离心式通风机设计

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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,以用其他要求,确定通风机的主要尺寸,例如,直径及直径比宽度

,进出口叶片角

,工作介质及其密度

,转速n,进出口

,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选择在一定的流量和转速条件下合适的

的平方成正比,即为最小。

。为此

,以使

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:

;以及折边的存在,

图3-3 叶片厚度和进出口的阻塞系数计算

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)

为了使但

最小,也就是损失最小,应选用适当的

加大。当

。当过大时,过小,

加大很多,使(3-2c)式右边第二项过大,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

同且

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,=

,

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:

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。计算出来的表所示:

角比小一些。如下

: 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象。

大于后盘处的直径

,以适应转弯处气流不均匀现

如果叶片进口与轴平行,如图3-6(a)所示,速度

不均匀,而周速

相同。故气流角

在进口边各点是相同的。但该处气流不同,这样就无法使叶片前缘各点的气

大,且

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.

较小时,Z也少一些为好,以免进口

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,叶轮后的损失增大,而由于

过大,扩压过大,导致边界层分离,所以

过小则出口速度过大,的大小要慎重决定。

(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,反之同,即

过小,扩压度过大。试验证明,不同的,值不

(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。其叶片入口处宽度出的大一些。例如当

应比公式计算

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片的形状有很多选择。 一. 平直叶片

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)

上式表明例如:

,

和之间满足(3-11)式,不能同时任意选择。

: 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

以及圆弧所在半径

的大小,和该圆弧的中心位置P,

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

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,做角半径做圆弧,弧角为

,过0点做

的垂线,交于角的另一边为A点,以

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

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)

保持常数)的叶片,用下

(3-16d)

(2)

(3-17a)

(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

=常数:

若令

(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:

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和求出各段中点的值,根据出叶片形状如图3-14所示。

,在图上量取

值,并列入表内,就可以,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,同样可以按叶片角的分布进行叶片角绘型,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。最差。如图3-16所示。

时为最好,时

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比其叶轮宽度所示,

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

为其气流角(分量为

),蜗壳内一点的流

为叶轮出口后的气流速度,

速为c,分量为

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比:

与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角成正

(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。

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

按幂函数展开:

(3-33)

其中那么

(3-34a)

系数m随通风机比转数面两项的10%,当

而定,当比转数时,(3-34)式第三项是前

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。确定扩张当量面积

的。若速度

,一般维持速度在一定值的前提下,

过小,

过大,通风机出口动压增加,速度

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

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/2dm.html

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