風(fēng)機(jī)基本知識(shí)和基本理論

1、1.1通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)11.1.1 通風(fēng)機(jī)的主要性通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論能參數(shù)流量、壓力、轉(zhuǎn)速、功率、及效率是表示通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)，稱為通風(fēng) 機(jī)的性能參數(shù)。其概念概括如下：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)通風(fēng)機(jī)的氣體體積或質(zhì)量，稱為流量（又稱風(fēng)量） 。 1體積流量它是單位時(shí)間流經(jīng)通風(fēng)機(jī)的氣體體積。常用單位為m3/s（米3/秒）、m3/min（米 3/分）、m3/h（米3/時(shí)）,分別用Qs、Qmin、Qh表示。由于氣體在通風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力升高不 大，體積變化很小、 故一般設(shè)通風(fēng)機(jī)的體積流量不變。 無特殊說明通風(fēng)機(jī)的體積 流量是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。2質(zhì)量流量即單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)通風(fēng)機(jī)的氣體質(zhì)量。單位為kg/s（千克/

2、秒）、kg/min （千克 /分）、 kg/h （千克 /時(shí)），分別用 M s、 M min 、 M h 表示。二、壓頭通風(fēng)機(jī)的壓頭是指升壓（相對(duì)于大氣的壓力） ，即氣體在通風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力的升 高值，或者說是通風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處氣體壓力之差。 從能量觀點(diǎn)來看壓頭是指單位體 積流體經(jīng)過通風(fēng)機(jī)所獲得的能量。 它有凈壓、 動(dòng)壓、全壓之分。 性能參數(shù)是指通 風(fēng)機(jī)的全壓（它等于通風(fēng)機(jī)出口與進(jìn)口全壓之差） ，其單位為 N/m2。三、轉(zhuǎn)速通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的快慢將直接影響通風(fēng)機(jī)的流量、 壓力、 效率。單位為 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)即 rpm 常用 n 表示。四、軸功率驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)所需要的功率 N 稱軸功率，或者說是單位時(shí)間內(nèi)傳遞給

3、通風(fēng)機(jī) 軸的能量。單位為kW（千瓦）。五、效率通風(fēng)機(jī)在把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給氣體的過程中， 要克服各種損失， 其中只 有一部分是有用功。常用效率來反映損失的大小，效率高即損失小。效率常用n表示。1.1.2風(fēng)機(jī)的主要無因次參數(shù)將通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)：流量 Q (m3/s)、壓力P (N/m2)、功率(kW)、 轉(zhuǎn)速n (rpm)與通風(fēng)機(jī)的特性值：葉輪外徑D( m)、葉輪外圓的圓周速度u (m/s) 以及氣體密度p (kg/m3)之間的關(guān)系用無因次參數(shù)來表示，它們分別是：壓力系數(shù)P 2P = P / ( p u)流量系數(shù)Q- Q Q =兀 2D u4(1.1)(1.2)功率系數(shù)N(1.3)1000

4、 N二 2 一、 D : u4四、比轉(zhuǎn)數(shù)n1 / 2_ Qns =n3/4P1.1.3葉型的主要幾何參數(shù)如下圖所示:m,pb葉型中線(即葉型上下表面相切的諸圓之圓心的連線)兩端點(diǎn) 連線之方向上的最大長(zhǎng)度，稱之為弦長(zhǎng)。c最大厚度，即弦長(zhǎng)法線方向的葉型最大厚度。c = c/b葉型相對(duì)厚度 f葉型中線最大彎度f = f/b葉型相對(duì)彎度e,分別為最大厚度和最大彎度位置與前緣點(diǎn)m在弦長(zhǎng)方向的距離。1葉型中線在前緣點(diǎn) m處所作切線與葉弦之間的夾角，稱之為葉型 前緣方向角。葉型后緣方向角9 葉型彎折角1.1.4葉柵的主要幾何參數(shù)和氣流參數(shù)具體參數(shù)如下圖所示:t柵距，即葉柵中兩相鄰葉柵之間的距離t/b相對(duì)柵距

