（机械制造及其自动化专业论文）离心风机与横流风机串联排气特性研究.pdf

中史摘要 摘要 小研究设计制造了异类风机串联试验台，进行了横流风机与离 ，c 、风机串联排气特性的试验研究，旨在弄清横流风机与离心风机串 联排气特性的一般规律。串联临界点是风机串联运行的一个重要参 数。本研究在多种工况下，检测了横流风机与离心风机串联工作时 的临界点，绘制了横流风机与离心j x l 机串联临界曲线，为横流风机 与离心风机串联运行时的参数选择提供了理论依据。同时在大量试 验的基础上，分析了横流风机与离心风机串联时总排气性能与单机 排气性能的关系，发现：同一种串联形式，不同转速下的串联临界 曲线形状相似，同流量下的临界点对应的全压随转速的提高而增 大；离心风机、横流风机在串联中的前后位置不同，其串联临界点 办玎；相同，串联临界曲线办不相同；风机串联运行适用于管网阻力 较大，流量不太大的情况：横流一离心、离心一横流串联流量一全压 不完全符合串联叠加原理；风机串联消耗的总功率不一定高于串联 两单机单独运行对消耗的功率之和。对于离心一横流来说，串联功 率低于两单机功率之和。对于横流一离心来说，串联功率高于或等 于两单机功率之和；离心风机与横流风机串联，若串联前后位置不 同，其串联效果亦不同，在管刚阻力大、流量不大时，离心一横流 优于横流一离心串联；横流风机和离心风机串联时，当横流风机作 为后级风机时，在管网阻力小、流量大的情况下，串联全压曲线均 低于理论叠加值且下降很快。 关键词：横流风机，离心风机，串联，排气特性，临界点 蛭上摘篮 a b s t r a c t i nt h i sr e s e a r c h i td e s i g n e da n db u i l tah e t e r o t y p ea i rb l o 、e rs e r i e sc o n n e c t i o n e x p e r i m e n tp l a t f o r m a n dd i dr e s e a r c ho nt h ev e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e r i e s c o n n e c t i o no fh o r i z o n t a lc u r r e n ta i rb l o w e ra n dc e n t r i f u g a la i rb l o ue r t h ep u r p o s e o l t h er e s e a r c hi st oc l e a rt h eg e n e r a lr e g u l a t i o np a t t e r no fv e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh o r i z o n t a lc u r r e n ta i rb l o w e ra n dt h e c e n t r i f u g a l a i rb l o w e r t h es e r i e s c o n n e c t i o nt h r e s h o l dc u tp o i n ti sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h ea i rb l o w e rs e r i e s c o n n e c t i o np r o c e s st h et h r e s h o l dc u tp o i n to f t h eh o r i z o n t a lc u r r e n ta n dc e n t r i f u g a l a i rb l o w e rs e r i e sc o n n e c t i o nw a st e s t e dd u r i n gi t sw o r k i n gt i m ea n dat h r e s h o l d c u r 、7 ew a sb u i l tu n d e re i g h tc i r c u m s t a n c e s t h i sr e s e a r c hp r o v i d e dt h et h e o r yo f b l o w e rs e r i e sc o n n e c t i o nd u r i n gi t sw o r k i n gt i m e a tt h es a m et i m e ；i ta n a l y z e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o t a lw e n d i n gc h a r a c t e ro ft h es i n g l ea i rb l o w e rw i t ht h a to f s e r i e sc o n n e c t i o no fh o r i z o n t a lc u r r e n ta i rb l o w e r t h er e s e a r c ha