风机基本知识和基本理论

1、1.1通风机的基础知识1. 1.1.1通风机的主要性通风机的基础知识和基本理论能参数流量、压力、转速、功率、及效率是表示通风机性能的主要参数，称为通风 机的性能参数。其概念概括如下：一、流量单位时间内流经通风机的气体体积或质量，称为流量（乂称风量） 。1. 体积流量它是单位时间流经通风机的气体体积。常用单位为m3/s（米3砂）、m3/min（米 3/分）、m3/h（米3/时），分别用Qs、Qmin、Qh表示。由于气体在通风机内压力升高不 大，体积变化很小、故一般设通风机的体积流量不变。无特殊说明通风机的体积 流量是指标准状态下的体积。2. 质量流量即单位时间内流经通风机的气体质量。单位为 kg

2、/s （千克/秒）、kg/min （千 克/分）、kg/h （千克/时），分别用 Ms、M min、Mh 表小。二、压头通风机的压头是指升压（相对于大气的压力），即气体在通风机内压力的升 高值，或者说是通风机进出口处气体压力之差。 从能量观点来看压头是指单位体 积流体经过通风机所获得的能量。 它有净压、动压、全压之分。性能参数是指通 风机的全压（它等于通风机出口与进口全压之差），其单位为N/m2。三、转速通风机转子旋转速度的快慢将直接影响通风机的流量、 压力、效率。单位为 每分钟转数即rpm常用n表示。四、轴功率驱动通风机所需要的功率 N称轴功率，或者说是单位时间内传递给通风机 轴的能量。单位

3、为kW（千瓦）。五、效率通风机在把原动机的机械能传递给气体的过程中，要克服各种损失，其中只有一部分是有用功。常用效率来反映损失的大小，效率高即损失小。效率常用表小O1.1.2风机的主要无因次参数将通风机的主要性能参数：流量 Q (m3/s)、压力P (N/m2)、功率(kW)、 转速n (rpm)与通风机的特性值：叶轮外径D( m)、叶轮外圆的圆周速度u (m/s) 以及气体密度p (kg/m3)之间的关系用无因次参数来表示，它们分别是：一、压力系数P(1.1)(1.2)(1.3)-2、P = P / ( p u)二、流量系数Q- QQ =二 2 D u4三、功率系数N一 1000 NN =&

4、#39;：.2 r 3-D -u 4四、比转数ns1 / 2n s =n 3?4P1.1.3叶型的主要几何参数如下图所示：m,pb叶型中线(即叶型上下表面相切的诸圆之圆心的连线)两端点 连线之方向上的最大长度，称之为弦长。c最大厚度，即弦长法线方向的叶型最大厚度。c = c/-一叶型相对厚度f叶型中线最大弯度。f = f/b叶型相对弯度e,分别为最大厚度和最大弯度位置与前缘点m在弦长方向的距离。7.1叶型中线在前缘点 m处所作切线与叶弦之间的火角，称之为叶型 前缘方向角。叶型后缘方向角9叶型弯折角1.1.4叶栅的主要几何参数和气流参数具体参数如下图所示:t栅距，即叶栅中两相邻叶栅之间的距离。t

5、/b相对栅距，其倒数b/t称为叶栅稠度常用i表示。Pa 叶型安装角，即叶型弦线与圆周方向的火角Pia进口几何角，即叶型前缘中线切线与圆周方向的火角。舄A 出口几何角，即叶型后缘中线切线与圆周方向的火角。由图可知，叶型弯折角0 = P2A PlA °i气流进口冲角，i= Pia Pia气流出口落后角，a = &2a P2气流转折角， 耶=楫Pia 攻角，即叶型翼弦与速度Wm的火角，它是研究叶栅中孤立叶型的重要参数1.2通风机的基本理论 1.2.1基元级速度分析一一速度三角形在研究轴流通风机的流动现象时，一般只对级进行研究。级是指由由动叶和导叶组成的整体。也有只有动叶的单级叶轮的

