第五章空气机械

1、第五章 空气机械第一节 离心式通风机的结构及工作理论 通过风机因为按=const的假定进行分析，所以与泵的情况十分相似，我们只需在叶片泵理论的基础上作适当的延伸就可以说明它的工作理论，并且把它们与泵不同的特点作一些叙述就可以了。一、离心式通风机的结构简介 由于空气水，而且转速也不高，一般，n<3000rmin，所以在结构上通风机不像叶片泵那样紧凑。图5-1是离心式通风机的结构简图，可以看到，在大体上它与离心泵基本一致。 叶轮和蜗壳多用钢板焊接结构，生产批量大，因此不能如泵的铸造结构那样将流道断面做成良好的圆弧形。气流自进气室、进气口进入叶轮，在离心力作用下流出并进入蜗壳，最后从出气口进入

2、出口扩压器排出风机。 为适应不同的转速需要，便于用户的安装以及管道系统的联结，离心风机在传动方式以及出气口位置的安装上都有多种规范化的方案，并且在风机的命名中得到反映，使人一目了然。其中传动方案就有以下六种方式(图5-2)： 图5-1 离心式通风机的结构简图A离心风机本体无叶轮支持轴承，与电动 1进气室 2进气口 3叶轮 4涡壳 机直联传动； 5主轴6出气口 7出口扩压器B离心风机悬臂安置，采用皮带轮减速并将其置于两支承轴承之间；C离心风机悬臂，皮带轮减速放置于轴承外侧；D离心风机悬臂，在轴承外侧放置传动联轴节； E离心风机双支承，皮带轮悬臂传动；F一离心风机双支承，联轴节传动。所需配用的电机

3、，应该根据风机工作特点适当选型，如根据是室内放置，露天工作，是否多粉尘，有无腐蚀性气体，是否有爆炸危险等情况，可分别选用普通型防护，封闭式或防爆电机等等。通风机的出气口位置有左、右旋两组位置方式，如图5-3所示。通常以右旋为标准方向。在风机的名称中方向性也应有反映。风机的全称可如：“”排尘或用C代替离心通风机1 42723-I415No.86C7右90°（8）。各字符组(1)，(2)的含义规定为： (1)包括用途在内的通风机名称，“c”是代表排尘风机的意思，是“尘的拼音第一字母； (2)风机最佳工况全压系数PF 值乘10后的化整数，PF=PFu2，pF是风机的全压；(3)风机在最佳工

4、况时的比转速ns*的大小(以工程单位制计)； (4)表示风机的吸人口数为1； (5)表示设计序号为第一次设计： (6)机号数，其值是以分米数计算的叶轮外径，No8表示D：80(cm)； (7)传动方式为图2.5.2中的方案(C)； (8)出气口位置按右旋90°确定。其它风机的名称也可以此类推其含义。 D E F图5-2 离心风机的不同传动方案图5-3 叶轮是风机的核心部件，与离心泵相比，其主要特点有：(1)出口角2可有大于、等于或小于90°；(2)叶轮多为单曲率的柱面叶片结构，其轴向视图呈重合的投影线形；(3)有的叶片选用平板形；(4)相当于离心泵叶轮前后盖板的结构称前后轮

5、盘(见图5-.4，5-5)。风机叶轮间结构形式区别主要在于叶片的轴向视图形状是弧形、直线形还是机翼形；叶片出口角属前向型2>90°)、径向型；还是后向型(2<90°)；前轮盘采用平直前盘、锥形前盘还是弧形前盘。前向叶轮一般采用弧形叶片，后向叶轮大中型通风机多用机翼形叶片以提高效率，中小型风机则多用直线形或弧形叶片。平直前盘因为入口气流急剧拐弯时形成较大分离区而效率较低，但工艺简单。弧形前盘效率较高，但工艺较复杂，锥形前盘且居中。前、后盘与叶片的联结可采用焊、铆工艺，较小型的也可采用铝合金铸造叶轮，此时叶轮与离心泵一样成为整体式的结构。叶片数z一般比离心泵为多，对

