2015离心式通风机设计和选型手册解析

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，通风机全压占尸，工作介质及其密度Q,以用其他要求，确定通风机的主要尺寸，例如，直径及直径匕日转速n进出口宽度俎和爲，进出口叶片角0"和炖化叶片数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咼效率点附近；（2）最

2、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，应选择一个适当的疔值来设计。(2)选择最大的忖值和低的圆周速度，以保证最低的噪音。(3)选择最大的值，以保证最小的磨损。(4)大时选择最大的卩值图3-1叶轮的主要参数:§1叶轮尺寸的决定图3-1为叶轮的主要参数:°叶轮外径。°：叶轮进口直径;幼：叶片进口直径;血:出口宽度;外:进口宽度九:叶片出口安装角;&qu

3、ot;:叶片进口安装角；Z:叶片数；6輕:叶片前盘倾斜角;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在加速20%时，即1,而进风口面积为,令为叶轮进口速度的变化系数，故有: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S邮=缢J由水力学计算可以知道，叶道中的损失与速度明的平方成正比，即。为此选择在一定的流量和转速条件下合适的4,以使吗为最小。首先讨论叶片厚度的影响。如图3-3,由于叶片有一定厚度占；以及折边山的存在，这样使进入风机的流速从匚珈增加至，即：

4、图3-3叶片厚度和进出口的阻塞系数计算用卩和花分别表示进出口的阻塞系数:F爲口診-童爲対0j卫-亞$料0卫耳_5（1+孚）(32a)式中勺为节距，疔为切向叶片厚度ti?-ih一口21+匚一）切T2同理那么进出口的径向速度为:QtkQtk当气流进入叶轮为径向流动时，G,那么:Qik(32b)为了使时最小，也就割摘损失最小，应选用适当的幼。当°】过大时，u除过小,但曲加大很多，使(3-2c)式右边第二项过大，加大。当4过小时，(3-2c)式右第2如=0二项小，第一项会过大，总之S在中间值时，使眄最小，即比3考虑到进口20%加速系数，及轮毂的影响，久的表达式为(31b)式，代入(3-2c)

5、式为:I6。(3-3c)对式(3-3)求极小值，得出的优化值为:D-J2401M护巧(1-/)加g血(34a)出口直径不用上述类似的优化方法，只要选用合适评的即可:D=Qtk/(昭Eg巧)代入妬值后得出q值，最后得出：胡=(与警L五°冗巧1-眄U加兀2,3_必flGfJfeW3900(1-v)%应0口空起01卫(3-5)M.0求极值，即族(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)进而当卩=0忙1=12巧二1.0时:2=1.194蘇(3-6c)或者:图3-4,叶片进口处速度分布不均匀，在前盘处速度大小为进而采用近

6、似公式:表所示：也:1/匚0.4720LA：那么其中为叶轮前盘叶片进口处的曲率半径。计算出来的0口角比35-26'小一些。如下0.20.41.02.03.04.00.9520.880.740.580.42434"31.9"27.7"22.3"18.5"16.7"(3-7b)式中万14为0口的平均值。图3-4叶片进口处和分布不均匀33)码=%如(28a图35进口速度三角-Gw社沪Gbs=血01卫当气流进入叶片时有预旋，即GE：由图35进口速度三角形可以得出:f竺丫£)2=惑2厉Q城W丿1900(1-v)Clm求极值后:

7、4绘两16tg2911+2900(1-v2)张血(匚兀尻i+血尻1/爼旳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：ArI2朗瞬如呱T北加1（1-卩）竝0由4.叶轮的型式不同时0"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"空的选择使叶轮进口冲击损失为最小。A=_1冲角一般后向叶轮：=1535'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：氐=40妙当

8、血皿側时，/时甚至饥=则。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口"，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，而周速旳相同。故气流角01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U陥大，且其旳亦大，而靠近后盘匚用小，且旳亦小。使气流良好地进入叶道。前向叶轮，进口气流角必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

9、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，叶片间流道长度丨为流道出口宽度a的2倍，且丨为，由几何关系：，曲处学血1心1又乜-勺)l/a=2那么无Z=込迥生空沁、处险131-和巾1-1/弓(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O'®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=812个时，采

10、用机翼型及弧型叶片，当Z=1216时，应采用直线型叶片。对于前向叶轮，Z=1216.六. 叶片进出口宽度虬血1.后向叶轮一般采用锥形圆弧型前盘，对于一定流量叶轮，妬过小则出口速度过大,叶轮后的损失增大，而给过大，扩压过大，导致边界层分离，所以爲的大小要慎重决定。由于(310a)同，即4.5-11.7值与评成正比，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，不同的然后，利用（3T0a）式可计算出后向叶轮的进口处宽度，一般可近似计算:出的大一些。例如当、>0.5A=(2.02.5)图3-7前盘形状离心式通风机主要参数上2禺及z已知后，就可以绘制叶片的形状，

11、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：(311)例如:上式表明6,6弘炖卫和之间满足（311）式,不能同时任意选择。0.70.30.574.96时）炖(当Ad=64.3"52.7"图38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，一般先求出九,0込z等,根据已知条件确定叶片圆弧半径血的大小，和该圆弧的中心位置p,以及圆弧所在半径血。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，已知三W22WP20=02卫/W22=/戸10=0由在AP20和中，p