5、，其倒數(shù)b/t稱為葉柵稠度常用T表示。J 葉型安裝角，即葉型弦線與圓周方向的夾角進(jìn)口幾何角，即葉型前緣中線切線與圓周方向的夾角打a 出口幾何角，即葉型后緣中線切線與圓周方向的夾角由圖可知，葉型彎折角9 =打A -1A。i氣流進(jìn)口沖角，i= s :iS氣流出口落后角，S = -2A -2厶：氣流轉(zhuǎn)折角，厶：=：2 Ia 攻角，即葉型翼弦與速度wm的夾角，它是研究葉柵中孤立葉型的 重要參數(shù)。1.2通風(fēng)機(jī)的基本理論1.2.1基元級(jí)速度分析一一速度三角形在研究軸流通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，一般只對(duì)級(jí)進(jìn)行研究。級(jí)是指由由動(dòng)葉和導(dǎo)葉組成的整體。也有只有動(dòng)葉的單級(jí)葉輪的級(jí)。基元級(jí)是指用兩個(gè)半徑差為一個(gè)單位的同心圓

6、筒來切割風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，兩圓 筒之間所夾的部分就稱為基元級(jí)。為了便于研究不同半徑流面上的氣體流動(dòng)，習(xí)慣上常把同一半徑上的環(huán)形 葉柵展開成平面葉柵來研究。容易看出氣流流經(jīng)同一環(huán)形葉柵的所有葉片時(shí)，其 流動(dòng)條件是相同的。而級(jí)可以看作是由無窮多個(gè)基元級(jí)組成， 因此對(duì)級(jí)的進(jìn)行速 度分析只需要對(duì)基元級(jí)進(jìn)行速度分析就可以了！由圖可知，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的絕對(duì)速度 c可以看作由于葉輪旋轉(zhuǎn)而沿圓周 方向產(chǎn)生的牽連速度u和氣體相對(duì)葉柵的相對(duì)速度 w的速度的復(fù)合.將葉柵進(jìn)出 口速度三角形分別畫出后相疊加就得到右圖所示的基元級(jí)速度三角形。對(duì)于圓柱體級(jí)的基元級(jí)的流動(dòng)， 氣流牽連速度Ui=U2=U。另外，由于軸流式 通風(fēng)機(jī)中的

7、壓升較小，氣體的密度可以看成不變即p 1 =p 2=p。由：Q= (D2 d2)C1z= (D2 d2)c2z44此處，D是指截得基元級(jí)的較大圓筒的直徑，d是指截得基元級(jí)的較小圓筒的直徑。顯然,C1z= C2z由速度三角形的幾何關(guān)系可得氣流的平均相對(duì)速度Wm及其方向角B mW m =:. c： - W：uB m=tgCzmu式中WmuWm在圓周方向的投影Wmu=U_ Wu /2_ Clu：Wu=W1u W2u可看出當(dāng)ui = u2 = u時(shí),=W1u W2u =C2u Clu-Wu或人Cu稱為扭速，它表征氣流在葉柵中的偏繞現(xiàn)象。W m、B m和 ：Cu是通風(fēng)機(jī)計(jì)算中的重要參數(shù)。1.2.2葉輪對(duì)

8、氣體做的功葉輪的理論功率 N=Ht*QHt為風(fēng)機(jī)理論壓頭，Q為通風(fēng)機(jī)的體積流量任意基元級(jí)的功率 N=Ht* Q,則N= E A N=刀Ht* Q 另，A N= A M* 3 得：Ht= A M* 3/A Q(*)由動(dòng)量距定理：；：M = Q(C2ur2 -C1ur1)ri是指截得基元級(jí)的較大圓筒的半徑，r2是指截得基元級(jí)的較小圓筒的半徑。由于ri r2故厶m = hQGu-ciu)代入(*)式得：Ht 二 Qr(C2u Ciu)二:?u(C2u Ciu)二:?u：Cu考慮損失實(shí)際壓頭H二Ht二Tuku此公式即為歐拉公式I.2.3多級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)的方案選擇多級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)為24級(jí)，大多數(shù)是兩級(jí)。軸

