离心风机的设计论文

焦作大学毕业设计 正文 3 目录 引言 (1) 离心式通风机的结构及原理 (3) 2.1 离心 式 风机的基本组成 (3) 2.2 离心 式 风机的原理 (3) 2.3 离心 式 风机的主要结构参数 (4) 2.4 离心 式 风机的传动方式 (5) 3.离心 式通 风机的设计 (5) 3.1 通风机设计的要求 (5) 3.2 设计步骤 (6) 3.2.1 叶轮尺寸的决定 (6) 3.2.2 离心通风机的进气装置 (13) 3.2.3 蜗壳设计 (14) 3.2.4 参数计算 (20) 3.3 离心风机设计时几个重要方案的选择 (24) 4.结论 (25) 附录 (25) 摘要 离心式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。离心式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。本文在了解离心通风机的基本组成，工作原理以及设计的一般方法的基础上，设计了一种离心通风机。 关键字：离心式通风机 工作原理 设计方法 ABSTRACT The design of Centrifugal fan includes the calculation of aerodynamic and the structure etc. The aerodynamic design of Centrifugal fan has two kinds of methods: one is the likeness designs, the other is theoretical designs. Based on above, this article designed a Centrifugal fan based on above. Key words: Centrifugal fan； working principle； design method 焦作大学毕业设计 正文 4 1 引言 通 风机 是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。通 风机 广泛 用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉 和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 通 风机 的工作原理与 透平 压缩机 基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。 通 风机 已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心通 风机 基本相同。 1862 年，英国的圭贝尔发明离心通 风机 ，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为 40左右，主要用于矿山通风。 1880 年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心通 风机 ，结构已比较完善了。 1892 年法国研制成横流通 风机 ； 1898 年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机 ，并为各国所广泛采用； 19 世纪，轴流通 风机 已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为 100 300 帕，效率仅为 15 25，直到二十世纪 40 年代以后才得到较快的发展。 1935 年，德国首先采用轴流等压通 风机 为 锅炉 通风和引风； 1948 年 ,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通 风机 ；旋轴流通 风机 、子午加速轴流通 风机 、斜流通 风机 和横流通 风机 也都获得了发展。 按气体流动的方向，通 风机 可分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型。 离心通 风机 工作时，动力机 (主要是电动机 )驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并 在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内，故又称径流通 风机 。 离心通 风机 主要由叶轮和机壳组成，小型通 风机 的叶轮直接装在电动机上中、大型通 风机 通过联轴器或皮带轮与电动机联接。离心通 风机 一般为单侧进气，用单级叶轮；流量大的可双侧进气，用两个背靠背的叶轮，又称为双吸式离心通 风机 。 叶轮是通 风机 的主要部件，它的几何形状、尺寸、叶片数目和制造精度对性能有很大影响。叶轮经静平衡或动平衡校正才能保证通 风机 平稳地转动。按叶片出口方向的不同，叶轮分为前向、径向和后向三种型式。前向叶轮的叶片顶部向叶轮旋转方向倾斜；径向叶轮的叶片顶部是向径向的，又分直叶片式和曲线型叶片；后向叶轮的叶片顶部向叶轮旋转的反向倾斜。 前向叶轮产 生的压力最大，在流量和转数一定时，所需叶轮直径最小，但效率一般较低；后向叶轮相反，所产生的压力最小，所需叶轮直径最大，而效率一般较高；径向叶轮介于两者之间。叶片的型线以直叶片最简单，机翼型叶片最复杂。 为了使叶片表面有合适的速度分布，一般采用曲线型叶片，如等厚度圆弧叶片。叶轮通常都有盖盘，以增加叶轮的强度和减少叶片与机壳间的气体泄漏。叶片与盖盘的联接采用焊接或铆接。焊接叶轮的重量较轻，流道光滑。低、中压小型离心通 风机 的叶轮也有采用铝合金铸造的。 轴流式通 风机 工作时，动力机驱动叶轮在圆筒形机壳内旋转，气体从集流器进入，通过叶轮获得能量，提高压力和速度，然后沿轴向排出。