6、后向型的弧形叶片和机翼形叶片，z=812，后向的直线形叶片Z=1216，前向叶轮的z则可达1236。 蜗壳内壁型线一般是近似于对数螺旋线的曲线。蜗壳宽度大大宽于叶轮，这是风机结构与泵另一个明显的不同之处。 通风机的进气室在设计上应尽量使气流均匀而能以较小的损失进入叶轮。为便于调节流量，扩大风机的高效使用范围，离心风机的进气口前或进气室中常装置导流器，如图5-6所示。其中(a)为轴向型，(b)为径向型。轴向导流器叶片可通过联动机构同步转动，从轴面位置开始旋转成与轴面成一定夹角，直至关闭流道。 二、通风机的升压(压力)方程 在1-3节中，我们已经说明过关于通风机“升压”的概念，这里将直接写出它的表

7、达式。(a) (b) (c)图5-44 离心通风机的不同叶片形式（a）弧形叶片；（b）直线型叶片；（c）机翼型叶片图5-5 通风机的前、后盘结构（a）平直前盘；（b）锥形前盘；（c）弧形前盘图5-.6 离心机的进气导流装置 在泵的理论扬程方程式(2-11) Hth,=1g（u2cu2,-uocuo） 的基础上，按式Hv=pgHc的关系，可知无限多叶片时的理论升压方程应为 PF,th,=(u2cu2-uocuo) (5-1)对有限多叶片的情况，理论升压应为 PF,th,=(u2cu2-uocuo) (5-2)式中各速度量的含义与泵相同，速度三角形分析也相同，如图5-7所示。只是有的作者为简化起见

8、，以径向分速度Cr近似轴面速度Cm。，不过对出口而言C2rC2,m关系不大，而进口处以C1rC2m。则可能有较大的误差，不宜简化。我们知道，在叶轮的总能头中包含静压能头和动压能头两部分，而动能头是一项质量较低的能头，其所占比例应尽量小一些为好。衡量此项指标的是反应度，也称反作用度或反动度，这与叶片泵中情况是样的。将式(5-2)写成 PF,th=2u22-uo2+wo2-w22+(C22-C22) (5-2) 则反应度表示为 =2u22-uo2+wo2-w22u2Cuo-uoCuo=u22-uo2+wo2-w222u2Cu2-uoCuo （5-3）设Cuo=0，这在很多情况下是可能的，此时 Co

9、=Co,m wo2-uo2=Co2 w22=C2,m2+u2-C2,u2 假定Com=C2,m=Co，则 =2u2Cu2-Cu222u2Cu2=1-12Cu2u2 (5-4) n越大，升压中较高质量的静压部分占比例越大，这对提高整机的效率是有利的。设气流在此处键入公式。 图2.5.7 离心机的速度三角形图示出口的流动角与叶片结构角相等，21=21=2，则式(5-4)可表示为=1-12u2u2-C2m×cot2=121+2,m×cot2 （5-5）式中2,m=C2,mu2C2,ru2 （5-6）是轴面(或径向)速度系数，它与叶轮中流量qvt成正比。当2一定时，反应度与2,mq

10、v,t 成线性关系。所以，当流量增大时，反应度将是增加的。 PF,th与PFth间的差别在于有限叶片数的影响，这与离心泵是一样的。称K=PF,thPF,th, 为压力减小系数或环流系数。K并不影响效率，只影响风机的“能容”。其计算也采用经验和半径验的一些推荐公式，如对2<90°的后向叶片，斯托道拉(stodala)近似公式为K=1-2sin21-C2,mu2cot2此处不予更多介绍了三、通风机中的能量损失由于在工作理论上的相同性，风机中的能量损失类型也与离心泵一样，包括流动损失、流量损失和机械损失三大部分，不同之处仅在于不同的行业有一些习惯称呼上的差异，如圆盘损失在风机中称轮阻

11、损失。另外，有的风机有单独的机械传动部分，因此常将轮阻损失与机械传动损失分别考虑而不是一并计入“机械损失”名下，但这都不是本质性的差别。风机中的流动损失也包括进口冲击损失和流道中的综合沿程摩擦损失两部分。流量损失中主要是内部泄漏损失，研究表明，影响内泄漏损失的因素其一是叶轮进口与风机进气口间的间隙形式，采用径向间隙r较之轴向间隙z要好得多，因为前者泄漏气流不易破坏主气流的流动状态(图5-8)，而后者则影响较大。其二是间隙的大小，一般从效率和工艺综合考虑，可取0010005。(a) (b)图5-8 叶轮进口处的径向间隙和轴上间隙（a）套口型； （b）对口型四、通风机的性能参数 通风机中有以下一些