l s os h o w st h a tt h e v e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n ti ft h et w ob l o w e r s f r o n t ，b a c kp o s i t i o n sa r e d i f f e r e n t i ti sb e t t e ri ft h ec e n t r i f u g a la i rb l o w e ri sp u ti nt h ef r o n tp o s i t i o nt h a ni n t h eb a c kp o s i t i o n k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lc u r r e n ta i rb l o w e r ，c e n t r i f u g a la i rb l o w e r ，c o n n e c t i o n t h ev e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h r e s h o l dc u tp o i n t 第一章概述 1 1风机联合运行的研究意义及现状 1 1 1 风机的分类及应用 风机是输送气体的流体机械，它在国民经济各部门中得郅十分广泛的应 用，是许多部门必不可少的机械设备。目前国内的通风机基本上都有系列产品 供使用部门选用。 风机的分类方法多种多样，按气流运动方向一般可分为离心风机、轴流风 机、横流风机和混流风机等。其中，离一1 5j x t , 机是一种借助叶轮带动气体旋转时 产生的离心力把能量传递给气体的机械，具有效率高、流量大、输出流量均匀、 结构简单、操作方便、噪音小等优点，是目前我国用得晟多的风机类型。横流 风机诞生于十九世纪九十年代，其工作原理与离心风机不同，气体沿j x l 机径向 进入，由风机叶轮转动对其做功，使其获得能量后沿径向方向从出口排出。该 类j 扎机的优点是：压力系数高，流量系数大，进出口截面为矩形，排气气流沿 宽度方向分布均匀且呈层流式，具有喷射性。浚类型的殿机开始仅用于矿井的 通风。二战后，人们先后对这一风机进行了广泛的实验研究，探讨了各种结构 和运动参数对风机性能的影响靓律，提出了不少新的理论和见解，使其在工业 设备和民用电器及农业机械中得到了推广应用并显示了该风机的优越性和生 命力。目前横流j x l 机被广泛应用于工业设备、晒图机械、烘干机械、塑料机械、 民用机械及地下设施等场所的冷却、控温和通风等方面，是一种理想的新型通 风机。t j ! ：i 1 1 m 1 1 ，12 风机联合运行的意义及现状 随着科学技术的不断发展，人们对j x l 机的要求也越，柬越高。近些年来，风 帆的发展趋势表现为大容量、高转速、高效率、低噪音及自动化等方面。由于 各生产部门对j x t j 的使用要求千差万别而单风机的流量、压力不可能无止境 的增加当单机不能提供所需的压力、流量时，风机的联合运行就成为必要。 m 机的联合运行不同于单个m 机的简单叠加如果参数选择合理，可以达 到预期目的，否则不仅达不到理想效果，甚至会使其中台风机成为系统的负 第币 概迓 第一章概述 11风机联合运行的研究意义及现状 1 1 风机的分类及应用 风机足输送气体的流体机械，它在国民经济各部f j 中得到十分广泛的应 用，是许多部门必不可少的机械设备。目前国内的通风机基本上都有系列产品 供使用部门选用。 胍机的分类方法多种多样，按气流运动方向一般可分为离一c , j x t 机、轴流砒 机、横流肛l 机和混流风机等。其中，离一l i , j x t 机是一种借助叶轮带动气体旋转时 产生的离心力把能量传递给气体的机械，具有效率高、流量大、输出流量均匀、 结构简单、操作方便、噪音小等优点，是目前我国用得最多的风机类型。横流 眦机诞生丁十九世纪九十年代，其工作原理与离心风机不同，气体沿风机径向 进入，由风机叶轮转动对其做功，使其获得能量后沿径向方向从出口排出。该 类m 机的优点是：压力系数高，流量系数大，进出口截面为矩形，排气气流沿 宽度方向分布均匀且呈层流式具有喷射性。浚类型的风机开始仅用于矿井的 通j x ：。二战后，人们先后对这一风机进彳亍了广泛的实验研究，探讨了各种结构 和运动参数对风机性能的影响规律，提m 了不少新的理论和见解，使其在工业 设备和民用电器及农业机械中得到了推广应用，并显示了该风机的优越性和生 命力。目前横流风机被广泛应用于t , l k 设备、晒图机械、烘干机械、塑料机械、 民用机械及地下设施等场所的冷却、控温和通风等方面，是种理想的新型通 眦机。j ：? ”9 1 12 风机联台运行的意义及现状 随着科学技术的不断发展，人们对风机的要求也越来越高。近些年来，风 机的发展趋势表现勾大容量、高转速、高效率、低噪音及自动化等方面。由于 各生，。部、。j 对m 机的使用要求千差万别，而单j x l 机的流量、n 三力不口，能无止境 的增加，当单机不能提供所需的压力、流量时，风机的联合运行就成为必要。 