离心式通风机设计和选型手册.docx
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离心式通风机设计和选型手册
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
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