12、性能参数：1压力(升压)压力以PF表示，单位(Nm2)(Pa)。PF=PF,st+PF,dy，PF,st和PF,dy分别为“静压力”和“动压力”。“风机”的压力应以风机的进、出口断面间的体积能头之差计算而不是叶轮进、出口间能头差，则PF,st=Pex-pim, PF,dy=2(Cex2-Cim2)。角标“ex”和“im”表示风机的进、出口点。2流量通风机输出流量以qv(m3s)表示，它与通过叶轮的流量qv,l之差即是泄漏流量qv,s，qv,s=qv,L-qv。3功率P风机的功率有以下几种不同含义上的称呼和表示：有效功率Pe。这是以流体功率表示的风机输出功率，Pe=PF·qv×

13、;103(kW) 内功率Pin。它指实际消耗于叶轮上的外作用功率。在Pin中包括流动损失、轮阻损失及泄漏损失功率在内。轴功率P。P=Pin+Ps,j，Ps,j是机械传动装置上的损失功率。所以，P就是通风机组的总输入功率。4效率有以下几种不同含义的效率：全压效率。全压效率以表示之，是作为衡量风机气动性能及总的经济性的指标。=PeP=1×qv×LZ×j。其中1=PFPF,th 为流动效率，qv=qvqv,L 为流量效率，LZ=Pin-Ps,LZPin ，Ps,LZ为轮阻损失功率，j=PinP是机械传动效率。 静压效率。以st表示之st=PF,st×qvP=P

14、F,stPf×o 。内效率。以in表示之，in=PF×qvPin ，它是不计及机械传动部分的效率在内的效率。静压内效率。以st,in表示之，st,in=PF,st×qvPin=PF,stPin×in 。不同的效率有不同的评价重点，比如内效率，主要评价通风机本体的综合经济性而不包括传动机械部分在内。在风机系统中，风机的静压是克服机外管路损失压力的动力，而动压部分一般难以利用就意味着都是损失的能量，而据介绍，通风机在最佳工况时的动压头pF,dy可能占到总压力的(1020)，所以，静压效率st是衡量实际经济性的重要指标，它体现了PF中有效能量的成分。5电机配用

15、功率PM电机的实际配用功率就是风机轴功率的基础上考虑动力储备系数Kp以后的功率值，过大的Kp不仅是大马拉小车的浪费之举，也使噪声加大，并无必要。但有时受电机功率等级的限制也只能不得已而为之。PM=Kp×P 岛的选用参考表如表5-1所列。表2.5.1 风机的功率储备系数Kp以上各种功率和效率关系可用图5-9加以直观表示。图5-9 通风机的各种功率关系五、离心式通风机的有因次特性曲线离心式通风机的理论压力与轮内流量关系是一条直线。在理论压力中扣除流动损失。包括冲击损失Ps,c和流动摩擦损失Ps,m,在叶轮流量中扣除泄漏流量qv,a。最终得到风机Pfqv曲线，如图5-10所示。在Pfqv，

16、曲线的基础上，根据所测得的Pqv关系，可计算出qv曲线。不过，理论计算也还无法准确求pF-qV曲线，而必须在试验中测定不同工况下的pF值才能得到实际的pFqv，曲线，并按Pfqv，关系计算出Peqv线，按=PeP计算。风机的有因次曲线如图5-11所示。 图5-10 风机的性能曲线合成关系在Cu,o=0的假定下，式(5-1)可以改写为 PF,th=u221-C2,mu2×cot2=u22(1-qv,LD2b2u2×cot2) (5-7)式中，D2，b2分别为叶轮出口的直径和宽度。对不同的2角，PF,th,qv,L直线可以是上升的、水平的或下降的，在图5-10中如虚线所示的是2

17、>90°和2=90°的情况。实践和理论分析表明，前向叶轮(2>90°)和后向叶轮(2<90°)在特性曲线上有明显差异，前者PFqv，曲线有驼峰形，PFqv曲线呈上升形，大流量时风机有过载产生。后者则PFqv，曲线呈递降形，PFqv，曲线有峰值，大流量时不会发生过载，效率也比前向风机稍高一些。图5-11中分别表示了两种风机的不同特性曲线情况。六、离心式通风机的无因次参数及无因次特性与泵和水轮机一样，几何相似的通风机在相似工况具有相同的无因次参数，因此也具有相同的无因次特性曲线。关于相似工况的概念与泵和水轮机等液体介质叶片式机械是相同的。在