6、级。基元级是指用两个半径差为一个单位的同心圆筒来切割风机的转子，两圆 筒之间所夹的部分就称为基元级。为了便丁研究不同半径流面上的气体流动，习惯上常把同一半径上的环形 叶栅展开成平面叶栅来研究。容易看出气流流经同一环形叶栅的所有叶片时，其流动条件是相同的。而级可以看作是由无穷多个基元级组成，因此对级的进行速 度分析只需要对基元级进行速度分析就可以了!旋转方向由图可知，在风机内部气流的绝对速度 c可以看作由丁叶轮旋转而沿圆周方向产生的牵连速度U,和气体相对叶栅的相对速度W的速度的复合.将叶栅进出口速度二角形分别圆出后相叠加就得到右图所小的基兀级速度二角形。对丁圆柱体级的基元级的流动， 气流牵连速度

7、Ui=U2=U。另外，由丁轴流式pi = p 2=p。由:通风机中的压升较小，气体的密度可以看成不变即Q=三(D2 d2)ciz=已(D2 d2)C2z 44此处，D是指截得基元级的较大圆筒的直径，d是指截得基元级的较小圆筒的直径。显然,Clz= C2z由速度三角形的几何关系可得气流的平均相对速度Wm及其方向角6w m = C2 , w：uc76m=tg 二Wmu式中WmuWm在圆周方向的投影Wmu=U_ AWu ._ Ju'Wu =W1u W2u可看出当U1 = U2 = U时,Wu =W1u W2u= ACu = C2u Clu电 或ACu称为扭速，它表征气流在叶栅中的偏绕现象。W

8、 m、6 m和ACu是通风机计算中的重要参数。1.2.2叶轮对气体做的功叶轮的理论功率 N=Ht*QHt为风机理论压头，Q为通风机的体积流量任意基元级的功率 N=Ht* Q，则N=N= E Ht* Q另, N= M* 3 得：Ht=A M* 3/ Q(*)由动量距定理：.：M = Q(C2ur2 -C1ur1)r1是指截得基元级的较大圆筒的半径，r2是指截得基元级的较小圆筒的半径。由丁 r1. r2 故 Am = P4q(c2u-九)代入(*)式得：Ht ='，r（C2u 一队）="u（C2u Gu） = "u:Cu考虑损失实际压头H =nHt=nPuCu此公式即为

9、欧拉公式1.2.3多级轴流式通风机的方案选择多级轴流通风机为24级，大多数是两级。轴流通风机具体结构方案的选择问题比较复杂，它与制造厂的情况和用户 的要求有关。一般实际工作中大多参考已有的性能良好的典型产品，并予以改进在具体方案选择时，也可大致参考风机的比转数ns或压力系数P进行。当P < 0.15或ns>32.5时，一般采用单独叶轮的级；当P = 0.150.25或ns= 20.832.5时，可以采用叶轮加后导叶的级；当P >0.25或ns= 14.520.8时，可以采用前导叶加叶轮加后导叶的级;至丁多级通风机的级数i,可以参考下式确定：P i =TP ；Ut式中Ut叶轮外

10、缘圆周速度，应根据叶片强度及噪音条件选取；P压力系数，随所采用的级的方案而定。1.2.4儒可夫斯基升力定理bc、实验证明当实际流体流过叶型时，由丁叶型表面存在着附面层，当气流绕c点流向b点时，存在剧烈的扩压，产生附面层分离，形成漩涡，称为启动涡。由 丁启动涡的产生在叶型周围便产生了一个大小相等，方向相反的环流。因此实际气流绕叶型的流动，可以看成是理想流体绕叶型的流动与叶型的纯环流流动的叠 加。叠加的结果改变了叶片表面的速度分布， 使叶型上表面的速度增加，下表面 的速度减小，因而产生了一个向上的升力。儒可夫斯基证明当密度为的气体以速度c毛流过叶型时，作用在单位长度叶型的升力为：P =建:c 二：

11、式中 r绕叶型的环量升力p的方向可以用如下方法来判定，即：把来流速度欠量的方向反着环量 r的方向旋转90 o在李庆宜主编的通风机一书中还给出了当气流流过叶栅时作用在叶栅叶 型上的升力大小的推导过程。此文仅给出推导结果：P = PWm详细推导过程见通风机一书，此处不再予以推导。1.2.5叶型和叶栅的空气动力特性当实际流体经过叶型时对叶型除了产生升力外，还会有阻力的存在所谓空气动力特性就是指升力和阻力的特性。P Py、 ¥一. W=升力和阻力通常用实验法求得。为了实验和分析方便起见，作用在单位长度 叶片上的气动力常表示为：2升力Py =Cy w：b一 -P .阻力Px =Cx w_b2&

