离心式通风机设计和选型手册

原创 2020-04-19 07:26  阅读

  离心式通风机设计和选型手册_建筑/土木_工程科技_专业资料。离心通风机的设计、选型、学习手册,工程人员的必备资料。

  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 和 ,进出口叶片角 和 ,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) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) 满足所需流量和压力的工况点应在最高效率点附近; 最高效率要高,效率曲线平坦; 压力曲线的稳定工作区间要宽; 结构简单,工艺性能好; 足够的强度,刚度,工作安全可靠; 噪音低; 调节性能好; 尺寸尽量小,重量经; 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) (3) 选择最大的 值和低的圆周速度,以保证最低的噪音。 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 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 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: 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 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。 : 0.7 0.3 0.5 (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 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 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 为 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 标”0”表示进口,则: 保持常数(或 保持常数)的叶片,用下 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b) 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) 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 5.84 2.45 33 13.5 0.223 6.5 5.79 7.5 5.55 8.5 4.48 9.5 4.15 2.06 33.2 1.7 34.9 1.33 39.3 0.98 46.3 13.4 0.221 12.75 0.212 11.30 0.1868 9.6 0.1585 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 和 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。 的 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) 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 和 ),蜗壳内一点的流 为叶轮出口后的气流速度, 和 , 速为 c,分量为 二,基本假设: 为气流角,半径为 r. 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。 常 数 (3-30) 三,蜗壳内壁型线 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 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)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。凯时在线平台, 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) 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

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