轴流通 风机 的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，小型的叶轮直径只有 100 毫米左右，大型的可达 20 米以上。 焦作大学毕业设计 正文 5 小型低 压轴流通 风机 由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流通 风机 由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为 2 24。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为 1045，安装角越大，风量和风压越大。轴流式通 风机 的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。 斜流通 风机 又称混流通 风机 ，在这类通 风机 中，气体以与轴线成某一角度的方向进入叶轮，在叶道中获得能量，并沿倾斜方向流出。通 风机 的叶轮和机壳的形状为圆锥形。这种通风机 兼有离心式和轴流式的特点，流量范围和效率均介于两者之间。 横流通 风机 是具有前向多翼叶轮的小型高压离心通 风机 。气体从转子外缘的一侧进入叶轮，然后穿过叶轮内部从另一侧排出，气体在叶轮内两次受到叶片的力的作用。在相同性能的条件下，它的尺寸小、转速低。 与其他类型低速通 风机 相比，横流通 风机 具有较高的效率。它的轴向宽度可任意选择，而不影响气体的流动状态，气体在整个转子宽度上仍保持流动均匀。它的出口截面窄而长，适宜于安装在各种扁平形的设备中用来冷却或通风。 通 风机 的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是通 风机 的主要技术指标。流量也称风量，以单位时间内流经通 风机 的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在通 风机 内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指通 风机 的输入功率，即轴功 率。通 风机 有效功率与轴功率之比称为效率。通 风机 全压效率可达 90。 通 风机 未来的发展将进一步提高通 风机 的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流通 风机 代替大型离心通 风机 ；降低通 风机 噪声；提高排烟、排尘通风机 叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。 2. 离心式通风机的结构及原理 2.1 离心风机的基本组成 主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、联轴器、轴、电动机等部件组成。旋转的叶轮和蜗壳式的外壳。旋转叶轮的功能是使空气获得能量； 蜗壳的功能是收集空气，并将空气的动压有效地转化为静压。 焦作大学毕业设计 正文 6 2.2 离心风机的原理 叶轮旋转产生的离心力使空气获得动能 , 然后经蜗壳和蜗壳出口扩散段将部分动能转化为静压。这样 ,风机出口的空气就是具有一定静压的风流。 1-进气室； 2-进气口； 3-叶轮； 4-蜗壳； 5-主轴； 6-出气口； 7-扩散器 2.3 离心风机的主要结构参数 焦作大学毕业设计 正文 7 如图所示，离心风机的主要结构参数如下。 叶轮外径 , 常用 D 表示； 叶轮宽度 , 常用 b 表示； 叶轮出口角 ,一般用表示。叶轮按叶片出口角的不同可分为三种 : 前向式叶片弯曲方向与旋转方向相同 , 90 (90 160 )； 后向式叶片弯曲方向与旋转方向相反 , 90 (20 70 )； 径向式叶片出口沿径向安装 , = 90。 2.4 离心风机的传动方式 焦作大学毕业设计 正文 8 如图所示 。 3. 离心式通风机的设计 3.1 通风机设计的要求 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 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； 焦作大学毕业设计 正文 9 （ 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。 3.2 设计步骤 3. 2.1 叶轮尺寸的决定 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 焦作大学毕业设计 正文 10 :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： 考虑到轮毂直径引起面积减少，则有： 其中 在加速 20%时，即 , 加速 20%的叶轮图 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。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： 焦作大学毕业设计 正文 11 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： 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： 焦作大学毕业设计 正文 12 为了使最小，应选用适当的。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 求极小值，得出的优化值为： 出口直径不用上述类似的优化方法，只要选用合适 的即可 : 即： 也可以根据 ，求出 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： 焦作大学毕业设计 正文 13 (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： 焦作大学毕业设计 正文 14 (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 ： 焦作大学毕业设计 正文 15 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： 焦作大学毕业设计 正文 16 当时，甚至。 