离心式通风机设计和选型手册解析

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1、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AP,工作介质及其密度0,以用其他要求，确定通风机的主要尺寸，例如，直径及直径比D1/D，转速n,进出口宽度1和，进出口叶片角门“和卩二，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、2）最咼效率要咼，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J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) 大时选择最大的傘值。 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：-亠:叶轮外径-I.:叶轮进口直径；-:叶片进口直径；1 :出口宽度；：进口宽度;叶片出口安装角;| ；_1：叶片进口安装角

3、；Z:叶片数；J r :叶片前盘倾斜角;最佳进口宽度-I丄-：,叶轮进口面积为，而进风口面积为，令诅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%寸，即ZE(3-1c)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。一般采用图3-2加速20%的叶轮图图3-2是这种加速20%勺叶轮图。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rl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首先讨论叶片厚度的影响。如图3-3，由于叶片有一定厚度:

4、;以及折边3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一分别表示进出口的阻塞系数:吗 辺-ZS禹旳0“ - 2Z心/Sin01 九码$(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,-J-1,那么:(3-2b)为了使最小，也就是二“损失最小，应选用适当的-。当口过大时,过小,但F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，总之中间值时，使考虑到进口 20%加速系数，及轮毂的影响,1的表达式为（3-1b ）式，代入（3-2c）式为:(3-3c)对式

5、（3-3）求极小值，得出的优化值为:(3-4a)出口直径二 不用上述类似的优化方法，只要选用合适的即可：c 兀 2RK _3二。必&二可&匕2职(3-4b)即：A_J-q Y(i-u%Aji巧(3-4c)也可以根据 A/A，求出职三.进口叶片角J1.径向进口时的：L优化值同E 样，根据沟为最小值时，优化计算进口叶片角 0“。当气流为径向进口时，珂二9，且二i._均布，那么从进口速度三角形（令进口无冲击童）代入值后得出 i值，最后得出:诒=(令 4钞6 JTTjfl-VCj/wi Cc?0“w：=匆陶(1J )Co/血血Eg(3-5)(3-6a)这就是只考虑径向进口时的 卩“优化值。把( 3-6

6、a)式代入(3-4a)至(3-4d)式:巧(1-(3-6b)进而当 = 0,右二12巧二1.0时：(3-6c)或者:(3-6d)2.当叶轮进口转弯处气流分布不均匀时01!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皿t和血遞，比该面上的平均值要大，设卜：那么wiLx =讯1+灯01皿）=肚；0皿）旳司此外:-毗必（i+X烂兀严900（1；） 渤口(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:! 4：0.20.43.04.00.9520.880.4720.424表所示:1.02.00.740.58那么34(3-7b)式中二为的平均

7、值。31V27.716.7图3-4叶片进口处和分布不均匀3.图3-5进口速度三角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:眄二兀二巴（1_乞8叽Co叽 叭0.50.30.40.450.5离心式通风机主要参数他仇勾A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。平直叶片）平賣胡厲A)盘(3-11)上式表明-/hi和之间满足(3-11)式，不能同时任意选择。例如：:0.30.70.5(当时)1:749643527图3-8平直叶片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易 的大小，和该圆弧的中心位置

8、P,以及圆弧所在半径丄。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Zw? - ZP20 -仏虫 厶纠=Z?10 =氐在 和中，P0为公共边：P2 = Pi = Rk01 = rL, 02 =/由余弦公式：P0 iR 二% _斤 二 P2a+02?怙“加九丄-勺口明丄） - 2厉辰加#期用二風+；-2R込c耐0直、號二R； +扌-2氏艸?0閃口州=Jjt+勺- 2尺龙Cos妨=J坨+斤_ 2 阳叩u(3-12b)叶片长度I :用+蹲-创 他心-门C _1|尺+耳T2戶厂2. 前向叶轮圆弧叶片垃二 2(C耐(1 时-炖卫)-0)(3

9、-13a)XjR：+f-2gC吨討-尬3. 径向叶片见图 3-9c坨二跻 Ca0i(3-14a)(3-14b)三.叶片流道的决定(3-13b)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，做角丨_1 ,过0点做二的垂线，交于角的另一边为 A点，以川二f为 半径做圆弧，弧四段为无功叶片，e点的以后用抛物线，或者曲线板延长，而且保证出口 角为#鮎即可。流道画出以后

10、，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以下用解析法做几种情况的无功叶片:的叶片，用下标”无功叶片就是环量不变的叶片，即-2保持常数（或保持常数）0”表示进口，则：dr由于上式为无功叶片的方程(3-15)(1)情况，这时前盘为双曲线，即积分后:(3-16a)(3-16b)如果进口无预旋：亠11)3-16C)F1+翊）(3-16d)(2)S = Const-12 4L (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

11、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 As，分解成Ar (径向)和A私(周向)两个分量:(3-18a)=w C dtriff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(dr = dsSin/, - w帥0)Ww= -Cds(3-18b)/二甘-2CS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，八：=常数。把(3-18a)式代入(3-18b) 式:.为常数，积分而