12、quot;式中 b叶型弦长；Cy叶型升力系数；Cx叶型阻力系数；Cy和Cx是用来比较叶型好坏的标准，它们反映了同类叶型的的共同特性。 在 一定的冲角下，Cy和Cx仅与叶型参数有关。对丁一定的叶型来说， Cy和CX是冲 角a的函数。下图画出了 Cy和Cx的实验曲线。当气流流过叶栅时，与孤立土 。叶型相似，其升力和阻力可C通过实验方法表示成下列形Py = Cy Wmb2:2Px =C'x 一 Wmb 2式中 C'y和C'x 分别为叶栅叶型的升力和阻力系数;Wm来流的平均相对速度。1.2.6叶栅气动力基本方程一、不考虑叶型摩擦阻力的计算公式,4 7：Ptc'yF该式即

13、为理想不可压缩流体绕流叶栅的基本公式。式中 Pt气流获得的理论全压3叶轮的角速度z叶片数二、考虑叶型摩擦阻力的计算公式实际气体绕流叶栅时，在风机内部存在着各种损失，如摩擦损失，局部损失 和内泄漏损失等。可用全压效率来考虑它们。因此其公式为4：PC'y b='z - .wm式中P通风机全压T通风机全压效率在考虑实际气体绕流叶栅时，还可以用另一种方法加以处理得：b = 2 sin 2 队.Wy t sin（ :m，；）Wz式中t栅距6 m 气流平均相对速度的方向角£ P与Py之间的火角，它的值与叶栅效率有关，一般为 35度 Wuffl速Wz气流相对沿风机轴线方向的分量1.

14、2.7沿叶高气流参数的变化实际上，轴流通风机沿叶片高度方向上任意半径处的基元级的气体流动情况 是各不相同的。但它们之间有一定的规律，即：当气流旋绕半径有变化时，其压 力也变化，沿径向气体压力的变化应与其离心力相平衡。这种变化规律即所谓的 径向平衡条件。由此可以推导出气流沿叶高方向各基元级的速度与压力的变化关 系：1 dP 1 1 dg）2 dc2=I 2P dr 2 r drdr式中r为任意半径；Cu、Cz分别为气流绝对速度沿叶轮圆周和半径方向的分量 轴流通风机中用的最多的是气流沿叶片高度有：P=Const （常数）；cz=Const （常数）由上式可得：rcu=Const（* ）丁是气体速度

15、三角形沿叶高方向的变化完全确定。满足（* ）式的级称为等 环量级。在轴流式通风机的设计中满足（* ）式的设计称为等环量设计；满足&u"=Const的设计称为变环量设计。其中一般取a = 01。下面简单的给出等环量级的气流参数变化 ，在实际研究中通常以平均半径处 的参数为基础。一、扭速沿半径的变化mwu =1豚=rc 2u - rc1u = C o n str Lw = r Lwu m umum.'Mu式中AWum平均半径处的扭速二、气流速度沿半径的变化rc1u = Const ;c1z =Constrc2u= Const ;c1z=Const三、cy b沿半径的变化t

16、由气动力基本方程式知：cy b= 将 z=UJ 3 = 绍代入得:ZWmtDCyb 2P -=t ' Wmu1.2.8叶片设计中的环量选择通风机的叶片设计有：等环量设计和变环量设计两种设计方法。通风机设计 中采用较多的是等环量设计，但有时乂需要采用变环量设计。变环量设计的好处是能够增大叶片的强度，减小由丁叶片振动带来的噪声， 从而延长风机的寿命。但这种设计方法比较复杂。对丁设计中环量的选择可以参 照下歹0原则：当轮毂比v(= d/D)较大，叶片较短或压头较低时，可采用等环量设计；当轮毂比v(= d/D)较小，叶片很长或压头很大时，由丁按等环量设计的 叶片通常相对扭角太大，加工比较困难，性能也很难保证。这时必须采用变环量 设计。1.2.9通风机的效率由丁通风机在运行过程中不可避免的存在着各种损失，像叶型损失、二次流损失、环面损失等。这就出现了风机的效率问题。目前，国内外对丁对旋式轴流风机的效率， 只是定性的分析，然后通过实验 的方法测定