2022年风机与压缩机 .pdf

1 第五章轴流通风机的设计计算1 概述目前轴流通风机的设计方法主要有两种，一种利用单独翼形空气动力试验所得到数据进行设计，称为孤立叶形设计方法；另一种利用叶栅理论和叶栅吹风试验成果来进行设计，称为叶栅设计法。对于轴流通风机，由于叶栅稠密度不大tb1，由于叶栅叶型间相互影响以及叶栅的扩压性质，使得叶栅的空气动力特性与孤立叶型有较大的区别。F.Weinig 提出的“干涉系数K 法” ：KyyCC(5-1) 图 5-1 利用图 5-1 查出的干扰系数K 来修正孤立叶型的试验数据。此法未获得广泛应用，但是当叶型的弯度和厚度不大时，此法还是可以的。在高压通风机中，叶片较多，yC与yC相差较多，所以利用叶栅吹风试验得到的实验曲线进行设计，称为叶栅设计法。一般1 时采用叶栅法，1 时采用孤立叶型法，或导叶按叶栅设计，叶轮按孤立叶栅设计。孤立叶型法设计步骤：（1）一般选*yC=(0.80.9) maxyC为设计的工况点相对应的攻角为*（8左右）；（2）风机沿半径取59 个断面，确定速度三角形，各断面的攻角以轮毂到轮缘减少；（3）根据cos)sin(sin22zummywwtbC以及*1yxCCtg（式53）计算出tb（4）叶栅的安装角*m，其中，为翼型弦线与周向夹角，m为mW与周向夹名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 23 页 - - - - - - - - - 2 角，*为攻角。（5）选择叶片数Z，求出 t，进一步求出b （6）由于*各断面基本相同，但是m不同，所以不同。在叶栅法时，吹风试验曲线是用“理论升力系数”0yC绘制的。所谓叶型的理论升力系数是指0 时，该叶栅具有的速度三角形与0时相同。zumywwtbCsin20（5-2）mzmwwsinmuywwtbC20（5-3）（5-3）式使用更为方便。2孤立叶型试验数据一 RAF-6E ，美国发表的叶型。%3.10c图 5-2 RAF-6E 叶型二 CLARK Y 叶型NACA 早期叶型%10e名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 23 页 - - - - - - - - - 3 图 5-3 CLARK Y叶型三 LS 叶型，英国LS 螺旋桨翼型图 5-4 LS 螺旋桨翼型四 哥廷根叶栅德国发展的翼型共有：622， 623，624，625，682 型号等（PP291-294）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 23 页 - - - - - - - - - 4 图 5-5 哥廷根翼型五 圆弧板叶型由于翼型试验次料为：5:1bl(l 翼展， b 弦长) 冲角要检验：减少：yyyCCblC65.3)53.57(3 .57)(07.1522yyxCblCC对第四种翼型：0092.04bfCy3 主要参数的选取在进行叶轮设计时，必须合理选取叶轮的结构参数，如轮毂比，Z，外径tD一 轮毂比tnDD（nD轮毂直径，tD为外径）是一个重要参数，它对风机的压力，流量效率都有影响。ymtzCtbuCsin2（5-4）这样与成正比，与成反比。 当风机压力或压力系数较高时，应取较大的，但是过大，叶片过短，流速损失大，风机性能恶化。如图5-6 所示，当tu较大时，可以选较小一些；这样大。对于风压高流量小的可取较高的，风压低流量大的风机取较小。太小，叶片过长，并在底部产生分离。0.250.75 为常用。例如，单独叶轮时，0.30.45，其他方案0.50.7，也可以低于0.5。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 23 页 - - - - - - - - - 5 图 5-6 由大量试验，与sn的关系如图5-7：图 5-7 55.0log)30log(log30log15log55.0log0.1loglogsn0143734.1log8624955.010sn35sn0637792.1log904504.010sn3580sn名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 23 页 - - - - - - - - - 6 2叶轮外径图 5-8 确定叶轮外径tD22uguKu（5-5a）根据图 5-8，求出sn下的uK，然后可以计算出tDnKDut260（5-6）0 .130sunK（5-5b）=1.20 时nKDut4 .77（5-7）此外smut/8060smut/130max3叶片数Z 0.3 0.4 0.5 0.6 .07 Z 2-6 4-8 6-12 8-16 10-20 4 孤立叶型设计方法之一首先把给定参数转换成标准进口状态的参数。