9、流通風(fēng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)方案的選擇問題比較復(fù)雜，它與制造廠的情況和用戶的要求有關(guān)。一般實(shí)際工作中大多參考已有的性能良好的典型產(chǎn)品，并予以改進(jìn)在具體方案選擇時(shí)，也可大致參考風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)ns或壓力系數(shù)P進(jìn)行。當(dāng)p V 0.15或ns32.5時(shí)，一般采用單獨(dú)葉輪的級(jí);當(dāng)P = 0.150.25或ns= 20.832.5時(shí)，可以采用葉輪加后導(dǎo)葉的級(jí)；當(dāng)P 0.25或ns= 14.520.8時(shí)，可以采用前導(dǎo)葉加葉輪加后導(dǎo)葉的級(jí);至于多級(jí)通風(fēng)機(jī)的級(jí)數(shù)i,可以參考下式確定：P| rpg式中ut葉輪外緣圓周速度，應(yīng)根據(jù)葉片強(qiáng)度及噪音條件選?。籶 壓力系數(shù)，隨所采用的級(jí)的方案而定。1.2.4儒可夫斯基升力定理bc七實(shí)驗(yàn)

10、證明當(dāng)實(shí)際流體流過葉型時(shí)，由于葉型表面存在著附面層，當(dāng)氣流繞c點(diǎn)流向b點(diǎn)時(shí)，存在劇烈的擴(kuò)壓，產(chǎn)生附面層分離，形成漩渦，稱為啟動(dòng)渦。由 于啟動(dòng)渦的產(chǎn)生在葉型周圍便產(chǎn)生了一個(gè)大小相等，方向相反的環(huán)流。因此實(shí)際氣流繞葉型的流動(dòng)，可以看成是理想流體繞葉型的流動(dòng)與葉型的純環(huán)流流動(dòng)的疊 加。疊加的結(jié)果改變了葉片表面的速度分布， 使葉型上表面的速度增加，下表面 的速度減小，因而產(chǎn)生了一個(gè)向上的升力。儒可夫斯基證明當(dāng)密度為 匚：的氣體 以速度C：:流過葉型時(shí)，作用在單位長(zhǎng)度葉型的升力為：P = ;?：c:;-式中 r繞葉型的環(huán)量升力P的方向可以用如下方法來判定，即：把來流速度矢量的方向反著環(huán)量 r的方向旋轉(zhuǎn)9

11、0。在李慶宜主編的通風(fēng)機(jī)一書中還給出了當(dāng)氣流流過葉柵時(shí)作用在葉柵葉 型上的升力大小的推導(dǎo)過程。此文僅給出推導(dǎo)結(jié)果：P二丨Wm式中Wm為通風(fēng)機(jī)氣流平均相對(duì)速度詳細(xì)推導(dǎo)過程見通風(fēng)機(jī)一書，此處不再予以推導(dǎo)。125葉型和葉柵的空氣動(dòng)力特性當(dāng)實(shí)際流體經(jīng)過葉型時(shí)對(duì)葉型除了產(chǎn)生升力外，還會(huì)有阻力的存在所謂空氣動(dòng)力特性就是指升力和阻力的特性。升力和阻力通常用實(shí)驗(yàn)法求得。aPx為了實(shí)驗(yàn)和分析方便起見，作用在單位長(zhǎng)度葉片上的氣動(dòng)力常表示為：升力Py =Cy wjb2p 阻力Px 二 Cx w2b2 一式中 b葉型弦長(zhǎng)；Cy 葉型升力系數(shù)；Cx 葉型阻力系數(shù)；Cy和Cx是用來比較葉型好壞的標(biāo)準(zhǔn)，它們反映了同類葉型的

12、的共同特性。 在 一定的沖角下，Cy和Cx僅與葉型參數(shù)有關(guān)。對(duì)于一定的葉型來說， Cy和Ck是沖 角a的函數(shù)。下圖畫出了 Cy和Cx的實(shí)驗(yàn)曲線。CCCC當(dāng)氣流流過葉柵時(shí)，與孤立 葉型相似，其升力和阻力可 通過實(shí)驗(yàn)方法表示成下列形 式：Py=Cy Wmb22 -Wmb式中Cy和Cx 分別為葉柵葉型的升力和阻力系數(shù);Wm來流的平均相對(duì)速度126葉柵氣動(dòng)力基本方程、不考慮葉型摩擦阻力的計(jì)算公式Cy b =4 二Pt WmZ該式即為理想不可壓縮流體繞流葉柵的基本公式。式中 Pt 氣流獲得的理論全壓3葉輪的角速度z葉片數(shù)二、考慮葉型摩擦阻力的計(jì)算公式實(shí)際氣體繞流葉柵時(shí)，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部存在著各種損失，如摩擦損

