盡量小 重量經(jīng) 9 維護方便 對于無因次數(shù)的選擇應(yīng)注意以下幾點 1 為保證最高的效率 應(yīng)選擇一個適當(dāng)?shù)?值來設(shè)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(shù) 圖 3 1 為葉輪的主要參數(shù) 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(shù) 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(yīng)加速進口流速 一般采用 葉輪進口面積為 而進風(fēng)口面積為 令 為葉輪進口速度的變化系數(shù) 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(xué)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(zhuǎn)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(fēng)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(shù)計算 用 和 分別表示進出口的阻塞系數(shù) 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(dāng)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(yīng)選用適當(dāng)?shù)?當(dāng) 過大時 過小 但 加大很多 使 3 2c 式右邊第二項過大 加大 當(dāng) 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(shù) 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(jù) 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(jù) 為最小值時 優(yōu)化計算進口葉片角 當(dāng)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(dāng) 時 3 6c 或者 3 6d 2 當(dāng)葉輪進口轉(zhuǎn)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(shè) 那么 此外 當(dāng) 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(dāng)氣流進入葉片時有預(yù)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(dāng)氣流偏向葉輪旋轉(zhuǎn)方向時 正預(yù)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(nèi)的分離損失較大 過小的進口安裝角導(dǎo)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(nèi)的損失降低 兩者比 較 效率反而增高 一般前向葉輪 當(dāng) 時 甚至 四 葉輪前后盤的圓角和葉片進口邊斜切 設(shè)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(yīng)轉(zhuǎn)彎處氣流不均勻現(xiàn) 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(jù)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(shù) Z 的選擇 葉片數(shù)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(jù)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(guān)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(dāng)量擴張角過大 應(yīng)采用較多葉片 出口角小時 葉道較長 應(yīng)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(dāng) Z 8 12 個時 采用機翼型及弧型葉片 當(dāng) Z 12 16 時 應(yīng)采用直 線型葉片 對于前向葉輪 Z 12 16 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(dǎo)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(shù)影響很大 其葉片入口處寬度 應(yīng)比 公式計 算出的大一些 例如當(dāng) 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 3 0 4 0 45 0 55 0 5 根據(jù) 值及 可決定 圖 3 7 前盤形狀 葉片形狀的確定 離心式通風(fēng)機主要參數(shù) 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(jù)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(dāng) 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(shè)計中 一般先求出 Z 等 根據(jù)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(zhǔn)確地成型 所以在某些情況下會產(chǎn)生過高 的前緣葉片壓力 從而導(dǎo)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(shù)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(shù) 或 保持常數(shù) 的葉片 用下 標(biāo) 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(yù)旋 3 16c 3 16d 2 3 17a 當(dāng) 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(fēng)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(guān)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(dāng)軸面流道的關(guān)系為 br 常數(shù)時 常數(shù) 把 3 18a 式代入 3 18b 式 為常數(shù) 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(shù)的等角螺線葉片 3 20 c 常數(shù)同時 常數(shù) w 也必為常數(shù) 見圖 3 13 所示 同時 那么壓力系數(shù) 3 21 只與幾何尺寸 即 有關(guān) d 等寬度葉道 b 常數(shù) 由于 常數(shù) 那么 3 21 圖 3 13 2 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(shù)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(shù) 3 23 當(dāng) 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(shù)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 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 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(nèi) 就可以 求出各段中點的 值 根據(jù) 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(fēng)機葉片的設(shè)計是按的線性分布設(shè)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(fēng)機的進氣裝置 圖 3 15 離心通風(fēng)機的進氣裝置 圖 3 16 離心通風(fēng)機的進氣裝置位置 圖 3 17 離心通風(fēng)機的進氣形狀 一 進氣室 進氣室一般用于大型離心通風(fēng)機上 倘若通風(fēng)機進口之前需接彎管 氣流要轉(zhuǎn)彎 使葉輪進口截面上的氣流更不均勻 因此在進口可增設(shè)進氣室 進氣室裝設(shè)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(fēng)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(jīng)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(dǎo)流器 若需要擴大通風(fēng)機的使用范圍和提高調(diào)節(jié)性能 可在進氣口或進氣室流道裝設(shè)進口導(dǎo)流器 分為軸向 徑向兩種 可采用平板形 弧形和機翼型 導(dǎo)流葉片的數(shù)目為 Z 8 12 圖 3 18 離心通風(fēng)機的進氣導(dǎo)葉 導(dǎo)葉設(shè)計 在單極通風(fēng)機中幾乎不用導(dǎo)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(jù)環(huán)量不變和連續(xù)方程 3 25 由此可以得出 常數(shù) 所以 空氣在離開葉輪后按對數(shù)螺線流動 其對數(shù)螺線方程為 3 26 因此 至少在截面 采用對數(shù)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(fēng)機用的導(dǎo)葉多用直導(dǎo)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(shù)為 如圖 3 19 所示 圖 3 19 蝸殼設(shè)計 圖 3 20 離心通風(fēng)機蝸殼 一 概述 蝸殼的作用是將離開葉輪的氣體集中 導(dǎo)流 并將氣體的部分動能擴壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓 目前離心通風(fēng)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(fēng)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(nèi)一點 的流速為 c 分量為 和 為氣流角 半徑為 r 二 基本假設(shè) 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(shù) 3 30 三 蝸殼內(nèi)壁型線 圖 3 21 離心通風(fēng)機蝸殼內(nèi)壁型線 根據(jù)上述假設(shè) 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(nèi)壁為一對數(shù)螺線 對于每一個 可計算 連成蝸殼內(nèi)壁 可以用近似作圖法得到蝸殼內(nèi)壁型線 實際上 蝸殼的尺寸與蝸殼的張度 A 的大小有關(guān) 令 按冪函數(shù)展開 3 33 其中 那么 3 34a 系數(shù) m 隨通風(fēng)機比轉(zhuǎn)數(shù) 而定 當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù) 時 3 34 式第三項是前 面兩項的 10 當(dāng) 時僅是 1 為了限制通風(fēng)機的外形尺寸 經(jīng)驗表明 對低中比 轉(zhuǎn)數(shù)的通風(fēng)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(yīng)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(nèi)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(nèi)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(dāng)量面積 的 若速度 過大 通風(fēng)機出口動壓增加 速度 過小 相應(yīng)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(yīng)需改變 A 使 不變 當(dāng)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(nèi)壁的撞擊和磨損少 一般經(jīng)驗公式為 1 3 37a 或 2 3 37b 低比轉(zhuǎn)數(shù)取下限 高比轉(zhuǎn)速取上限 3 為葉輪進口直徑 系數(shù) 五 蝸殼內(nèi)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(nèi)壁型線 其中 3 37 等邊基方法作出近似螺旋線與對數(shù)螺線有一定誤差 當(dāng)比轉(zhuǎn)速越高時 其誤差越大 可采 用不等邊 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(zhuǎn)速通風(fēng)機也可以得到很好的結(jié)果 圖 3 22 等邊基方法 圖 3 23 不等邊基方法