【2017年整理】风机与压缩机第3章

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1、第三章 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，在工业上广泛使用。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P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 21D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1b2A12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

2、应在最高效率点附近；（2） 最高效率要高，效率曲线平坦；（3） 压力曲线的稳定工作区间要宽；（4） 结构简单，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2D:叶轮进口直径；0:叶片进口直径；1:出口宽度；2b:进

3、口宽度；:叶片出口安装角；A2:叶片进口安装角；1Z:叶片数；:叶片前盘倾斜角；)(12Dbtg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10D1b214D数，故有： 1214由此得出：(3-1a)1b考虑到轮毂直径 引起面积减少，则有：0d(3-1b)1(4)(42211 D其中 0在加速 20%时，即 ,.(3-1c)81b图 3-2 加速 20%的叶轮图图 3-2 是这种加速 20%的叶轮图。近年来的研究加速不一定是必需的，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可以

4、知道，叶道中的损失与速度 的平方成正比，即 。1w21wpimpi为此选择在一定的流量和转速条件下合适的 ，以使 为最小。D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：mC0110FCm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：12(3-2a)111110)(2tbbDSinZSinZFAA式中 为节距， 为切向叶片厚度 AASinZtSinZDt 222111 , 同理 22)(tb那么进出口的径向速度为： 110bDQCthm22t当气流进入叶轮为径向流动时， ,那么：1Cm121mC

5、w(3-2b)212260DnbQth为了使 最小，也就是 损失最小，应选用适当的 。当 过大时， 过小，1imp1DmC1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121w二项小，第一项会过大，总之 在中间值时，使 最小，即1 012d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：1b(3-3c)2122121 60)(6DnDQwth对式(3-3) 求极小值，得出的优化值为：(3-4a)312121)(4Athng出口直径 不用上述类似的优化方法，只要选用合适 的即可:32240DuQth(3-

6、4b)32thnD即： (3-4c)1221)(Atg也可以根据 ，求出21(3-4d)132)(Dtg三 进口叶片角 A11. 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，1wA1,且 均布，那么从进口速度三角形（令进口无冲击 = ）o901mCAsu1oDn12221)6(1mthbQ代入 值后得出 值，最后得出：1 AmthCoswvnw1212123)(4)60( (3-5)AthSins121319求极值，即 03Ad(3-6a)oA6.51这就是只考虑径向进口时的 优化值。A1把（3-6a ）式代入(3-4a)至(3-4d)式：(3-6

7、b)3211)(.nvQDth进而当 时：0.,.,01(3-6c)32194.D或者： (3-6d)32170.2. 当叶轮进口转弯处气流分布不均匀时 的优化值。A1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max1Cax1w上的平均值要大，设 kCm1ax那么 )1(122a22ax1 AAtgkutguw此外： mthCvQDn12114,60AthtgkvQ12213max1 3)()9当 时：0Adtgw(3-7a)k21进而采用近似公式: )21(31rbe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1r A1o26.35下表所示

8、：: 0.2 0.4 1.0 2.0 3.0 4.0b: 0.952 0.88 0.74 0.58 0.472 0.424k:A1o34o9.7.2o3.5.18o7.6那么(3-7b)31210AthngQD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 ：01uC由图 3-5 进口速度三角形可以得出： )(1111osCuwAAtgmu 111tSinAmthCvQDn1212121 )(906AmSiwC211121331)( tgSinosinvAAth求极值后：(2-8a)2694111tgttgA可以看出当气流偏向叶轮

9、旋转方向时（正预旋）， 将增大，同时得到：A131312121)(0tgtvnQDAAh4. 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。A11uCtgmiA1冲角 oi80一般后向叶轮： oA35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： oA6041当 时， 甚至 。oA521oA901四 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

10、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fD1bD1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A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mC12u1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mC1其 亦大，而靠近后盘 小，且 亦小。使气流良好地进入叶道。um11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

11、，一般流道扩散角过大，容易引起气流边界层分离，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：AASinZDSinta2215.rl那么 .2ASinZ(3-9)21215.85.4rirA出口角大的叶轮，其叶道长度较短就容易引起当量扩张角过大，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21D口叶片过于稠密。对于后向叶轮：当 Z=812 个时，采用机翼型及弧型叶片，当 Z=1216 时，应采

12、用直线型叶片。对于前向叶轮，Z=1216.六 叶片进出口宽度 21,b1. 后向叶轮一般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，2b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。2b由于 rTCDQ22(3-10a)224uCDbr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2r2 2uCr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ur A2r不同，即(3-10b)oA483525.01.2Cr608然后，利用(3-10a)式可计算出 。2Db后向叶轮的进口处宽度，一般可近似计算：(3-1

13、0c)12Db2.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1b)1(42vD算出的大一些。例如当 )652(7.15.4sn3.025.14.1b.2D)0.(15.0145.21Db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0.30.4 0.450.55 0.521o0oo3根据 值及 ，可决定 。b2图 3-7 前盘形状叶片形状的确定2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121,bD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)AACosrs12上式表明 , 和之间满

14、足(3-11)式，不能同时任意选择。D2例如：: 0.3 0.5 0.721r(当 时) :oA301o9.74o3.64o7.52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AD212,kRP，以及圆弧所在半径 。0R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 APuw12120在 和 中，P0 为公共边：210,rRk由余弦公式： AkkAkk CosrRRCosrPP 121202220

15、, (3-12a)AsrR12(3-12b)AkkAkk CosrRCosrRR 121220 叶片长度 l： 02121102212 1,36RrCoslkkook2. 前向叶轮圆弧叶片(3-13a)180()8(212AoAok CsrsrR(3-13b)20k3. 径向叶片见图 3-9coA92(3-14a)12CsrRk(3-14b)20三.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，从而导致了气流的分离。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A101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