2015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 9 b 前向圆弧叶片 图 3 9 c 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 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 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 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 因此 至少在截面 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 所需最少叶片数为 如图 3 19 所示 图 3 19 蜗壳设计 图 3 20 离心通风机蜗壳 一 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 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 为叶轮出口后的气流速度 为其气流角 分量为 和 蜗壳内一点 的流速为 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 与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角 成正 比 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 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 3 33 其中 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 由式 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 四 蜗壳高度 B 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 或 2 3 37b 低比转数取下限 高比转速取上限 3 为叶轮进口直径 系数 五 蜗壳内壁型线实用计算 以叶轮中心为中心 以边长 作一正方形 为等边基方 以基方的四角为圆心分别以 为半径作圆弧 ab bc cd de 而形成蜗壳内壁型线 其中 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 图 3 22 等边基方法 图 3 23 不等边基方法