离心式通风机设计和选型手册.docx
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离心式通风机设计和选型手册
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
:
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
由水力学计算可以知道，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进口速度三角形可以得出：
求极值后：
（2-8a）
可以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，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：
那么
（3-9）
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，不能同时任意选择。
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3-9b前向圆弧叶片
图3-9c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，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
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，即
（3-16a）
积分后：
（3-16b）
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）
这就可以利用w代替
进行叶片绘形。
如果采用等减速流道，即
（3-18b）
可以看出对于等减速流道，w的分布曲线是一条抛物线，其中有几种情况可以得到解析解。
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.
=常数的等角螺线叶片：
（3-20）
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。
在一般情况，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：
（3-23）
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 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
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，就可以得出叶片形状如图3-14所示。
以上风机叶片的设计是按的线性分布设计叶片，同样可以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
进气室一般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
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