3.2.2离心通风机的进气装置 离心通风机的进气装置位置 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 。 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。 焦作大学毕业设计 正文 17 二，进气口 进气口有不同的形式。 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=812。 离心通风机的进气导叶 3.2.3蜗壳设计 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，焦作大学毕业设计 正文 18 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： 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： 焦作大学毕业设计 正文 19 (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，确定扩焦作大学毕业设计 正文 20 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. 或 2. 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： 焦作大学毕业设计 正文 21 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 六，蜗壳出口长度 C，及扩压器 蜗壳出口面积。一般 (3-38) 或 往往蜗壳出口后设一扩压器，如图 3-24出口扩压器角度为佳。为了减少总长度，可适当加大。 焦作大学毕业设计 正文 22 图 3-24出口扩压器 七 .蜗舌 蜗壳中在出口附近常有蜗舌，其作用防止部分气体在蜗壳内循环流动，蜗舌附近的流动较为复杂，对通风机的影响很大。蜗舌分三种：平舌，浅舌，深舌。 当 QQ正常 时，流动偏向出口在舌部出现涡流及低压，使通风机性能变坏。下降，功率 N加大，一般蜗舌头部的半径 取 蜗舌与叶轮的间隙 t一般取 (后向叶轮 ) (前向叶轮 ) t过小在大流量时会升高一些，但 下降，噪音加大。 t过大，噪音会低一些，但及 下降。 焦作大学毕业设计 正文 23 蜗壳出口蜗舌 3.2.4参数计算 1. 根据给定的设计参数 Q，求其比转速，即 设计时转速 n可能未给，先初定，然后确定通风机的类型及叶片型式： ns=2.712 前向叶片离心式 ns=3.616 后向叶片离心式 ns1617 双吸入式并联离心式 ns=1836 轴流式 2. 初步选择叶片出口角 ： 一般后向叶轮叶片出口角 范围为，最好。机翼型叶片时效率较高。 与 成线性关系。 或： 焦作大学毕业设计 正文 24 3. 用所选的 ，查图 3-26或计算，给出 ，计算： 一般： =0.60.8 强后向叶片 =0.81.2 后向叶片 =1.21.4 径向叶片 =1.42.4 前向叶片 4. 确定出口半径 D2 这样可进一步判断是否合理。一般同步转速 , p为极对数。 5. 确定进口的直径 D1（例如 时为式（ 3-6c）： 为此先算 焦作大学毕业设计 正文 25 上式只适用于 0.3的前向叶轮： 6. 确定进口直径： 7. 确定叶片数 Z： 8. 确定 b2和 b1： 后向叶轮时： 式中： 对于后向叶轮： 对于前向叶轮： ns= 4.511.7 =0.250.35 b1=1.21.5 =0.350.5 b1=1.52.0 0.5 b1=2.02.5 取直平前盘 b2=b1。锥形前盘时，给定一定的 ，取 值不要太大。 9. 进口叶片角 焦作大学毕业设计 正文 26 气流角 取为冲角 : 10. 验算全压 如果偏离太大，修正 和 Z值。 11. 叶片绘型 12. 决定蜗壳尺寸 （ 1） 计算蜗壳宽度 B 一般经验公式为： 或 低比转数取下限，高比转速取上限。 为叶轮进口直径， （ 2） 计算蜗壳出口 A： 一般取 （ 3） 用等基方法或不等基方法计算蜗壳内壁线， 焦作大学毕业设计 正文 27 （ 4） 决定蜗舌尺寸 蜗舌头部半径 间隙： （后向叶片） （前向叶片） 13. 计算功率 其中 k为安全系数 ,方法 k=1.15. 3.3 离心风机设计时几个重要方案的选择 ： (1)叶片型式的合理选择：常见风机在一定转速下，后向叶轮的压力系数中 t 较小，则叶轮直径较大，而其效率较高；对前向叶轮则相反。 (2)风机传动方式的选择：如传动方式为 A、 D、 F 三种 ，则风机转速与电动机转速相同；而 B、 C、 E 三种均为变速，设计时可灵活选择风机转速。一般对小型风机广泛采用与电动机直联的传动 A，对大型风机，有时皮带传动不适，多以传动方式 D、 F 传动。 对高温、多尘条件下，传动方式还要考虑电动机、轴承的防护和冷却问题。 (3)蜗壳外形尺寸的选择：蜗壳外形尺寸应尽可能小。对高比转数风机，可采用缩短的蜗形，对低比转数风机一般选用标准蜗形。有时为了缩小蜗壳尺寸，可选用蜗壳出口速度大于风机进口速度方案，此时采用出口扩压器以提高其静压值。 (4)叶片出口角的选定：叶片出口角是设计时首先 要选定的主要几何参数之一。为了便于应用，我们把叶片分类为：强后弯叶片 (水泵型 )、后弯圆弧叶片、后弯直叶片、后弯机翼形叶片；径向出口叶片、径向直叶片；前弯叶片、强前弯叶片 (多翼叶 )。 (5)叶片数的选择：在离心风机中，增加叶轮的叶片数则可提高叶轮的理论压力，因为它可以减少相对涡流的影响 (即增加 K 值 )。但是，叶片数