其设计步骤如下：1 根据压力系数或比转速，进行方案选择：32.5 单独叶轮级=0.150.25 或sn=20.832.5 叶轮加后导叶0.25 或sn=14.50.8 叶轮加前导叶名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 23 页 - - - - - - - - - 7 2 选电机及转速n轴功率：mpQN10003 计算比转速sn4321Qnns4 确定外圆直径tD和轮毂比0.130sunKnKDut260按图 3-5 或公式选轮毂比一般：=0.250.75 单独叶轮时，0.30.45，其他方案0.50.7，也可以低于0.5。总之sn大，小5 计算轮缘速度和压力系数：60ttDnum/s 221tu6计算轴向速度224htzDDQC7计算各截面的扭速uC（1）等环量设计：uCupuCu式中：全压效率，参照已有的风机选取，或自行估算：（2）变环量设计：计算几何平均断面的扭速uMC222htMDDD60nDuCMMuM名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 23 页 - - - - - - - - - 8 MuMurCrC确定变环量的指数01 rrCCMuMu8计算栅前和栅后的平均速度和气流角mw和m22)2(uzmCuCwmzmwCarcsin9选择叶片数，根据选叶片数10选择翼型，根据翼型的试验气动力特性曲线选取yC和yC选 用 从 叶 尖 到 叶 根 逐 步 增 加 ， 如 相 对 厚 度c不 变 ， 可 取 额 定 工 况 点 的*yC（max*8 . 0yyCC）为叶根的yC。即叶根处：yC*yC0，8m axyC，然后依直线规律到叶尖减少。对各断面依此进行以下计算：（1）利用叶栅气动力基本方程计算弦长b。例如：mywZwCPb4（2）计算叶型安放角：m（3）叶栅绘型例题：设计轴流通风机叶轮，给定如下设计参数：aP980smQ/5033/2 .1mkg单独叶轮级：82.098.0m计算表格和初步结果如下：kWQNm611000rpmn10005.40sn4. 04 .2uKmDt85.1mDh74.0smut/97smCz/2 .22压力系数166.0smuPCMMu/9.125 .084.10)241:1(9 .12)2(5. 05.0muMDC5. 084.10rCu名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 23 页 - - - - - - - - - 9 选取叶型：1. 0cD 选取0.7 1.13 1.41 1.645 1.85 602Dnrsmu选取 0.82 5.084.10rCuuCuzCuCzuCtgz11)(22uuuCCCu)(2uzCuC)(212uzCuCtguCu212)21(uCu2zC22)21(uzmCuCwmzwC计算，轮毂轮缘：变小yC和：根据选用叶型确定mZ（选取）mywZCb轮毂轮缘：b减少，减少名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 23 页 - - - - - - - - - 10 图 5-9 5 孤立叶型设计方法之二设计参数：流量：Q，全压：和转速：secn（s1） ，设计步骤如下：1流量系数：2sec32414nDQuDQttt比转速：4321Qnns43214343432121827.24230sn2压力系数：22sec22221nDutt3直径系数：2141424QDt4转速系数：4321432sec)(5.2812)2(QnQn直径系数，转速系数和压力系数流量系数的关系：221名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 23 页 - - - - - - - - - 11 31若已知优化的opt，opt，即可以求出优化的opt、opt，这样优化的直径和转速为：4242QDoptoptt2)2(432Qnoptopt260nDt60ttDnu计算步骤：1 求转速系数：2)2(432secQn图 5-10 根据图 5-10 求出相应和2 计算31和221名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 23 页 - - - - - - - - - 12 然后估计效率3260nDt60ttDnu4)1 (422tzDQC5选 Z 6计算各毂面的转速，由断面方程uCcuDuzCuC2uCu22)21(uzmCuCwmzmwC1sinmywZbC46 平板叶栅吹风试验数据一平面叶栅吹风试验（根据试验求0yC，yC，xC）如图 5-11 图 5-11 测量叶栅前后气流速度的大小方向，以及压力，计算出理论升力系数和阻力系数。