18、通风机中应用相似理论，除了需根据进口的温度和压力条件按气体状态方程具体确定密度值外，其余完全可以参照叶片泵的相似理论使用。但在通风机中，无因次参数使用压力系数pF ,流量系数qV及功率第数P的表示方法，其表达式为：压力系数 （5-8）静压系数 （5-9）图5-11 离心风机的因次特性对于轴流风机，上两式中u2以动轮的外缘圆周速度uout代替。流量系数：a) 对离心风机采用 （5-10）b) 对轴流风机可采用两种表示式 （5-11）（D2u）out是动轮外缘处的值。或 （5-12）D为轮毂直径我国多用（5-11）式表示功率系数 （5-13）式中P的单位为kw。如果已知模型风机的无因次参数，那么在

19、已知实型风机（同一几何相似系列）外径D，转速n以及抽送介质密度后即可换算出实型机的有因次参数pF=0.00274pFD22n2 (N/m2) (5-14) qv=0.04108qvD22n (5-15) p=1.127×10-7p-D25 (5-16)式中单位：kg/m3 ；D2m；nr/min。相似工况间的参数换算关系如表5-2。表中角标“M”为模型参数。 表5-2 模型风机与实型风机相似工况的参数换算关系算公式件条换数参 D2D2，m nnmMD2=D2,mn=nMMD2=D2,mnnm=MD2D2，mn=nM=MPFPFPF,m=M(D2D2M)2(nnM)3PFPF,m=MP

20、FPF,m=(nnM)2PFPF,m=(D2D2,M)2qVqVqV'M=(D2D2,M)3nnMqV=qV,MqVqV'M=nnMqVqV'M=(D2D2,M)3pPPM=M(D2D2,M)5(nnM)3PPM=MPPM=(nnM)3PPM=(D2D2,M)5=M=M=M=M 对于同一种气体，在不同温度时和不同压力下其密度都有变化，所以，在风机不能保持标准进口条件时应对密度作修正计算。按气体状态方程可有 sta。=ppsta。Tsta。T （5-17）式中，sta.、psta.、Tsta.分别为标准进口状态下的气体密度，绝对压力和绝对温度值。,p',T则是实际

21、使用条件下相应参数值。虽然理论上几何相似通风机无因次特性是相同的，但由于泄漏损失、机械损失等并不遵守相似原则，不同尺寸时流动的流态也有一定的差异，不同尺寸风机的无因次特性还是有一定差异的，如图5-12所示。图中虚线和实线分别表示某型风机在D2=1.0m和D2=0.5m时换算所得的无因次特性。在工程上，将这样的无因次特性连同风机过流部分的几何图形按其相对尺寸(以D2=100作为比较基准)一起给出，称为风机的“空气动力学略图”，据此就可以对风机作系列产品的相似设计。对系列产品，可用图5-13所示的综合性能曲线加以表示，以便于选用。图中Cex为风机出口处的速度，流量qV与Cex成正比对同一机号的风机

22、，qV=AexCex,Aex为蜗壳出口处的面积，可根据空气动力学略图中与D2的相对尺寸关系确定。风机的压力特性在图中以PF-Cex关系等价表示。因为风机叶轮转速未必都与配用电机相同，而是根据所用传动装置的情况可以调整的，而PF-qV曲线则取决于2的大小，所以PF-Cex。曲线可用不同的“D2n”来标志，曲线中的B就是综合D2及n的一个参数。 B=No.n式中叶轮的号数No是以分米计的D2值。等效率曲线是通过零点的抛物线，这在泵的相似理论中已经作过说明。 图5-12 某风机的无因次特性表示风机特性的另外一个常用无因次参数是比转速ns。由相似风机在相似工况压力、流量间的比例关系 pFpF,M=M(

23、D2D2M)2(nnM)2及 qVqV,M=(D2D2M)3nnM将两式联立，消去（D2D2M）项，便可得到不包括尺寸项的一个相似准则数 ns'=nqv12(PF)34=nMqV,M12(PF,MM)34 （5-18）'它是一个无因次数。因为人们比较风机的不同特点时习惯 图5-13 离心风机的综合性上都以输送相同密度介质为前提，在计算n时都假定= 能曲线M，可以不予考虑，这样风机的比转速就以 ns=nqV12pF34 (5-18)来表示。几何相似的风机在相似工况运行时ns值必然相等。不过式（5-18）式有因次的了,但我们仍可视为无因次参数看待。与泵一样，我们以最佳工况ns值作为