风机的联合运行不同于单个m 机的简单叠加，如果参数选择合理，可以达 到预划目的，否则不仅达不到理想效果甚至会使其中台风机成为系统的负 到预期目的，否则不仅达不到理想效果，甚至会使其中一台j x l 机成为系统的负 第一辛概选 拔。1 ，| ：实际虚用中，由于m 机的运行离1 ：丌管川系统对于一i 同的应用场台， 骨f t q 待，陀曲线变化范围很大。肖m 机与管网组成系统后其性能往往会受到诸 多u ；1 袭的影响。因此，对风机联合使用的研究有着很重要的意义。 眦机的联合工作有同类风机联合工作和异类胍机联合工作两种。目前我 吲对胍机的联合使用已做了大量的研究，取得了很多重要的成果。从现有的资 料看，对风机联合工作的研究多局限于同类风机，且不够深入，而埘异类胍机 联合工作的研究甚少。然而，由于不问风机有其各自的结构和工作特点，在诸 多场合要求异类风机能够联合使用，以充分发挥不同风机的优势、克服自身的 缺陷。但出于缺乏理论指导，增大了j x i 机联合工作参数确定的盲目性。例如， 为了提高清选性能，在谷物联合收割机的很多机型中均采用了异类风机( 如离 一e l , 风机和横流胍机) 系统，却往往达不到理想的效果。可见，研究异类风机联 合工作时的性能及最佳匹配具有一定的现实意义。 1 2 本研究的内容及方法 1 2 1 本研究的主要内容 本研究以横流肚l 机和离心风机为试验风机，测试了横流风机与离一c , j x l 机在 不同组合( 离心一横流和横流一离心) 下串联工作时的临界点，绘制了横流风 机与离心风机串联临界曲线，找出了临界曲线的一般规律，为横流风机与离心 风机串联运行时的参数选择提供了理论依据。在此基础上又进行了大量的异类 风机串联排气试验，弄清了总排气性能与单机排气性能的关系，风机串联临界 点和风机在串联时的前后位置对总排气性能的影响，对横流风机和离心风机的 串联使用具有重要的指导意义。 两风机的串联特性包括排气特性和吸气特性两种由于时间问题，本课题 目i i 只对两风机的串联特性中的排气性能进行了试验，其工作内容包括： 1 按国家标准设计制造试验用风机性能试验台： 2 ，测试离一山风机和横流风机单机在6 8 种不同转速下的性能参数，绘制 其性能曲线，验证风机的相似原理，为两风机的串联运行奠定基础。 3 洲试离心胍机与横流风机在三种不同转速下的临界点，绘制其串联临界 曲线：研究串联临界曲线的一般规律，比较两风机串联的前后位置不同时其串 联j 临界曲线的关系； q 绘制离一l l , j x l 机与横流风机在不同组合下的总排气性能曲线，研究两风机 串联后总的排气全i _ 叵、流量、功率、效率与j & 十j l 单独运行时排气全压、流量、 瓣一章概述 功率、效率的关系，并分析串联i 临界点对串联排气性能的影响。 1 22 本课题的研究方法与步骤 术课题的研究方法与步骤是： 1 以压力、流量、功率、效率为检测项目，测试离，t 3j _ l 机和横流胍机在 单机运行时的排气性能，绘制其工作性能曲线，验证相似定理： 2 以压力、流量、功率、效率为检测项目，采用改变离心风机和横流风 机的不同转速匹配，以及改变离心风机和横流风机在串联中的前后位置、不同 的管路阻力，来测试串联总排气性能，绘制流量一全压、流量一功率、流量一 效率曲线，并与两风机单独工作性能曲线及理论串联总排气性能曲线作比较， 找出规律； 3 ，以压力、流量为检测项目，采用固定串联后一级风机的转速，调节前 级胍机转速的方法，测试串联总的排气压力、流量与后级风机的压力、流量相 比较，确定两风机串联临界点，绘制临界曲线，找出其般规律。 123 测试项目 本试验主要的测试项目有：全压( p a ) 、动压( p a ) 、功率( k w ) 和转速( r m in ) 。 每种转速下均测取九个工况点( 节流装置在全闭至全开问有九个位置) 的数据， 每一个工况点均丑录九个数据( 即测量截面的所有测点) ，计算其平均值即是 该工况点的数据。 124 计算方法 动压：尸，：9 8 。f 奠型芷尘业2 ( p a ) fl i玎i 静压据风机试验标准，有以下计算公式： 动：p ：9 8 。呈i 墨! ! 垒垒! 墨! )(pa 聆 全压：尸= 尸，+ p ， ( p a ) 风速：u = 4 0 4 厄d ( m s ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 第一常 概进 n = 9 流垃：9 = f u 3 6 0 ( m h ) 设率：叩= 等圳o ( 1 5 ) ( 卜6 ) 其中丹，尸二，凡为风管同一截面不同测点位置的动压，单位为m m h l 0 p ，凡，p 。为风管同一截面不同测点位置的静压，单位为m m h 二0 ，n = 9 ，为风机管道截面面积，单位为m j ； 、为撤机轴功率，单位为k w 。：_ j 1 2 5 相关理论 流体相似原理在风机的试验研究中、相似设计、性能换算等方面应用很广。 其中酊两种主要是根据风机模型，应用相似定律，进行新产品的研制或系列产 品的丁r 发。性能转换主要是用于同- - j & 机在转速或输送流体密度变化时，计算 其性能参数的变化，以及在相似风机之间，在相似工况下进行性能参数的换算 等方面。”l 流体相似理论包括几何相似、动力相似和运动相似三方面。 