理论升力系数：zuumywwwtbC210sin2btctgctgCmy)(sin2210（5-27）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 23 页 - - - - - - - - - 13 )(sin2*2*12ppwtbCmmx（5-8）21*121ppzzzwww21mmwwsinsin11又1*122ppwrmmppw2121*1sinsin)(2*1p、*2p是叶栅进口的滞止压力（总压）1p进口的净压btppppCmx1221*1*2*1sinsin（5-9）实际升力系数yC：zummywwtbC)sin(sin22zummmwwctgtg1)cos(sinsin22因为1cosyxCCtgzumyxmywwctgCCbtC1sin2myxyyctgCCCC01mxyyctgCCC0mxmyctgCctgctgbtC21)(sin2（5-10）这样就可以得出不同攻角情况下的0yC、yC、xC曲线如图 5-12 也可以用气流折转角代替升力系数。在计算时用max*8.0作为设计工况或称额定工况点。二叶栅额定特征线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 23 页 - - - - - - - - - 14 人 们 经过 一 定数 量 叶栅吹 风 试验 数 据的 分 析研究后 。当5*，400，%125c，5 .04.0ba条件下，气流折转角*主要是与tb和*2有关。即：),(2*tbf这样可以将已有的叶栅试验曲线的数据*，tb，2画成曲线如图5-12。图 5-12 霍威尔提出经验公式计算叶栅的相对栅距tb和额定升力系数：当9050*时：3203.1*1*1ctgctgbt75.221*)sinsin(2yC及茨威费尔经验公式：)(sin5 .2sin2122ctgctgbtA名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 23 页 - - - - - - - - - 15 三，平面叶栅吹风试验的翼型造型（一）原始叶栅对称叶型用的最多例如：4C叶型（%10c） 和65010NACA叶型（%10c）（二）翼叶造型的几何角（1）*11（2*）（5-11）（2）*22（5-11）通风机叶栅气流滞后角：btm*12（5-13）18.0002.0)2(23.022bam（5-14）收敛型叶栅（透平叶栅）btba2.0)2(23.02*（5-15）（3）*12i（5-16）btmi1*（三）叶型中心线绘型1圆弧中心线由两段圆弧组成：21xx，这些叶栅都是在设计工作点上工作的。图 5-13 11sin xaR（5-17）22sin xabR（5-18）1x和2x为叶型前后缘方向角。一般取6.01x，4.02x，45. 0ba如果用一个圆弧5.0ba5 .021xx名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 23 页 - - - - - - - - - 16 2sin221bRRR（5-19）图 5-14 （2）抛物线中心线02222DCyBxyAAxyx（5-20）0 x1tgxdxdy0ybx2tgxdxdy0y222ctgxctgxAbB1ctgxbc0DcAxBxxy22（略去22yA一项）xbctgxctgxy2121（5-21）)25 .1(1bax)5.02(2baxx（5-22）4.0ba，6.01x，4 .02x中心线长度双圆弧2211sin)(sinxxabxaxl（5-23）单圆弧11sin xbxl（5-24）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 23 页 - - - - - - - - - 17 抛物线2sin2bl（5-25）图 5-15 7 叶栅设计方法之一1选择风机转速n，计算比转速：4321Qnns并选择级的方案2确定tD，并验算tu（同叶型设计方法之一）nKDut26060ttDnu22tu3选择（同叶型设计方法之一）4计算zC5计算uC6计算1，2，7*22求出tb（利用叶栅试验特征曲线）或按公式计算8选择Z，2Dt9计算b10选用*i（35）11计算计算滞后角12叶栅绘型8 叶栅设计方法之二对于低负荷风机：计算系数考虑孤立叶型与叶栅的区别：11lnsin222RRbtm（5-26）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 23 页 - - - - - - - - - 18 式中：无限叶片数时，圆弧叶片之圆心角12有限叶片数时的圆心角)(2121mR圆弧叶栅保角变换特性值：2)1 (2)21(22其中：5 .15 .0bt利用图 5-16 得出，计算出11A22 A以上用于圆弧叶栅。