离心式通风机设计和选型手册范本.docx
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离心式通风机设计和选型手册范本
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，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使用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）
由此可以得出
常数
所以，空气在离开叶轮
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