l2 51 几何相似 几何相似是指两气( 液) 流所存在的、两几何系统对应的一切几何量成比 例、对应角度相等。两台通风机的叶轮的几何相似包括： 1 对应的几何尺寸成比例，即： 一d i ：堕：生：垒：垒：a ：。， j 9 ，d ，b b ， 式叫j 鲁= 鲁- a 鸹电2 k 一一 一，3百一百一q 一7 口、口、b 。、b ，、实物通风机叶轮入口直径、出口 直径、叶道入口宽度、叶道出口 宽度、某点表面绝对粗糙度； 臼7 、躔、b ，7 、岛、4 与实物叶轮对应的模型叶轮入口 第一章 概述 直径、出口直径、叶道入口宽度、 叶道出口宽度、某点表面绝对粗 糙度； 属、属实物叶轮入口处截面面积、出口 处截面面积； 爿，、47 与实物叶轮对应的模型叶轮入口 处截面面积、出口处截面面积； k 、k 实物叶轮入口处空间大小、出口处 空间大小： k 、“与实物叶轮对应的模型叶轮入口 处空间大小、出口处空间大小； n 、c a 、凸几何相似常数： 2 对应角度相等，即； p t = j b 。，p ：= p ：，p 。= p 式中口，、口，、卢实物叶轮叶片入口角、出口角、某处叶片 角； 卢，7 、卢，7 、卢与实物叶轮对应的模型叶轮叶片入口角、 出口角、某处叶片角。 1 2 5 2 动力相似 动力相似是指几何相似系统中，两气( 液) 流对应当上的同名力成比例。 两台保持几何相似的通风机之动力相似包括： 1 两气流对应点上的同名力成比例：即 丘：量：人：。， l ： i 式中一、 、厂实物叶轮叶道入口处、出口处、叶道内某处流体质 点所受到的外力( 压力、粘性力、重力) 及惯性力； ；、 、，与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入口处、出i z l 处、叶道内某处流体质点所受到的外力( 压力、粘 性力、重力) 及惯性力； o ，动力相似系数。 第一章慨述 2 两气流对应点上的密度、动力粘性系数成比例，即 旦= 盟= 旦= 人= c 。 p i , 0 2p 盟：丝：竺：a ：c ， l , u 2 。 式中p 、p ：、p 实物叶轮叶道a n 处、出口处、叶道内某处流体质 点的密度； n 、n 、p 与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入口处、出 口处、叶道内某处流体质点的密度： 、p ：、t 实物叶轮叶道入口处、出口处、叶道内某处流体 质点的动力粘性系数； 、1 ：、与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入口处、出 口处、叶道内某处流体质点的动力粘性系数； c 。密度相似系数。如果实物与模型叶轮内为同一种流 体，p = p 时，则c 。= 1 ； f 。动力粘性系数相似系数。如果实物与模型叶轮内为 同一种流体，u = 时，则“= l ； 如果实物叶轮内的流体为不可压缩的，则p 。= p ：= a = p ；同样 p l = p 2 = 人= p 。 如果实物叶轮内的流体为不可压缩的，温度不发生变化时，则 t i = 2 = 人= ；同样u 1 = t 2 = a = t 。 1 2 5 _ 3 运动相似 满足几何相似、动力相似时，则两气流运动必然相似。运动相似包括： l _ 两气流对应点的速度图相似、速度方向相同、速度图上的对应角度相等， 即： ， o t i = 口i ；c t 22 9 2 ；口= o r 。 式中 u 、“、( - 0 。、u 实物叶轮叶道入口处绝对速度、周向速度、相 乇 l l 一u i i a l l 一一 ，生q 一一 i il l = 箱一章概述 对速度、叶道内某点的绝对速度； u ，、。、甜i 、u ，与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道出口处绝对 速度、周向速度、相对速度、叶道内某点的绝 对速度： 口。、口，、口实物叶轮叶道入口处、出口处、叶道内某处气流 绝对速度、与周向速度之间的夹角： 口、口，、口与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入1 3 处、出 口处、叶道内某处气流绝对速度、与周向速度之 间的夹角； c 。速度相似系数。 2 两气流对应点的加速度成比例、加速度方向相等，即： 兰l ：垒：a ：竺：c 口j仃2 d “ 口、口，、玎实物叶轮叶道入口处、出口处、叶道内某处气流 之加速度； d 。、口，、n 与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入1 3 处、出 口处、叶道内某处气流之加速度； f 。加速度相似系数。 3 两气流质点走过对应的距离成比例、对应的时间成比例，即： 等= 妻i = a = 等= c ，； i ：2 ：a ：。 ，i ，、 ， “，、f 实物叶轮叶道入口处、出1 3 处、叶道内某处气流 质点走完一段路程f l 、o ，所需的时间； ，、 、f 与实物叶轮叶道对应的模型叶轮叶道入口处、出 口处、叶道内某处气流质点走完一段路程，、，：、 ，所需的时间； c ，几何相似常数。 c 时问相似常数。 实物与模型通风机的固定流道也保持动力相似及运动相似。 