当采用机翼型叶栅m，修正21)(tb由图 5-17 求出112.005.0bc11A22A图 5-16 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 23 页 - - - - - - - - - 19 图 5-17 9 导叶的计算一前导叶前导叶是进口导流器，可采用机翼型或圆弧板型，产生负预旋，是加速叶栅，压力不断下降。为了提高经济性，常使进口导叶可调方式，或带有调节机构的可转功叶片。iA00（52i）出口角：11A（42）为决定1，确定uC1前导叶的出口环量：uupDC1转轮的环量变化：)(12uuRCCD1121nCCCuuuRuppnnRup211pR2一般，)6.0()5.0(1n前导叶的数目略少于动叶：5.18 .0bt叶片厚度：lb)12.0(式中：l为叶片的高度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 23 页 - - - - - - - - - 20 图 5-18 前导叶图 5-19 后导叶二后导叶后导叶即出口导流器，是一种扩压元件，其作用时把流出叶轮的偏转气流旋回轴向，同时将偏转气流的动能（2221uC）转变为静压能。因此，相对于无后导叶的单叶轴流通风机而言，装有后导叶的风机，静压效率显著提高。并使风机最高全压效率工作点和最高静压效率工作点彼此接近。对于管网阻力大的场合的风机，一般使用后导叶。后导叶可以采用机翼型，或等厚圆弧板叶型，试验表明，后者也有良好的空气动力性能。后导叶的设计计算也可以用孤立翼型法或叶栅法。（一）孤立叶型法采用公式：muyCCtbC2muyZCCdbC2（5-27）式中，d为导叶直径，Z为导叶叶片数。后导叶叶片数一般为也叶轮的25. 1倍，为了防止振动，两个叶片数互为质数。导叶的安装角为：mA（5-28）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 23 页 - - - - - - - - - 21 （二）叶栅法：其步骤如下：1求出导叶进出口气流角：*2和*3uzCCtg21*22（5-29）uzCCtg31*33（5-30）uuCC23)25.00(（5-31）一般uC3若为零，效率更高一些。22，3，求出气流折转角*23然后由*求出最佳稠密度tb3选择叶片数Z，求出t4确定b5计算弯折角btmi1*18.0002.0)2(23.022bam630*i*22iA7btm*33A例如利用 Winning 法的计算步骤为下列顺序计算：（1）绘出直径d（0.5 0.75 1.0）（2）)(2uuCC（3）zC（4）2进口（5）uzCCtg313（uuCC232.0）（6）2223（7）232m（8）bt取，303.132ctgctgbti（9）查图得出系数（10）)1(2（11）22（12）33名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 23 页 - - - - - - - - - 22 （13）选用叶片数Z（14）Zdt（15）由叶栅稠密度计算出b（16）叶栅相对厚度：bc（17）根据翼型形式计算1，（18）21)(tb（19）2 2（20）3 310 径向间隙和轴向间隙一径向间隙01.0l时：间隙可能已被端面的附面层堵塞。02.0l时：效率下降%32，压头减少%64间隙控制在01.0008.0l效率变化可估算：)01.0(8 .2l图 5-20 径向间隙二轴向间隙保持一定的厚度，主要是为了消除叶栅间的影响，保证叶栅后，对下一叶栅有均匀进气条件，b)4.025.0(11 集流器，整流器，扩散筒名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 23 页 - - - - - - - - - 23 图 5-21 （1：集流器2：整流器3：整流体4：扩散筒）一整流器整流器的作用是使气流加速，在压力损失小的情况下，保证进气速度均匀。加整流器风机效率提高%1510。尺寸：tDR25.0整流器的外径：tcalDd)4.12 .1(整流器的长度：tcalDl)4.02 .0(二扩散筒1型式2效率令：3p，3C，3A为进口的压力，速度和面积，4p，4C，4A为出口的压力， 速度和面积，dp为损失。扩散筒效率为：)(2242334CCppd)(121)(21243232423AACpCCpddd一般85.08.0d3 扩散筒的长度：DL)2 .25.1(4 扩散筒的扩散角：lddtg2234128名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 23 页 - - - - - - - - -