小毂比带前导流器轴流通风机的气动设计.doc

小毂比带前导流器轴流通风机的气动设计 步 群 王晓光 / 东北大学机械工程与自动化学院 关 莹 / 中国科学技术大学软件学院摘要：阐述了小毂比轴流通风机采用变环量流型进行气动设计的必要性。采用的变环量流型为，其中指数不是任选的，而是通过计算得出。对于级，计算的出发点是：在、及满足通风机理论全压方程、简单径向平衡方程及连续性方程的条件下，通过计算得出指数及常数K。推导出、及的计算公式，并列表给出气动设计中气流参数的计算步骤及有关公式。关键词：轴流式通风机；小毂比；前导流器；气动设计中图分类号：TH432.1 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）06-0027-04Pneumatic Design of Axial-flow Fan with Small Hub Ratio and Front Inducer Abstract: This paper discusses the necessity of pneumatic design of axial-flow fan with small hub ratio using variable circulation flow pattern. The variable circulation flow pattern used in this paper is. , the index, is not a discretional constant, but gained by calculating. As to grade, the starting point of calculation is that and K are gained by calculation on the condition of , and meeting the need of the total pressure equation of ventilator theory, the simple radial balance equation and the continuity equation. The formula to calculate, and is deducted. A table is made to give the calculating process and the concerned formulas of the airflow parameter in the pneumatic design.Key words: axial-flow fan; small hub ratio; front inducer; pneumatic design0 引言目前所应用的前导流器 () + 叶轮 () 级的轴流通风机，主要是前导流器叶片安装角度可调的级。这种轴流通风机的特点是：在通风机运转的条件下，可以利用改变前导流器的叶片安装角度的方法，来调节通风机的风量，从而满足通风系统对所需风量的要求；前导流器不随叶轮一起旋转，调节时无需停机，而且容易实现自动调节。它比动叶可调（在运转中改变叶轮安装角）轴流通风机的造价低，运转时的可靠性也高些。这种级的轴流通风机适用于通风换气系统，它的全压低，风量大，反映到通风机尺寸上是叶轮直径较大，而毂轮直径较小，即毂比较小，例如=0.30.5。对于小毂比的轴流通风机，如果在气动设计时仍然采取常用的等环量流型（）, 则沿叶片高度的安装角变化很大，叶片扭曲厉害，制造困难。如果采用变环量流型进行设计，可以减少甚至消除这种缺点。1 、及计算公式的推导及指数的确定在文献1-4中，所推荐的变环量流型为_收稿日期：2008-03-13 沈阳市 110004 （1）其中，及K为常数，在气动设计时，要预先选定指数1-4。本文所讨论的小毂比轴流通风机是P+R级；指数不是预先选定，而是通过计算得出，即推导出、及的计算公式。从中还可以看出沿叶片高度的轴向速度常数。 图1 级的基元级速度三角形图1为级的基元级及速度三角形。0-0为前导器进口截面；1-1为前导器出口或叶轮进口截面；2-2为叶轮出口截面。（1）前导器进口的气流速度气流沿轴向流向前导器，即。此时，且常数。 （2）式中为前导器进口的气流轴向速度；为前导器进口的气流速度；为叶轮半径；为通风机流量；为叶轮毂比，其中为轮毂直径，为叶轮直径。（2）叶轮进口旋绕速度及轴向速度计算公式的推导在推导叶轮进口轴向速度及出口轴向速度时，假定： 气流在级中的流动是不可压缩的、理想的稳定流动； 气流在无叶轴向间隙中的流动为圆柱面流动，即径向速度。在0-0与1-1截面间取理想流体的伯努利方程 （3）由于0-0截面气流旋绕速度及，上式可写成： （4） 式中为大气压力；为叶轮进口的气流压力；为叶轮进口气流的轴向速度；为叶轮进口气流的旋绕速度。由式（4）得 （5）在1-1截面的简单径向平衡方程式： （6）式中为气体密度；为半径。由于、,对式（5）微分后可得： 将上式代入式（6）可得： 或 （7）变环型流量为 即 在P+R级中，通常气流沿轴向离开叶轮，即气流在叶轮出口的旋绕速度，于是： （8）将式（8）代入式（7）得： 令时，对上式积分可得： （9）式中为叶轮平均半径；为叶轮进口处气流的平均轴向速度。当指数及常数已知时，可利用式（9）计算出叶轮进口不同半径r处的气流轴向速度。（3）叶轮出口轴向速度计算公式的推导在2-2截面气流的全压： （10）式中为叶轮出口的气流静压；为叶轮出口的气流轴向速度；为叶轮出口的气流旋绕速度； 为2-2截面气流全压。通风机基元级的理论全压为 （11）将式（1）代入上式，可得： （12）在2-2截面的简单径向平衡方程为 （13）在P+R级中，通常。对式（10）微分可得： 于是 （14）将式（14）代入式（13）可得： 或 （15）在0-0与2-2截面间，包含通风机基元级的理想流体伯努利方程为 （16）式中为通风机基元级进口截面（0-0截面）的气流全压为 （17）将式（12）及式（17）代入式（16）可得：由于，, 对上式微分后可得： （18）将式（18）代入式（15）可得： 对上式积分，可得： （19）或 （20）式中为积分常数。（4）指数及常数、的确定 常数令时，由式（19）可得： （21） 常数 通风机的平均理论全压5为 式中为轮毂半径。将式（12）代入上式，可得： （22） 式中为通风机的平均理论全压，其中为通风机全压，为通风机全压效率。 指数计算时，可预先选定指数（1-1），利用式（21）及式（22）计算出常数及，进而用式（20）计算出叶轮出口的轴向速度，该应满足下列连续方程： （23）否则需另选指数，重新计算出,直至它能满足连续方程为止。因此，指数是通过迭代计算出的。2 变环量流型的级的气动设计在变环量流型中，当指数时，流型方程变成。该流型即为等环量流型（）。气动设计是在损失尽可能小或噪声尽可能低的条件下，决定出通风机有关几何尺寸的计算，如确定叶轮的外径，轮毂直径，叶片安装角及叶片宽度等。变环量流型与等环量流型的通风机，在几何尺寸的计算方法上是相同的，只是某些气流参数的计算公式有些差别。按照气动设计的步骤，在表1及表2中列出了不同计算截面上，有关气流参数的计算公式（用于变环量的）。如前所述，在计算气流参数以前，先要计算出指数，常数及。在计算出表1及表2中所列出的有关气流参数以后，就可以计算各计算截面的前导流叶片、叶轮叶片的叶片安装角度及叶片宽度等，它的计算方法与等环量流型的相同。这里不再阐述。表1 前导流器气流参数的计算 计算公式计算截面及 说明IIIVII式（2）909090由图1式（9）式（8）由图1由图1由图1注：为绝对速度与方向间的夹角；为平均绝对速度；为平均绝对速度与方向间的夹角。表 叶轮气流参数的计算 计算公式计算截面及说明IIIVII式（8）式（9）式（20）由图1由图1注：为平均相对速度；为平均相对速度与方向间的夹角。 参考文献1 程良猷轴流通风机设计计算J透平压缩机械，1975（2）：26-452 李庆宜通风机M机械工业出版社