24、一台风机的ns标志值。风机的ns是以单级、进气状态来计算的。 无需赘述，ns相等的风机未必具有完全几何相似的关系。 因为风机ns中有压力项，而我国过去曾使用过“公斤力”这一工程制的力计量单位，所以也有过按工程制计算的ns表示，而且体现在风机的命名中，应加以注意。由“公斤力”与“牛顿”间的数值换算关系可知，ns（工程制）=9.80734ns（国际制）=5.54ns（国际制）。若不予说明，我们都以国际制单位计算的ns值为准。 不同类型的风机ns涵盖的范围也不同，如： ns<1.82.7适用容积式风机 ns=2.712适用前弯型离心风机 ns=3.616.6 适用后弯型离心风机 ns=1836

25、 适用轴流式通风机。ns较小的风机，相对而言属于较高压力和较小流量，叶轮的轴面图形比较窄而长，ns较大时正好相反，这也是与叶片泵相同的特点。七、多翼式离心通风机这是一类比较特殊的离心式风机，如图5-14所示，其叶轮的内、外径比D1D2=0.80.95，远较一般离心风机为大，而叶轮的宽度也相对大得多，bD2可在0.4左右，且均采用前向式叶轮，叶片数可多达3264，是一般前向式风机的23倍。它在性能上的特点是流量系数大，压力系数较高，而在升压中动压部分特别大，反应度仅在0.050.18，效率也比较低。它的特点则是小尺寸和低噪声，因此作为通风换气，空气调节的流体动力装置很受欢迎，得到广泛的应用。有一

26、点应该说明，在这种情况下，实现空气“流动”是使用目的。因此动能头就不应视为无用能，而应作为“有效能”看待了。 图5-14 多翼式离心风机的叶栅系统简图第二节轴流式通风机轴流式通风机的工作与轴流泵类似，因此我们也只作简单的介绍。一、结构简况图5-15是轴流式通风机的一种典型结构。很多轴流风机叶轮与电机是直联的，导叶也用作电机的支承座架，此时叶轮可悬臂的安装在电机轴上。由于强度和噪声等原因，叶轮外缘圆周速度一般不大于130 m/s,速度过大时产生的噪声比离心风机更严重。叶轮的叶片有扭曲形和非扭曲形两种，从气动性能来说扭曲是合理的，当然制造上不如非扭曲形方便。 图5-15 轴流通风机简图1 集风器；

27、2叶轮；3导轮；4扩散器和离心风机一样，轴流风机的名称中也包含有机号、传动方式、叶轮转向等表征风机不同特征的字符代码，使用时应关注相应的说明。现代大型轴流风机的叶轮叶片和导叶叶片安装角可以做成可调节的，以便扩大风机的高效运行范围，这使它在使用经济性方面比离心风机有更好的适应性。因此，在一些传统的离心风机使用领域里轴流风机也有扩大应用的趋势。当然，由于性能参数上的不同特点，二者必然有相互不可取代的地方，这是无疑的。叶轮与导叶一起组成轴流风机的一个“级”，一般都使用单级装置，流量大、体积小、升压低，这是轴流风机的特点，其压力系数pF一般小于0.3，而流量系数qV则可在0.30.6，单级的ns值可在

28、1890。二、基元级及其速度三角形分析轴流风机级中的流面是一些同心的圆柱面，在不同的半径，即不同的叶片高度上，叶轮的圆周速度也各不相同。因此，在分析轴流风机内流动时也与轴流泵一样，将某一半径为r，并假定有微元厚度dr的同一圆柱面与级中动叶轮和静叶轮的切割面展开成平面翼栅加以讨论，如图5-16所示。这种翼栅（图中只画栅中一个翼型）称为“基元级”。假定气流直接进入动叶轮，此时进口前“0”点的速度三角形为w0+u0=c0，出口三角形为u2+w2=c2，如图所示。在图示的叶片安放角与来流角相等，即1=0的情况下，气流为无冲击入口。忽略叶片进、出口对气流排挤的差异，假定cm，0=cm，2=c0，圆周速度