上述各相似常数之间的关系为： = 拿；c 。= 乌。 c f0 ， 第一常 概述 以上不考虑热相似。! 。 1 3 本研究的实验设备 1 3 1 试验台的组成及特点 本课题所用的风机试验台是按照g b 1 2 3 6 2 0 0 0 工业通风机用标准化风道 进行性能试验的排气试验法设计制造的。如图1 1 所示。该试验台主要由 串联前级风机、串联后级风机、气流管道、支架、动力小车及相关的测试仪器 等组成。其中，两指示板的位置是测试压力的毕托管的安装位置此两位嚣按 气流方向分别称为第- - n 量截面( 该截面距串联前级风机出口截面1 0 5 0 m m ) 和 第二测量截面( 该截面距串联后级风机出口截面2 8 5 0 m m ) 。该试验台的主要特 点有： 1 该试验台既可以作为离心、横流、轴流三种风机的单机性能试验用试验 图1 1 风机串联试验台 一串联前级风机：2 一稳流管：3 一串联后级风机：4 一整流栅：5 一排气管；5 - 毕托管指示扳 7 一节流装置；8 一排气装置支架i ：9 一排气管支架i i ：1 0 一风机支架i ；1 1 一稳流管支架i 1 2 一稳流管支架1 i ；1 3 风机支架1 1 ；1 4 一动力小车 台，还可以作为三种风机之间不同组合的串联工作性能试验用试验台： 2 试验管道均为边长为3 0 0 r n m 的正方形截面，按等效截面法确定9 个测量 点，共分为三层，每层有三个测量点，由各测量点所测的动压，即可求出该截 面内的平均动压和流量。 3 风机气流管道的阻力大小是通过调节风管末端的节流装置的位置实现 第一带概述 的。因而，可方便地调节风机在同一转速下运行的工况点； 4 为了保证该试验台的通用性气流管道采用分段式管道，j x l 机进、出1 3 与管道之问的连接采用小过渡管连接，因而该试验台的安装、调试、移动都很 方便； 5 两测量面与其对应的风机之间均安装一整流栅，使气流均匀稳定： 6 测试j x l 机全压及动压的毕托管安装定位方便可靠； 7 风机及风管支架的高度可以通过地脚螺栓来调节，其调节范围在o l o o m m 之间； 8 动力小车将电机、转速转矩传感器和传动系统于一体，为烈机提供动力， 方便可靠。 1 3 2 试验用测试仪器 风机性能测试项目包括j ) ( i 机的全压、动压、风量、豇l 机转速、功率及效率 共六项。 试验采用中8x7 8 0 r a m 毕托管和y y t - 2 0 0 b 斜管压力计测量全压、动压；用 d m 6 2 3 4 p 型电子数字转速表测转速，并用北京三晶j n ：3 3 8 型智能数字式转矩转 速测量仪测量风机的功率、扭矩，同时监测转速。风机的转速通过变频器调节 调速电机实现无级变速。 1 3 3 试验相关设备的选择及改进 1 3 3 1 风机的选择 通风机的选择原则为：不同类型的风机在额定转速下的最大流量应相近， 风机的进出1 3 面积之比在0 9 5 1 0 7 之间。 1 们 l _ 离心风机的选择“1 离心式通风机的选择计算方法有下列三种：按无因此性能曲线的选择计算； 按有因此性能曲线的选择计算；按通风机性能表直接选择通风机。下面简要介 绍一下前两种选择风机的计算方法： 己知通风机的最大阻力只。、最小阻力只。和所需的通胍量矶 ( 1 ) 无因此性能曲线的选择计算方法 确定通j x l 机的叶轮外径吼 9 第一章概述 根掀繇蛔2 轰棚得 把上式代入同j x l 机压力系数：三中，得： p u ； 则d 2 = 1 1 3 1 上式中p 、q 通风机额定工作点的压力系数、流量系数，即效率最高 点的压力系数、流量系数，可由通风机无因此性能曲 线上找到； j d 平均压力，p = 妻( ，+ 只。) 。 公式卜l 中的气体密度p = 1 2 k g m 1 。公式l i 就是选择离心式通风机 时计算叶轮外径d 。的公式。按公式l 一1 计算所得的d ：值作为选择通风机机号 的根据。例如4 - - 7 2 型离心通风机的机号有：n 0 5 ；6 ；8 ；1 0 ；1 2 ；2 0 。相应 这些机号的叶轮外径d ：为：0 5 ；0 6 ；0 8 ：1 0 ：1 2 ；2 0 米。 确定通风机的转速并校核通风机的流量 因为通风机叶轮周速址为：“：= 1 z r d 矿n 。而= 去，故 b u j 伽； = 等= 后，故一= 罢居= ”，击层( r m i n ) 又因百2 去 q - 蚕净z 2 酉；噬等， o 二qq 噬 一丌一4 i l 堕 蟹m = 筘一审溉述 故：q = 0 0 4 0 7 l g d ； m s 当通风机最大转速风、相应于最大阻力只。、时，则 矿n ，去悟响i n 相应于最大转速，时的通风机流量繇。为 q m 。、= o 0 4 0 7 q d 3 n m 3 s 如果不能满足、0 时，则可以在增加周速u ：，也就是提高通风机的转速 或另选机号。当最大转速为n m a x 时，应校核叶轮的强度是否允许。 当通风机最小转速。相应于最小阻力只。时，则 。如，击唐响i n 相应于最小转速风。时通风机流量最。为 要求醌，。p 选择电动机 绋。= 0 0 4 0 7 q d ；n m 。m s 当阻力最大时所需电动机的功率心。