12、o为公共边：丽兔P2=R=Rk01=r1?02=r2由余弦公式：PO2=P22+022-2巨葩叽用=用+才-2应沁U站0仙琦=丘；+广J-2应瞒（7口£0口尸2-严2%hg九-F&碍312a）222叨站(1新-虑)-Fg-血)(313a)兔=J用+孑-込乜CMlEiiT-俭)(313b)3.径向叶片见图39c息=新R一厅"丘2骨叭(314a)耳=曲+£(314b)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-

13、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Z0U=m，过0点做01的垂线，交于角的另一边为A点，以石二广为半径做圆弧，弧验段为无功叶片，e点的以后用抛物线，或者曲线板延长，而且保证出口角为0昭即可。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対10",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血iSMl嚴曲率为半磁niut険一无功叶片曲農la薪删曲事寿恤之嗣图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

14、变的叶片，即U占保持常数（或保持常数）的叶片，用下标”0”表示进口，则：上式为无功叶片的方程.积分后:如果进口无预旋:由于rdtprdr_rdtp(3-15)当1In。时图3-12叶片基元(317b)C广=辽（1+風酩）(316d)(2)b=址=Const.(317a)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312中的一个叶片基元心占，分解成广(径向)和A殳(周向)两个分量:tan/?=-=(318a)这就可以利用w代替0进行叶片绘形。如果采用等

15、减速流道，即d>vdw严(dr=dsSinff,C=w屜历=w=Cdtdsyvdw=-Cds(318b)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，匚炊二常数。把(3-18a)式代入(3-18b)式:mlG"为常数，积分而得到速度分布为:(319)此时w沿半径是线性分布的。b.0二常数的等角螺线叶片:C.0二常数同时4二常数，w也必为常数。见图313所示。同时:匚7=專2盘切二卩仇眄=解2似2一心耳那么压力系数：胃=2(1寻仙(321)只与几何尺寸，即2有关。d.等宽度叶道，b二常数由于:Q=

16、Cb=常数那么:(321)氣L(3叱!-明图3132.等减速叶片的图解法。在一般情况，由式(3-18b)得到:积分后:22)积分常数为:那么已知w和就可以求出曲“，进而利用:Aw=Ar/tan0可利用图解法绘型叶片。例如：令匚=4加，CK=C'/K/加，代入方程中：得到若令广二常数:(3-23)当吧及加已知时，可以求出占计和，进而求出久，即可进行叶片绘型。即先用数值方法计算出，然后图解绘图。w,-吗例如：谄一侶=79-52.8=2&2淤/=-26.2可列表计算:5.52.450.223336.52.060.22133.27.51.70.21234.98.51.330.18683

17、9.39.5=60.550.980.158546.3brAw13.55.8413.45.7912.755.5511.304.489.64.15绘型步骤如下：把半径分成n分，求出各段中点的w和用值，并列入表内，就可以险=Ar求出各段中点的0值，根据/出叶片形状如图3-14所示。空呦，在图上量取山和加，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,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，

18、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. 进气室的面积爲与叶轮进口截面垃之比2=-=1.752.0a_11爲一般为矩形，了耳为最好。3. 进气口和出气口的相对位压，对于通风机性能也有影响。"则时为最好，口=怡0"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

19、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。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5,与圆周方向的夹角为磅，因此=4+逸根据环量不变和连续方程：rr(3-25)由此可以得出%氐常数所以，空气在离开叶轮后按对数螺线流动，其对数螺线方程为:4tan=In-r(3-26)因此，至少在截面山刃采用对数螺线，或用近似的圆弧表示：其曲线曲率半径:rs=Cosa以后部分可用式(3-26)计算。流道宽度a+s为.2-.a+s=rsince=£sinceZ(3-

20、27)式中，t叶片节距，由于考虑叶片厚度引起流道变窄，可把口用印表示tancs4=tan%-込_6(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1半，那么所Z=«25需最少叶片数为14，如图3-19所示。蜗壳设计图3-20离心通风机蜗壳,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，离心通风机蜗壳宽度B比其叶轮宽度妬大得多，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，巾为叶轮出口后的气流速度，他为其气流角（分量为5”和，蜗壳内一点的流速为C分量

21、为°”和。，口为气流角，半径为r.二，基本假设:1'，蜗壳各不同截面上所流过流量Of与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角倍成正比：(3-29)门Q卅2,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。数(3-30)三，蜗壳内壁型线:图3-21离心通风机蜗壳内壁型线根据上述假设，蜗壳为矩形截面，宽度B保持不变，那么在角度评的截面上的流量为:eFBcadr(331)代入式(330)后:(332)上式表明蜗壳的内壁为一对数螺线，对于每可计算，连成蜗壳内壁。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的大小有关养歸一巾令匚按幕函数展开：匚=即+聊矿+舟(TF+右矿尸+入(333)Qm=其中360E會那么兔=7_乜胡燃声+占伽于+害O卄+A(3-34a)系数m随通风机比转数而定，当比转数=1IS12'6时，(3-34)式第三项是前h=27面两项的10%,当叫一厶'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)则得匚=乜