13、失，局部損失 和內(nèi)泄漏損失等。可用全壓效率來考慮它們。因此其公式為4JTPCy b= 一 Pzcow/式中P通風(fēng)機(jī)全壓n通風(fēng)機(jī)全壓效率在考慮實(shí)際氣體繞流葉柵時(shí)，還可以用另一種方法加以處理得：bCyt2 sin2 m-Wsin（；）Wz式中t柵距B m 氣流平均相對(duì)速度的方向角& P與Py之間的夾角，它的值與葉柵效率有關(guān)，一般為 35度A Wu扭速Wz氣流相對(duì)沿風(fēng)機(jī)軸線方向的分量1.2.7沿葉高氣流參數(shù)的變化實(shí)際上，軸流通風(fēng)機(jī)沿葉片高度方向上任意半徑處的基元級(jí)的氣體流動(dòng)情況是各不相同的。但它們之間有一定的規(guī)律，即:當(dāng)氣流旋繞半徑有變化時(shí)，其壓 力也變化，沿徑向氣體壓力的變化應(yīng)與其離心力相平衡。這

14、種變化規(guī)律即所謂的 徑向平衡條件。由此可以推導(dǎo)出氣流沿葉高方向各基元級(jí)的速度與壓力的變化關(guān) 系：式中r為任意半徑；Cu、Cz分別為氣流絕對(duì)速度沿葉輪圓周和半徑方向的分量軸流通風(fēng)機(jī)中用的最多的是氣流沿葉片高度有：P=Const （常數(shù)）；ez=Const （常數(shù)）由上式可得：rcu=Const （ *）于是氣體速度三角形沿葉高方向的變化完全確定。滿足（* ）式的級(jí)稱為等環(huán)量級(jí)。在軸流式通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中滿足（* ）式的設(shè)計(jì)稱為等環(huán)量設(shè)計(jì)；滿足LCu r = C o nst的設(shè)計(jì)稱為變環(huán)量設(shè)計(jì)。其中一般取a= 01。下面簡(jiǎn)單的給出等環(huán)量級(jí)的氣流參數(shù)變化，在實(shí)際研究中通常以平均半徑處的參數(shù)為基礎(chǔ)。一、扭

15、速沿半徑的變化因mwu =ricu = rc 2u - rc 1u = C o nst故rWu rrmWum7 = AWumr式中-：Wum平均半徑處的扭速二、氣流速度沿半徑的變化rc1u = Const ;c1z = C onstre 2u = Const;e1z =C onst三、Cy b沿半徑的變化t4 兀PHD2u由氣動(dòng)力基本方程式知：Cy b=將z= , 3 = 代入得:Pz 灼 wjtDb 2P1.2.8葉片設(shè)計(jì)中的環(huán)量選擇通風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)有：等環(huán)量設(shè)計(jì)和變環(huán)量設(shè)計(jì)兩種設(shè)計(jì)方法。通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 中采用較多的是等環(huán)量設(shè)計(jì)，但有時(shí)又需要采用變環(huán)量設(shè)計(jì)。變環(huán)量設(shè)計(jì)的好處是能夠增大葉片的強(qiáng)度，減小由于葉片振動(dòng)帶來的噪聲， 從而延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的壽命。但這種設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜。對(duì)于設(shè)計(jì)中環(huán)量的選擇可以參 照下列原則：當(dāng)輪轂比V (= d/D)較大，葉片較短或壓頭較低時(shí)，可采用等環(huán)量設(shè)計(jì)；當(dāng)輪轂比v(= d/D)較小，葉片很長(zhǎng)或壓頭很大時(shí)，由于按等環(huán)量設(shè)計(jì)的 葉片通常相對(duì)扭角太大，加工比較困難，性能也很難保證。這時(shí)必須采用變環(huán)量 設(shè)計(jì)。129通風(fēng)機(jī)的效率由于通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中不可避免的存在著各種損失，像葉型損失、二次流損失、環(huán)面損失等。這就出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的效率問題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的效率， 只是定性的分析，然后通過實(shí)驗(yàn) 的方法