第四章 轴流风机的设计

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《流体机械》

多媒体授课系统第4章轴流式通风机设计轴流式通风机的应用已有很长时间，但在早期由于受到工业水平和技术手段的限制，其理论和实验研究都不够深入，产品的性能也非常低下。20世纪初期，随着航空工业的迅速发展，对机翼理论进行了大量的实验研究，其研究成果极大地促进了轴流式通风机的发展。至今，孤立翼型的升力理论和实验数据，仍是轴流式通风机设计的主要依据之一。20世纪30年代以后，随着航空发动机研究的不断深入，平面叶栅实验数据成为设计轴流压缩机和高压轴流式通风机的主要依据。

4．1轴流式通风机的工作原理和概况

按照我国对通风机的分类方法，风压在490Pa以下，气体沿轴向流动的通风机称为轴流式通风机。图4．1所示为轴流式通风机的典型结构示意图，气体由集流器1流入，在叶轮2中获得能量，再流入导叶3，导叶可将一部分偏转的气流动能转变为静压能，使气流转为轴向，最后气体流经扩散筒4，将一部分轴向气流的动能转变为静压能，然后输入到管路中。

叶轮和导叶组成级。因为轴流式通风机的压强较低，一般都采用单级，低压轴流式通风机的压强在490Pa以下，高压轴流式通风机一般也在4900Pa以下。因此，与离心式通风机相比，轴流式通风机具有低压、大流量的特点。目前，单级轴流式通风机的全压效率町达90％以上，带有扩散筒的单级通风机的静压效率可达83％～85％。一般轴流式通风机的压强系数较低，ψ<0．6，而流量系数较高，ψ=0．3～0．6，单级轴流式通风机的比转速为ns=18~90(100~500)o

但是，近年来轴流式通风机已逐渐向高压方向发展，例如，目前国际上已制造出的动叶可调轴流式通风机，其全压高达14210Pa，许多大型离心式通风机有被轴流式通风机取代的趋势。沿某一半径R作叶轮及导叶剖面展开后，可得一组平面叶栅（图14－22）。叶栅的形状影响风机的流量、压力及效率，是轴流风机设计的关键。

4．1．1基元级上的速度三角形

轴流式通风机的基元级是由叶轮和导叶所组成的。一个叶轮与导叶构成一个级，多级轴流风机可提高压力，但轴流风机一般只有一级。在不同半径的圆柱面上，由于离心力不同，气流的参数是变化的，叶片沿叶高方向(径向)是扭曲的。为了研究不同半径上的流动，用一圆柱面去切开轴流式通风机的叶轮和导叶剖面，就得到圆柱面上的环形叶删，可以将其展开成不同的平面叶栅，如图4．2所示，这种一个平面动叶和导叶所组成的叶栅，称为基元级，因而级可以看成是无限多个基元级组成。对于一个基元级，可画出动叶进口1－1及出口2－2处的速度三角形（图a），因半径R相同，所以u1=u2，且C1Z=C2Z，将进出口速度三角形画到一起（b）。

与离心通风机—样，在动叶前、后也形成速度三角形，只不过在圆柱面上：u1=u2=u，C1z=C2z=Cz，ρ1=ρ2=ρ

同时β2>β1，α1>α2

对于多级轴流风机，一般要求后导叶出口的流速C3和气流角α3与叶轮前的状态相同，即C3=C1，α3=α1

可以得出气流的相对平均速度Wm及其方向角βm分别为

由图可知：

ωu=

Cu=C2u－C1u2、叶轮对气体所作的功由欧拉方程知：

Pt=ρ（u2C2u－u1C1u）因为轴流风机的基元级上，u1=u2=u，再考虑流动损失，则轴流风机的全压力为：

P=ρu

Cuη或由速度三角形（图16－32b）写成：

P=ρuCz(ctgβ1—ctgβ2)η式中Cz——气流的轴向分速由上式可见，要增加气流压力P有下列三个途径：（1）

增加叶轮圆周速度u，但它受叶片强度等条件所限制。（2）

β=β2－β1称为气流折转角。只有

β>0，才有P>0；

β愈大，则Pt愈大。但

β过大，将使效率急剧降低，一般

βmax

=40°－45°。（3）

增加Cz可增加全压P，但Cz加大后主要是流量增加及气流的动压加大，如用扩压变动压为静压，将使效率急剧下降。由上述分析可见，单级的轴流风机可以有较大流量，但增压不大，一般风机全压很少超过2150Pa。目前轴流通风机的设计方法主要有两种，一种是利用单独叶型空气动力试验所得到的数据进行设计，称为孤立叶型设计方法；另一种是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。本章主要介绍这两种设计方法，并对轴流式通风机附属部件的型式和设计方法作简单的介绍。

5．1概述

对于轴流通风机，由于叶栅稠度不大，一般b／t<1，可以把叶片当作一个个互不影响的孤立叶片而按孤立叶型法设计,即令Cv`=Cv。这种方法广泛用于低压轴流通风机的设计。

此法以B．Eck和R．AWallis的设计资料较为完整。

对于b／t>1的高压通风机，由于叶栅叶型间的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犁有较大的差别。F．Weinig提出的“干涉系数法”，引入一个干涉系数

利用图5．1查出的干涉系数K来修正孤立叶型的试验数据。此法虽未得到广泛应用，但是当叶犁的弯度和厚度不大时，用这种方法还是可以的。在高压通风机中，叫片较多，Cy与Cv`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τ>l时采用叶栅法，τ<l时采用孤立叶型法，或导叶按叶栅设计，叶轮按孤立叶型设汁。

孤立叶型法设计步骤：

(1)一般选择

C*v=(0．8~0．9)Cvmax

式中：C*y为设计工况点的升力系数；Cvmax为叶型升力系数曲线上的最大值。c*y相对应的攻角为设计工况的攻角α*(α*=8度左右)。

(2)沿叶片半径方向取5～9个断面，确定其速度三角形，各断面的攻角α从轮毂到轮缘逐渐减小。

(4)叶栅的安装角βA=βm+α*，其中，βA为叶型弦线与周向的夹角，βm为Wm与周向的夹角，α*为设计工况的攻角。

(5)选择叶片数z，求出叶栅栅