29、u2=u0，绘制速度三角形。为方便起见，习惯上将两个速度三角形画到一起，如图中（b）所示。以w0和w2矢端连线的中点为矢端作矢量wav，称平均相对速度。它与底边的夹角为av。在u0=u2的条件下，u=2u-0u，cu=|c2u-c0u|，且u=cu。这一值反映气流在圆周方向上的偏转程度。 图5-16 轴流风机的基元级及其速度三角形分析导叶是固定的，因此它的速度量w0=c0，w2=c2，速度三角形简化为两个速度量矢量，c0与c2的方向变化也代表了气流在导叶中的偏转程度。通常希望气流轴向流出导叶栅，如图所示就是这样。三、轴流风机“级”的升压对任一基元级，理论升压表达式与式（5-2）相同，但因u相同

30、稍有特点 pF.th=u2c2-u0cu0=ucu (5-19)设流动效率为，则实际压力为 pF=pF.th=ucu (5-20)可以看出，如欲使叶轮在某个工况(设计工况)实现在不同半径位置上均可无冲击入口和轴向出口，而且所有基元级都获得相同的升压值，那么沿整个叶片高度上的进、出口角1，2都将是不等的，所以整个叶片必须是扭曲的。由速度三角形的几何关系可知，式(5-19)也可改写成 pF.th=ucu=uu-cmcot2-u- cmcot0=ucm(cot0-cot2)因为我们讨论的是基元级上的速度三角形，所以轴面速度中只包含轴向分量而无径向分量，cm=cz，故上式可写成 pF.th=ucz(c

31、ot0-cot2) （5-20）在圆周速度因材料强度等因素受到一定限制的条件下，增加pF.th的途径一是增加cz，但它主要增加动压头，一般cz3040 m/s，所以较合理的途径是增加=|0-2|。称为气流的转折角。实际上，单级的轴流风机升压不能很大，一般不超建2150pa。这是因为过大的将使效率明显下降，max一般在40°45°左右。 四、反应度及气流的预旋由式(5-3)可知，对基元级而言，在u0=u2的条件下，反应度为 =02-222ucu由 02=0,u2+cz2,22=2,u2+cz2可知 02-22=0,u2-2,u2且 av,u=12(0,u+2,u)故 =02-

32、222ucu=0,u+2,u0,u-2,u2ucu=av,uuucu=|av,uu| (5-21)在图5-16(b)速度三角形图中, av,u是个负值。故应取绝对值。或写成 =-av,uu=-0,u+2,u2u (5-21)'也可化写成以下形式由 0,u=-u-c0u,2,u=-(u-c2,u)故 0,u+2,u=-2u+c0,u+c2,u =-0,u+2,u2u=2u-c0,u-c2,u2u=12u2u-c0,u-c2u-c0u=1-c0uu-cu2u (5-21)"由上式可见，在u，cu，cz条件下，改变c0u可能改变基元级的。称c0u为气流的预旋，可以通过设置前导叶来实

33、现。 c0u<0，称负预旋。此时c0u与u反向。 c0u>0，称正预旋。此时c0u与u同向。五、轴流风机叶轮的几种配置方案 常见的轴流风机叶轮配置方案可有如图5-17所示的几种。a） 单叶轮级。特点是结构简单，制造方便，但效率较低，一般=0.70.8，常用于轮毂比dD较小，功率不大的轴流风机，它只有叶轮1。b） 叶轮前设置前导叶。图中1为动叶轮，2为前置导叶，通过前导叶获得c0u>0的负旋绕。正旋绕一般不采用。c0u<0表示可使增加，其值可达1.251.50.级效率=0.780.82，它应用于要求风机体积尽量小的场合。c） 叶轮后设后导叶。图中1为叶轮，3为后导叶。后导

34、叶有扩压和整流功能，使气体轴向流出。<1，一般在0.700.90左右。风机的压头和效率都比较高，=0.820.88，良好的风机可达0.90左右。采用动叶可调方案时更可扩大高效使用范围。（a） (b) (c) (d) (e) 图5-17 轴流风机叶轮的几种配置方案d） 在叶轮前后均设置导叶。图中1为动叶，2为前导叶，3为后导叶，这种方案介于上述b)，c)方案之间，可使=1，|c0，u|=|c2，u|，而方向相反，这种级的效率可在0.820.85间。不过由于增加了一排导叶，采用的比较少。e） 多级风机。一般用两级，如图所示，多的可达四级。目的在于获得较高风压而使风机的径向尺寸还比较小不同的叶

