03PDF文档(第三章_离心通风机设计-精品文档资料整理.pdf
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1、第三章 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P,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21DD,转速 n,进出口宽度1b和2b,进出口叶片角A1和A2,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
2、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: 2D :叶轮外径 0D:叶轮进口直径; 1
3、D:叶片进口直径; 2b:出口宽度; 1b:进口宽度; A2:叶片出口安装角; A1:叶片进口安装角; Z:叶片数; )(212211DDbbtg=:叶片前盘倾斜角; 一 最佳进口宽度1b 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10DD=,叶轮进口面积为11bD,而进风口面积为214D,令为叶轮进口速度的变化系数,故有: 11214bDD= 由此得出: 411Db= (3-1a) 考虑到轮毂直径0d引起面积减少,则有: )1 (4)(1 42121011=DDdDb (3-1b) 其中10Dd= 在加速 20%时,即2 . 1=, 8 . 411Db= (3-1
4、c) 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1w的平方成正比,即221wpimpimp=。为此选择在一定的流量和转速条件下合适的1D,以使1w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mC0增加至mC1,即: 0110FFCCmm= 图 3-3 叶片厚度和进出口的阻塞系数计算 用1和2分别表示进出口的阻塞系数: 111111111111011)21 (2tbtbDSinZSinb
5、ZbDFFAA+= (3-2a) 式中1t为节距,为切向叶片厚度 AASinZDtSinZDt2222211111,= 同理22222)21 (tbt+= 那么进出口的径向速度为: 111101bDQCCthmm= 2222bDQCthm= 当气流进入叶轮为径向流动时,11CCm=,那么: 212121+=mCw 21222222260DnbDQwth+= (3-2b) 为了使21w最小,也就是impp损失最小,应选用适当的1D。当1D过大时,mC1过小,但1加大很多,使 (3-2c)式右边第二项过大,21w加大。当1D过小时,(3-2c)式右第二项小,第一项会过大,总之1D在中间值时,使21
6、w最小,即0121=dDdw 考虑到进口 20%加速系数,及轮毂的影响,1b的表达式为(3-1b)式,代入(3-2c)式为: 21222212122212160)1 (16DnDQwth+= (3-3c) 对式(3-3)求极小值,得出的优化值为: 3121211)1 (240AthntgQD= (3-4a) 出口直径2D不用上述类似的优化方法,只要选用合适的即可: 3222222404DnuDQth= 322240thQnD= (3-4b) 即:3112121)1 (AtgDD= (3-4c) 也可以根据21DD,求出 11232111)(=DDtg (3-4d) 三 进口叶片角A1 1. 径
7、向进口时的A1优化值 同1D一样,根据1w为最小值时,优化计算进口叶片角A1。当气流为径向进口时,o901=,且mC1均布,那么从进口速度三角形(令进口无冲击A1=1) ACosuw111= ACosDnw1221221)60(= )(1111mthCbQD = 代入1b值后得出1D值,最后得出: AmthCoswCvQnw12112112311)1 (4)60(= AAthSinCosvQnw112211231)1 (900= (3-5) 求极值,即0131=Addw oA26.351= (3-6a) 这就是只考虑径向进口时的A1优化值。 把(3-6a)式代入(3-4a)至(3-4d)式:
8、32111)1 (25. 3nvQDth= (3-6b) 进而当0 . 1, 2 . 1, 011=v时: 321194. 1=DD (3-6c) 或者:321702. 1=DD (3-6d) 2. 当叶轮进口转弯处气流分布不均匀时A1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max1mC和max1w,比该面上的平均值要大,设kCCmm=1max1 那么()1 (112221max12212max1AAtgkutguw+=+= 此外:mthCvQDDnu121121212221)1 (4,60= AAthtgtgkvQnw112221123max123)1 ()1
9、(900+= 当013max1=Adtgdw时: ktgA1211= (3-7a) 进而采用近似公式: )21 (311112rbek+= 其中1r为叶轮前盘叶片进口处的曲率半径。计算出来的A1角比o26.35小一些。如下表所示: 11rb: 0.2 0.4 1.0 2.0 3.0 4.0 k1: 0.952 0.88 0.74 0.58 0.472 0.424 A1: o34 o9 .31 o7 .27 o3 .22 o5 .18 o7 .16 那么 31211240AthntgQD= (3-7b) 式中A1为A1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.