为： 2 丽e m a x o m a x kw(i-2) 式中口通风机最大内部效率； 町。通风机外部机械效率： _ f 7 。传动效率，如为三角皮带传动，则，7 。= 0 9 5 ：如果直接 连接，则刁。= 1 0 。 目。叮。= 目为通风机效率，可选通风机无因此性能曲线图上的最高效率值， 即日= 1 7 。当通风机无因此性能曲线上所示的效率曲线为f 7 = c q ) 时。 第一章概述 当阻力最小时所需电动机功率 。为： m f 丽p m u q m i n kw(1-3) 根据公式1 - - 2 、1 3 计算结果，按功率大者选择电动机。这样在最大阻力 只。、及最小阻力只。时都可用所选的这台电动机。如果选两台电动机时，第一台 按下式选择： ：丝些型mk w 2 而第二台电动机则按最大功率他。来选择。先购买第一台电动机。当第一台 电动机功率不够时，在购买第二台电动机来代替第一台电动机。 电动机转速选定后，然后确定传动比，配置皮带和皮带轮。 ( 2 ) 按通风机有因此性能曲线的选择计算方法 首先根据已知条件选定机号及转速，并确定所选通风机性能曲线。 然后求出管道性能曲线，并把管道性能曲线绘在所选的通风机性能曲线图 上。 确定管道常数r 为： 。争 寺 确定管道性能曲线为： p = r m m q 2 ( 1 - 4 ) p = 心。、q 2 ( 卜5 ) 把管道性能曲线( 1 - - 4 ) 、( 1 5 ) 用描点作图法画在通风机性能曲线图上。 确定通风机工作点 根据所需的风量以作一垂直线与两条管道性能曲线尼l 。凡。的交点，便是 所求的通风机工作点。 确定叶片安装角度 根掘两工作点来确定叶片安装角度。 校核通风机工作点的压力 第幸概述 选定叶片安装角度后，重新确定新工作点，然后校核通风机的压力。通风 机工作点的压力应满足以下条件： 只只，。 只只 电动机轴功率按下式计算： ：- 墨生 1 1 0 2 q l 巩 、：兰生k w 1 0 2 q 2 r , ， 式中，7 。、 f 71 通风机在两工作点处运行时的效率； j 7 传动效率。 由于本试验台为异类风机串联试验台。要求能满足不同类型的风机串联之 闯的不同组合。因此，在确定离心风机与横流风机型号时必须考虑它们之间各 参数的匹配。根据市场调研决定实验用离心风机直接从市场上购买。其参考型 号为： 1 1l - - 6 2 - - an o 4 低噪声离心风机额定转速n = 9 6 0 r m i n 时最大流量 q = 6 0 0 0 m 1 h ，全压p = 5 4 0 p a ，出风口尺寸宽a = 3 9 6 m m ，高b = 3 4 0 m m ，出风口面 积s = 0 1 3 j 1 9 6 6 m 2 ： 2 4 7 2n o 4 a 离心风机额定转速n = 1 4 5 0 r m i n 时最大流量q = 3 7 0 9 一h ， 全压p = 3 2 9 p a ，出风口尺寸宽a = 2 8 0 m m ，高b = 3 2 0 m m ，出风口面积s = o 0 8 9 6 m 2 ： 3 4 - 7 2n o 3 2 a离心风机额定转速n = 1 4 5 0 r m i n 时最大流量q = 1 7 j 8m l h ，全压p = 3 2 9 p a ，出风口尺寸宽a = 2 2 4 m ，高b = 2 5 6 m m ，出风口面积s = 0 1 3 5 1 9 6 6 m 2 。 综合考虑风管的尺寸不能太小，最终把离心风机的型号定为离心风机4 7 2x o 4 。 2 对离心胍机的改造 由于本研究不仅要进行离心风机的单机性能试验，而且要进行离，c 、胍机与 横流风机串联运行性能试验，因而需要将离心风机安装在支架上，同时风机的 转速也要求能够实现无级调速，故还要对所选风机进行一定的改造。 第一章概述 试验中主要对所选风机的安装支架和动力输入系统进行了改 造，重新设计了风机转轴及固定安装支架，由原来的a 型改为c 型传动，、。- ” 由动力小车提供动力( 如图1 l 所示) 。动力小车上的调速电机通过变频器调 节，因而可方便、平稳地在风机转速范围内实现风机的无级调速。改造后的离 心胍机示意图如图l 一2 所示。 】23456 图1 2 一轴承；2 一风机轴：3 一风机小支架：4 一皮带轮；5 一机壳；6 一叫轮 13 3 3 横流风机的设计 根据市场调研情况可知，目前市场上所用的横流风机多为空调用风机，其 特点是半径较小，宽度较大，与实验用风机的型号不太相符，因而决定自行设 计实验用横流风机。 1 设计方法“1 通风机相似设计在通风机设计中广泛应用。通风机相似设计时首先应具有 通风机模型的性能参数( 性能曲线) 以及模型的几何参数。 已知条件：通风机额定工作点的压力尸i 通风机额定工作点的流量n 通风 机额定转速1 7 。 相似设计方法： 1 ) 通风机叶轮外径盘 根据公式垡：旦鍪可求得皿为： dd ? ” 0 2 摆d 2 第一帝概述 式中p 、门。、伤分别为模型通风机额定工作点的流量、额定转速、叶轮 外径。 2 ) 尺寸比例系数c 。按下式确定 3 ) 确定通风机几何尺寸按下式计算 ，：! q 式中，、分别为模型与实物通风机的对应几何尺寸。 模型与实物通风机对应角度相等。 