35、轮配置方案将导致无因次特性的明显差异，不过与离心风机相比，轴流风机也有其共同性的一些特点。六、轴流风机的特性曲线轴流风机典型的特性曲线如图5-18所示。其特点是(1)升压曲线有驼峰形。由于风机的几何参数是按最佳工况设计的，在这一工况各种流动的损失比较小，风机可达到max的最佳状态，升压特性也有良好的工作稳定 图2.5.18 轴流风机的特性曲线性；(2)在较小流量区pFqV曲线的跌落明显，是不稳定工况区；(3)零流量时功率值较大，有些风机还可能处于最大功率状态。这与离心风机小流量功率较小的特性是有明显差异的，启动时不宜关闭闸门。第三节 风力涡轮机气体介质叶片式流体机械，在常数的条件下如像水轮机那

36、样以动力机方式工作，就是风力涡轮机。这类流体机械在工程上虽然不很多见，但也有所用，风车就是一例。早在远古的时候人们就有用风车作为农田灌溉提水动力的应用，在我国江南水乡这是一道古朴的风景线，只是近几十年才被高效率的水泵所代替而在田野上完全消失了踪影。但是，风力作为一种可再生的绿色能源，在风能资源丰富的地区，利用风力发电正受到人们极大的关注。风能发电的动力来自风轮，人们可以在电视报道中或是在一些科普材料中看到风力发电厂的风轮场景，图5-19 是水平轴式风力发电机的动力装置简图。 图5-19 水平轴风力发电机的动力端1 风轮叶片；2机头；3尾舱；4回转体；5拉绳 称单位面积（米2）迎风面上风速动能为

37、风能密度(Wm2)，以E表示之，则E=0.5c3，为空气密度（kg/m3）；c为风速(m/s) 。不同风速的风能资源如表5-3所列。由于流经风轮后的风速总是大于零，所以风能不能全部转变为机械能的，加上机械能转化为电能的效率，以及风速只能在一定范围内方可利用等因素，实际风能的利用率仅在约15%30%。由于空气密度小，风速也只在10米秒左右，因此单台风力发电机的功率不能很大。小型的家庭民用风力发电机只有几百瓦，利用蓄电池贮备和均衡电能的生产和耗用。大型商用的风力发电机功率已可达到200600千瓦，风轮直径可在30米左右，安装高度约3040米，风轮一般使用23个叶片。风田的风能资源一般要求年均风速约

38、在5米/秒以上，设计风速在每秒810米左右。为了形成稳定的电力供应能力，通常在一个风田区安装数百上千甚至数千台风力发电机形成电网使单机并网工作。为保持一定的发电频率，风轮叶片也应该如轴流式水轮机那样可以调节安装角度，以适应不同风速的变化。从风轮的每分钟3040转的低转速到发电机部分较高的工作转速间还需有增速装置。 表5-3风能资源概况风能资源在30米高度内平均风速/(Wm2)10米高度内平均风速/(ms)30米高度内平均风速/(ms)可利用2403205.15.66.06.5较丰富3204005.66.06.57.0丰 富>400>6.0>7.0 可以看出，利用天然风能的风力

39、涡轮机，由于风能资源的质量较低，大规模利用受到经济效益的制约，目前总体上只能作为一种示范性工程适度的开发。要使较小尺寸的风轮产生足够大的功率，必须有很高的风速。具有这种高质量风能资源的环境只能在航空器上才有可能，比如飞机飞行速度在每秒百米以上是很普通的事，此时就有很高的相对风速，因此加挂在机翼或机身上的吊舱，就可以利用这一有利条件装置风动涡轮，作为吊舱中某些特种装置的动力，比如作为空中加油的加油泵和加油软管系统的驱动动力，作为靶标拖放装置的收靶动力等等。图5-20是空中加油吊舱头部装置开式风动涡轮的示意，加油飞机装载的燃油利用吊舱中的加油泵通过软管压送到受油飞机。加油软管的卷绕收藏也是利用涡轮

40、动力通过卷盘机构实现的。调节叶片的安放角，可以调节涡轮的输出动力，直至使叶片处于“顺桨”状态，完全没有风力转矩，停止动力输出。一架加油机可以同时加挂23个吊舱同时完成加油作业。 图5-20 飞机吊舱上装置的风动涡轮动力源示意上述外置式风力涡轮工作转速高，叶片数少，如图中所示只有对称安装的两个叶片。另一种做成内置涵道式的风动涡轮(图5-21)则转速相对较低，叶片数也可高达数十枚，它可以通过改变出风口的风门开度来调节气流量，实现输出功率调节，而叶片则是不可调节的。这里，吊舱壳体就是涵道的外壁。 图5-21 涵道式风动涡轮示意吊舱自带动力可以不受母机上电源功率的限制，适应性好。而且，由于航空电源频率

