离心式通风机设计和选型手册解析.docx
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离心式通风机设计和选型手册解析
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:
(10))为保证最高的效率,应选择一个适当的值来设计。
(11)选择最大的值和低的圆周速度,以保证最低的噪音。
(12)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
3-1叶轮的主要参数
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;
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
最佳进口宽度
,
为叶轮进口速度的变化系数,故有:
考虑到轮毂直径
其中
(3-1a)
引起面积减少,则有:
(3-1b)
在加速20%时,即,
(3-1c)
3-2加速20%的叶轮图
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
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
选择在一定的流量和转速条件下合适的,以使为最小。
;以及折边的存在,
首先讨论叶片厚度的影响。
如图3-3,由于叶片有一定厚度
这样使进入风机的流速从
增加至,即:
3-3叶片厚度和进出口的阻塞系数计算
(3-2a)
那么进出口的径向速度为:
(3-2b)
为了使最小,也就是
那么:
损失最小,应选用适当的。
当过大时,过小,
过小时,(3-2c)式右第
但加大很多,使(3-2c)式右边第二项过大,加大。
当
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)
(3-
即:
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)
(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:
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
那么
此外:
(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
:
3.0
0.2
0.4
4.0
1.0
2.0
:
0.472
0.424
0.952
0.88
0.74
0.58
那么
(3-7b)
式中为的平均值。
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:
)
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。
是根据叶片弯曲程度来考虑的,故不做成斜切。
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
过大,出口速
(3-10b)
后向叶轮的进口处宽度,一般可近似计算:
(3-10c)
上式表明,在一定的时,值与成正比,对于一定的叶轮
5>0.5
根据值及,可决定。
离心式通风机主要参数
片的形状有很多选择。
一.平直叶片
0.3~0.40.45~0.5
图3-7前盘形状
叶片形状的确定
及Z已知后,就可以绘制叶片的形状,叶
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):
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,
。
3-9a后向圆弧叶片
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:
(3-12b)
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
.叶片流道的决定
(3-14a)
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。
3-10无功叶片及过流断面检查
用下标”
无功叶片就是环量不变的叶片,即保持常数(或保持常数)
0”表示进口,则:
(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:
(
.叶片造型的解析法和图解法
(3-16d)
2)
(3-17a)
3-12叶片基元
(3-17b)
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:
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,w也必为常数。
见图3-13所示。
同时:
(3-21)
只与几何尺寸,即有关。
d.等宽度叶道,b=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,
得到
若令=常数:
(3-23)
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
r
b
b
r
5.5
33
2.45
0.223
13.5
5.84
6.5
33.2
2.06
0.221
13.4
5.79
7.5
34.9
1.7
0.212
12.75
5.55
8.51.33
0.1868
39.3
9.50.98
46.3
绘型步骤如下:
把半径分成n分,求出各段中点的
求出各段中点的值,根据
出叶片形状如图3-14所示。
11.30
4.48
9.6
0.15854.15
w和值,并列入表内,就可以
,在图上量取和,从进口画起,就可以得
的
3-14
离心通风机的进气装置
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
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,图3-15所示。
2.进气室的面积与叶轮进口截面之比
一般为矩形,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。
时为最好,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=8~12。
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
与圆周方向的夹角为,因此
根据环量不变和连续方程:
(3-25)
由此可以得出
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:
(3-26)
采用对数螺线,或用近似的圆弧表示:
其曲线曲率半径:
以后部分可用式(3-26)计算。
流道宽度a+s为
(3-27)
式中,t--叶片节距,由于考虑叶片厚度引起流道变窄,可把用表示
(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
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。
3-20离心通风机蜗壳
速为c,分量为和,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
成正
(3-29)
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。
常
(3-30)
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,那么在角度的截面上的流量为:
(3-31)
代入式(3-30)后:
(3-32)
上式表明蜗壳的内壁为一对数螺线,对于每一个,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
令按幂函数展开:
其中
(3-33)
那么
(3-34a)
系数m随通风机比转数而定,当比转数时,(3-34)式第三项是前
面两项的10%,当时仅是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
(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。
(2-34)得到蜗壳出口张度A
(3-36)
一般取,具体作法如下:
先选定B,计算A[式(3-36)],以等边基方法或不等边基方法画蜗壳内壁型线。
蜗壳宽度B的选取十分重要。
一般维持速度在一定值的前提下,
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使不变。
当扩张面积不变情况,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)
2.
(3-37b)
低比转数取下限,高比转速取上限。
为叶轮进口直径,系数:
五,蜗壳内壁型线实用计算
作一正方形。
为等边基方。
以基方的四角为圆心分别以
(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:
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。
3-22等边基方法
图3-23不等边基方法
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