4 ) 通风机内部功率 i 按下式计算： 肾鱼錾n | p d tn s 式中p 、p 分别为模型、实物通风机中的气体密度：麒7 为模型通风机额定 工作点的内部功率。 5 ) 通风机内部效率叮与模型通风机内部效率盯。相等，即： f 7 = 刀， 式中目。刀分别为模型与实物通风机额定工作点的内部效率。 2 参数确定 在进行横流风机的参数确定时，我们参考一些兄弟单位的横流风机模型， 通过与离心j x i 机的风量匹配的计算，考虑其外形尺寸的配合，确定了横流风机 的基本参数如表l 一1 所示。 横流风机n = 1 4 5 0 时的最大风量为( 流量系数为g = o 6 ) ： q = gx 吼b u 2 x 3 6 0 0 = 百d 2 x b x 警3 6 0 0 i l q 第一幸_ | l 【述 o 6 0 2 8 0 3 ! ：! ! ! ! ：! ! ! ! ! ! ! 3 6 0 0 6 0 通过计算可知，所设计的横流风机与所选离心风机各参数f 好匹配，为了 实现横流风机的入口与测试风管连接，将其入口设计为边长为3 0 0 m m 的正方形， 其结构示意图如图l 一3 街示。 ( a ) 叶轮 ( b ) 叶片 图1 3 试验用横流风机的结构示意图 1 4 试验台主要零部件的设计 1 4 1 试验台风管 41 1 当量直径 圆管是风管最常用的断面形式，但工程上也常用到非圆管的情况，如通j x l 系统中的风管有许多是矩形的。如果设法把非圆管折合成圆管来计算，那么根 据圆管判定的公式或图表也就适用于非凰管了。这种由非圆管折合到圆管的方 法是从水力半径的概念出发，通过建立非圆管的当量直径来实现的。 水力半径r 定义为过流断面面积a 和湿周z 之比，即 笫一章概述 r ：一a ( 1 6 ) z 这罩所说的湿周是指过流断面上流体和固体壁面接触的周界，过流断面面 积a 和湿周z 是过流断面中影响沿程损失的两个主要因素。在紊流中，由于断 面上的流速变化主要集中在邻近管壁的流层内，机械能转化为热能的沿程损失 主要集中在这旱。因此，流体所接触的壁面大小，即湿周z 的大小，是影响能 量损失的主要外因条件。若两种不同的断面形式具有相同的湿周z ，相同的平 均流速，则过流断面面积a 越大，通过流体的数量就越多，因而单位重量流体 的能量损失就越小。所以，沿程损失h ，和水力半径r 成反比，水力半径r 是一 个基本上能反映过流断面大小、形状对沿程损失综合影响的物理量。 圆管的水力半径为：月= 导= 嘉= 鲁y斗刀坷 斗 边长为a 和b 的矩形断面的水力半径为：r = z , 4 = 2 。a 两b 则边长为a 的f 方形断面的水力半径为：r a 旦 z 4 令非圆管的水力半径r 和圆管的水力半径罢相等，即得当量直径的计算公 式矗= 4 r ，即当量直径为水力半径的4 倍。 因此，矩形管的当量直径为：d 。：兰粤 ( 卜7 ) a + d f 方形的当量直径为：d 。= a ( 1 8 ) 1 4 。1 2 风管 管网主要包括实验台风管、整流栅、测量指示板及节流装置。其中风管又 分为稳流管、排气管和过渡管。 稳流管是指串联前级风机与串联后级风机之间的风管，为4 5 个当量直径， 本试验台为1 3 5 0 m m 。为了便于整流栅的安装及风管的加工，将稳流管设计成三 段，如图1 4 所示( 图中1 、3 、4 所示分别为第一、二、三段稳流管) 。每段 长度均为4 5 0 m m ( 1 5 d ，) ，第一段稳流管术端装有一整流栅( 图l 一4 中2 所示) ， 测量截面设计在第三段稳流管上，距风机出口的距离为1 0 5 0 m m 。 排气管是指与串联后级风机出口相连的风管，即串联风机的公共排气管， 第一章概述 l 。，、。f 一 1 | 罾 ， 、年一夕 i | 酵 ；l ，) 川 f l 一n f lt p 1 一 j5 0c 1 5 d e 一 1 ，s4 图1 4 稳流管 按照g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 工业通风机用标准化风道进行性能试验规定排气管总 长大于等于1 0 个当量直径。本试验台的排气管道取l o 5 个当量直径长，即 3 1 5 0 m m 。同样设计为三段，每段长度均为1 0 5 0 r a m ( 3 5 d ) ，第一段排气管末端 装有一整流栅，距离串联后级风机出口为1 0 5 0 m m ，第三段排气管道上设计有测 量截面，距风机出口的距离为2 5 5 0 m m ( 8 5 d ，) 。如图l 一5 所示( 图中l 、3 、 4 所示分别为第一、二、三段排气管，2 所示为整流栅) 。 a 机蛙菠管 瓣量赣青堇垫羹星 一一一一 l 9 9 1 日5 0 3 5 d e l 图1 5 排气管 由于横流风机的进、排气口，离一i l , n , 机的出口均为长方形，为了便于j x l 机 与管道的连接以及毕托管的固定、安装，我们把风机的稳流管、排气管设计成 3 0 0 3 0 0 的正方形，其当量直径d = 3 0 0 m m 。稳流管和排气管均采用过渡管与风 机进出口相连，过渡管的长度定为一个当量直径，即3 0 0 m m 。 第一帝 概述 142 整流栅 整流栅的作用是使从风机出来的气流稳定、均匀，防止涡流产生。