41、标准与民用电机不同，这样也可以回避设置专用电机的麻烦。第四节涡轮(透平)膨胀机及其在热泵(制冷)装置中工作的作用原理涡轮膨胀机也称透平膨胀机，它以高压气体作为动力气源，在它通过工作叶轮时，由于气体的膨胀作用和进、出口间的气压差而推动叶轮旋转对外作功的动力机类叶片式流体机械，从机理上说，它是叶片式压缩机的逆向工作。但是，工程上使用涡轮膨胀机的主要目的往往是为了获得低温，实现制冷工作。流经膨胀机的高压气体，在膨胀过程中一方面对外做功，同时自身温度也降低，由于工程上获取低温的途径要比获取机械动力困难得多，所以膨胀机的制冷功能就成了它的主要功能，而输出动力却成了一个次要功能，它是将流体机械作为一种制冷

42、装置来使用的情况。作为膨胀机动力负载的可以采用发电机、泵或气体压缩机。在低温技术中，中、低压的涡轮膨胀机常用发电机做负载，但在气体为高压时，为便于密封气体，防止泄漏，可以把作为负载的压缩机叶轮直接安装到膨胀机的轴上，用来压缩经过膨胀机叶轮膨胀了的工质气体，以实现机械功率的部分回收。与采用容积式（如活塞式）膨胀机相比，工业制冷装置中采用涡轮膨胀机的优点是可以有很大的气体流量，因此制冷速度快，效率高，必要时可采用多级膨胀以达到较大的气体膨胀比，增加冷气深度。但容积式膨胀机可以大幅度的降低气体压力而在一级膨胀中实现深度制冷，这是它的优点。不过小型的制冷机为简化装置结构。一般不用专门的膨胀机而用节流阀

43、替代通过节流减压实现制冷工质的膨胀降温，因而也称为膨胀阀。关于制冷的作用原理，不是本书的讨论范围，但因为制冷工程是流体机械的一个重要而有特点的应用领域，我们将在本节中作简要介绍，也有助于读者从热力工程的视角了解流体机械的作用机理。涡轮膨胀机的工作必须具备高压动力气源这一基本条件，因此在制冷循环中使用都需与气体压缩机配套，但也有少数例外的情况，如在天然气开发中，如果天然气中含有较多的凝析油组分，就可以直接利用气井很高的出口压力，通过涡轮膨胀机的降温处理来快速的分离凝析油，并由作为膨胀机负载的压缩机再将经过处理的天然气压缩送至输气管路中去，以这种方法处理天然气具有很好的经济效益和很高的生产率，是一

44、种先进的天然气开采处理方法。涡轮膨胀机只作为机械动力源使用的情况较少，但也有它的特殊之处，例如如果机械只需短时间工作完成某种特定任务，那么将压缩空气或氮气作为动力气源与膨胀机一起做成移动式车载装置，就具有无需电源支持，机动性好，启动迅速方便，易于功率调节等优点，在某些特殊场合可能显示它的优越性。涡轮膨胀机也有轴流式和径流式两种，轴流式适用于如上述天然气处理等大流量的气体冷却系统，径流式则应用于化工、食品等气体流量较少的制冷装置中。现以轴流式为例简单说明涡轮膨胀机工作时的流道中过程情况。在图5-22中，(a)是膨胀机一个级的轴面简图，其中为喷管环，为固定的导向叶片，是旋转叶轮的叶片，是旋转叶轮。

45、导叶与旋转叶片组成一个“级”。设气体在导向叶片前的参数以“0”表示，导向叶片与旋转叶片间参数以“1”表示，旋转叶轮后的参数以“2”表示。图中(b)为半径r处的“基元级”图示。膨胀机工作时，气体以速度c0进入喷管环的叶片问流道，压力由p0'降至p1'，速度由c0增加到c1，温度也随之降低。气流从喷管环中流出后进入旋转叶轮流道，并在流道中继续膨胀，压力由p1'降至p2'，速度由c1增加至c2，温度也进一步得到降低。在气流通过旋转叶轮时，绝对速度方向发生了变化，因此在进口与出口间发生了动量矩的变化，在基元级的动翼栅上产生了一个微元转矩M。从叶轮的叶片根部至顶部所有基元级上微元转矩