10、 当气流进入叶片时有预旋,即01uC: 由图 3-5 进口速度三角形可以得出: )1 (11111111uCCosuCosCuwuAAu= 111tgCCmu= +=11111tgSinCosuwAA mthCvQnDnu1211221221)1 (90060= AmSinwC111= ()211112113311)1 (900tgSinCosSinvQnwAAAth+= 求极值后: 2111691431211+=tgtgtgA (2-8a) 可以看出当气流偏向叶轮旋转方向时(正预旋),A1将增大,同时得到: 31131212111)1 (240tgtgtgvnQDAAth+= 4. 叶轮的型
11、式不同时A1有所区别 一般推荐叶片进口角A1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A1的选择使叶轮进口冲击损失为最小。 1111uCtgm= iA+=11 冲角()oi80= 一般后向叶轮:oA35151= 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:oA60401= 当oA1601552时,oA601甚至oA901=。 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
12、进口边斜切是指前盘处叶片进口直径fD1大于后盘处的直径bD1,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,A1在进口边各点是相同的。但该处气流速度()mCC11不均匀,而周速2u相同。故气流角1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mC1大,且其1u亦大,而靠近后盘mC1小,且1u亦小。使气流良好地进入叶道。 前向叶轮,进口气流角1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
13、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: AASinZDSinta2222= ()125 . 1rrl= 2=al 那么()25 . 12212=ASinZDrr 21221215 . 815 . 14rrSinrrSinZAA= (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21DD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
14、轮:当 Z=812 个时,采用机翼型及弧型叶片,当 Z=1216时,应采用直线型叶片。 对于前向叶轮,Z=1216. 六 叶片进出口宽度21,bb 1. 后向叶轮一般采用锥形圆弧型前盘,对于一定流量叶轮,2b过小则出口速度过大,叶轮后的损失增大,而2b过大,扩压过大,导致边界层分离,所以2b的大小要慎重决定。由于 rTCDQb2222= 222224uCDbr= (3-10a) 上式表明,在一定的22uCr时,22Db值与成正比,对于一定的叶轮22uCr过大,出口速度大,叶轮后损失增 大,反之22uCr过小,扩压度过大。试验证明,不同的A2,22uCr值不同,即 oA48352= 25. 02
15、1. 022=uCr (3-10b) oA60482= 28. 025. 022=uCr 然后,利用(3-10a)式可计算出22Db。 后向叶轮的进口处宽度,一般可近似计算: 1221DDbb (3-10c) 2.前向叶轮进口处参数影响很大。其叶片入口处宽度1b应比)1 (42111vDb=公式计算出的大一些。例如当)6525(7 .115 . 4=sn 35. 025. 021DD 4)5 . 12 . 1 (11Db = 5 . 035. 021DD 4)0 . 25 . 1 (11Db= 5 . 021DD 4)5 . 20 . 2(11Db= 前向叶轮采用平直前盘时:,若采用锥形前盘,
16、必须正确选用前盘倾斜角,即 21DD 0.30.4 0.450.55 0.5 o20 o25 o35 根据值及1b,可决定2b。 图 3-7 前盘形状 2 叶片形状的确定 离心式通风机主要参数121212,bbDD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: AACosrrCos1212= (3-11) 上式表明12,DD, A1 A2和之间满足(3-11)式,不能同时任意选择。 例如: 21rr: 0.3 0.5 0.7 (当oA301=时)2: o9 .74 o3 .64 o7 .52 图 3-8 平直
17、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AADD2112,Z 等,根据已知条件确定叶片圆弧半径kR的大小,和该圆弧的中心位置P,以及圆弧所在半径0R。 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 AAPuwPuw121222102202= 在20P和10P中,P0 为公共边: 21002,01120rrRPPRPk= 由余弦公式: AkkAkkACosrRrRRCosrRrRRCosPPP1121220222222022222,202220220+=+=+= ()
18、AAkCosrCosrrrR112221222= (3-12a) AkkAkkCosrRrRCosrRrRR1121222222022+=+= (3-12b) 叶片长度 l: 02120211022202121222,3602RRrRRCosRRrRRCosRlkkokkooooook+=+= 2. 前向叶轮圆弧叶片 )180()180(211222122AoAokCosrCosrrrR= (3-13a) )180(2222220AokkCosrRrRR+= (3-13b) 3. 径向叶片见图 3-9c oA902= 1121222CosrrrRk= (3-14a) 2220rRRk+= (3
19、-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AA101=,过 0点做01的垂线,交于角的另一边为 A点,以rA=1为半径做圆弧,弧e1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A2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oo108,否则的话,扩散度过在,造成较大的边界
20、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uCu保持常数(或rCu保持常数)的叶片,用下标”0”表示进口,则: 由于rrCCrddrCuCtguuum11,= rrCuCrddrum11= (3-15) 上式为无功叶片的方程. (1) ConstCm=情况,这时前盘为双曲线,即 rrCrCrddrum111= (3-16a) 积分后:)11()(111111rrrCCrrCmum+= (3-16b) 如果进口无预旋:01=uC ) 1(1)(11
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