对于标 准风管的整流栅每个防涡装置具有一套等距的( 方格、六角形等) 的横截面， 每个格宽w 、长l 、叶片厚度e 应满足以下关系( 其中当量直径d ，= 3 0 0 r a m ) ： w = o 0 7 5 d 。= o 0 7 5 3 0 0 = 2 25 m m l 2 0 4 5d 。= 0 4 5 3 0 0 = 1 3 5 m m e o 0 0 5 屯2 0 0 0 5 3 0 0 2 1 5 m m 本试验台整流栅的结构参数为：w = 2 2 5 m m ，l = 1 3 5 m m ，e - 1 2 m m ，共分 1 3 1 3 = 1 3 9 目，如图1 6 所示。 i i 】 l l i 蛇 l c u i c u i 釜 l 一 i 11 l 1 4 3 测量指示板 图1 6 整流棚示意图 1 4 - 3 1 测点位置及数量 对于矩形管到应将测点截面划分为若干相等的小截面，再在每个小截面的 中心测量，每一小截面的面积不得大于o 0 5 m 2 ，每个测量截面所划分的小截面 不可少于9 个。由于正方形管道的当量直径d e = 口( 其中a 为正方形管道的边 长) ，本试验台所用的管道为边长为3 0 0 m m 的正方形管道，故其当量直径 d ，= 3 0 0 m m ，若把j 下方形测点截面划分为9 个相等的小截面，则每个小截面的 面积s 为： s ：3 0 0 3 0 0 1 0 ：0 0 1 ( m 2 ) 33 第一章概述 该面积满足风机标准规定的最少测点数及每一小截面的面积不大于 o , 0 5 m 2 。因此，试验中把测点截面划分为9 个相等的小截面，每个小截面的面 积为o o l m 2 ，每个小截面的中心为测点的位置，测点的位置分布如图1 7 所 示。 3 0 0 o o n 图1 7 截面测点分布图 1 4 3 2 测量指示板 测量指示板的功能有两个：一是指示测量截面的各测点的位置：二是固定 a 图1 8 测量指示板示意图 支架：2 一风管：3 一背扳；4 一毕托管 5 一蝶形螺母 2 0 鹅一章概述 毕托管，实现毕托管在指示板的各个测点上方便、准确、可靠的定位和测量 一方面由于测管的测量截面是其内部空间，只能通过外部的测量指示板来 显示截面上各测点的位置：另一方面由于毕托管是圆形截面，安装、定位都不 方便，如果测量指示板设计不合理，很难调整毕托管的头部与j x l 管内气流的方 向完全一致，本试验采用一个半圆形扣，一次将毕托管的方向及位置确定好， 并固定在一个刻有v 型槽的背板上，再用一个蝶形螺母将背板固定在测量指示 板的测量孔上，则背板在测量孔上的位置即是毕托管在风管测量截面上的测孑l 位置。测量指示板固定在风管测量孑l 上方如图l 一8 所示。( 图中的箭头方向为 风管中气流流动的方向) 。 1 44 节流装置 节流装置如图l 一9 所示，其主 要作用是通过改变排气管的阻力， 从而改变j x l 机运行的工况点。本试 验台的节流装置主要是一个锥形堵 口，两边带有挂耳，可以在滑轨上 来回移动，挂耳侧面装有螺栓，每 固定一个位置后用螺栓侧向定位， 防止堵口在滑轨上滑动。 1 4 5 管网支架 管网支架包括风机支架和风管 图1 9 节流装置示意图 支架两部分。该部分设计总体思路 是：采用分段式，尽可能通用，或者更换部分零部件达到通用，且支架的高度 可以调节。本试验台每段管网支架均采用4 0 x 4 0 的角钢焊接而成，其地脚用 四个m 2 0 x1 2 0 的大螺栓支撑，支架的高度可以在0 1 0 0 n l r n 的范围内调节， 以此来克服园地面不平带来的安装问题。 146 动力小车 动力小车由型号为y t s p 9 0 l 4 1 5 k w 变频调速三相异步电动机、j n 3 3 8 型 智能数字式转矩转速传感器及传动系统组成，与试验台整体分离，为风机提供 第一乖概述 动力。方便可靠。动力小车装有三个地轮，三个带螺杆的可调支脚。当动力小 车需要固定时，调整螺杆使可调支脚着地、地轮悬空；当需要移动小车时，可 让地轮着地、可调支脚悬空，移动方便、省力。动力小车上的调速电机与变频 器相连，通过调节变频器的频率可改变调速电机的转速，从而改变风机的转速。 动力小车示意图如图l 一1 0 所示。 ， 图1 1 0 动力小车 训速l u 机：2 一轴承；3 一皮带轮；4 一转矩转速传感器：5 一支架；6 一地轮；7 一町调支脚 第一二章甲村l 性能试验 2 1 单机工作原理 2 1 1 离心风机工作原理 第= 章单机性能试验 离心胍机主要由叶轮、机壳、机轴和吸入口等组成。机壳内的叶轮装在由 电动机或其他转动装置带动的传动轴上。叶轮内有些弯曲的叶片，叶片问形成 气体通道，进搬口安装在靠近机壳中心处，出风口同机壳的周边相切。当电动 机等原动机带动叶轮转动时，迫使叶轮中叶片之间的气体跟着旋转，因而产生 图2 1 离心风机工作原理示意图 了离一0 力。处在叶片通道内的气体在离心力的作用下，从叶轮的周边甩出，以 较高的速度离开叶轮，动能和势能都有所提高后进入机壳沿机壳运动，并汇集 于叶轮周围的流道中，然后沿流道流出风口，向外排出( 如图2 1 所示，图 中箭头方向为气流流动方向。) 。当叶轮中的气体甩离叶轮时，在进风口处产生