12、得到速度分布为:此时w沿半径是线性分布的。b.=常数的等角螺线叶片:(3-20)=常数同时常数， w也必为常数。见图 3-13所示。同时:Ap二解2匚印二隔幅-扯)印(3-21)1只与几何尺寸，即-L有关。d.等宽度叶道，b=常数由于:那么： (r _q)(3-21)图 3-132.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:0=(-那么已知w和權，就可以求出tan 0，进而利用:Au = 4r/tan 0可利用图解法绘型叶片。例如：令，代入方程中:得到若令Ar 明-waAr勿(W -wjaT=5(3-23)当沟凤及加已知时，可以求出Aw和 用数值方

13、法计算出，然后图解绘图。W,进而求出1用，即可进行叶片绘型。即先例如:嗎-W =79-52.8 = 26.2可列表计算:5.56.57.58.52.450.22313.55.84332.060.22133.213.45.7939.334.91.70.2121.330.1868bAm?12.755.5511.304.489.59.64.150.980.158546.3绘型步骤如下：把半径分成n分，求出各段中点的w和丄值，并列入表内，就可以求出各段中点的 出叶片形状如图在图上量取3-14所示。_?和，从进口画起，就可以得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I讨

14、的绘型，在水轮机中还可以按给定 吒F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0漏背席睡11醪t M甘，重阿静 *)/ 图3-17离心通风机的进气形状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 二之比.-.时为最好，二时3. 进气口和出气口的相对位压，对于通风机性能也有影响。最差。如图3-16所示

15、。，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=812。P1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 J ,因此&=& +4根据环量不变和连续方程：由此可以得出(3-25)tan a -二=5 血常数所以，空气在离开叶

16、轮后按对数螺线流动，其对数螺线方程为:4taniz =ln (3-26)因此，至少在截面世采用对数螺线，或用近似的圆弧表示：其曲线曲率半径:Cosa以后部分可用式(3-26)计算。流道宽度a+s为* 2加.sinZ二用气:表示(3-27)式中，t-叶片节距，由于考虑叶片厚度引起流道变窄，可把(3-28)通风机用的导叶多用直导叶，流道不允许有过大的扩散度，若最大的扩压角为，那么所需最少叶片数为14如图3-19所示。图 3-19蜗壳设计图3-20离心通风机蜗壳一，概述蜗壳的作用是将离开叶轮的气体集中，导流，并将气体的部分动能扩压转变为静压。目前离心通风机普遍采用矩形蜗壳，优点是工艺简单适于焊接，离

17、心通风机蜗壳宽度B比其叶轮宽度 1大得多，则气流流出叶轮后的流道突然扩大，流速骤然变化。如图3-20所示，q为叶轮出口后的气流速度，闯为其气流角（分量为如和%）,蜗壳内一点的流 速为c，分量为 亠和-、，为气流角，半径为r.，基本假设:成正1，蜗壳各不同截面上所流过流量与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角比：图3-21离心通风机蜗壳内壁型线(3-29)02,由于气流进入蜗壳以后不再获得能量，气体的动量矩保持不变。(3-30)三，蜗壳内壁型线:1枫270*根据上述假设，蜗壳为矩形截面，宽度B保持不变，那么在角度 的截面上的流量为:(3-33)(3-31)代入式(3-30)后:(3-32)/，可

18、计算：，连成蜗壳内壁。上式表明蜗壳的内壁为一对数螺线，对于每一个可以用近似作图法得到蜗壳内壁型线。实际上，蜗壳的尺寸与蜗壳的张度A的大小有关A -nr令卩按幕函数展开：尸厂即+用才+(啣叩+、桝F+A 其中360 他/那么兔二7 _勺二勺附矿+尸+扣护尸+A(3-34a)系数m随通风机比转数 沟而定，当比转数 心二11812一6时，(3-34)式第三项是前 面两项的10%当一 -时仅是1%为了限制通风机的外形尺寸，经验表明，对低中比 转数的通风机，只取其第一项即可：(3-34b)则得7二勺(1+刑)(3-35)式(3-35)为阿基米德螺旋线方程。在实际应用中，用等边基方法，或不等边基方法, 绘

19、制一条近似于阿基米德螺旋线的蜗壳内壁型线，如图3-22所示。由式(2-34)得到蜗壳出口张度A(3-36)一般取H 一，具体作法如下：四，蜗壳高度B蜗壳宽度B的选取十分重要。一，一般维持速度J二一 在一定值的前提下，确定扩张当量面积的。若速度过大，通风机出口动压增加，速度 过小，相应叶轮出口气流的扩压损失增加，这均使效率下降。如果改变B,相应需改变A使 XAxE不变。当扩张面积 代不变情况，从磨损和 损失角度，B小A大好，因为B小，流体离开叶轮后突然扩大小，损失少。而且A大，螺旋平面通道大，对蜗壳内壁的撞击和磨损少。一般经验公式为：1.(3-37a)或- .42.(3-37b)低比转数取下限，高比转速取上限。1为叶轮进口直径，系数：五，蜗壳内壁型线实用计算AilJ 二以叶轮中心为中心，以边长4作一正方形。为等边基方。以基方的四角为圆心分别以:-为半径作圆弧ab,bc,cd,de，而形成蜗壳内壁型线。其中r2 = (1.0W2為 +/8(3-37)等边基方法作出近似螺旋线与对数螺线有一定误差，当比转速越高时，其误差越大。可采用不等边。方法不同之处，做一个不等边基方：toiU = Hl殛=33弘兔项5虫不等边基方法对于高比转速通风机也可以得到很好的结果。图3-22等边基方法图3-23不等边基方法