风机基本知识和基本理论.doc

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（又称风量）。
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/秒)、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/s（千克/秒）、kg/min（千克/分）、kg/h（千克/时），分别用Ms、Mmin、Mh表示。
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η表示。
1.1.2 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ρ（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 /（ρu2） (1.1)
二、 流量系数
= (1.2)
三、 功率系数
= (1.3)
四、 比转数
=n
1.1. 3叶型的主要几何参数
如下图所示：

b――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m,p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/b――叶型相对厚度。
f――叶型中线最大弯度。
＝f/b――叶型相对弯度。
e,a――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。
――叶型中线在前缘点m处所作切线与叶弦之间的夹角，称之为叶型前缘方向角。
――叶型后缘方向角。
θ――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/b――相对栅距，其倒数b/t称为叶栅稠度常用τ表示。
――叶型安装角，即叶型弦线与圆周方向的夹角。
――进口几何角，即叶型前缘中线切线与圆周方向的夹角。
――出口几何角，即叶型后缘中线切线与圆周方向的夹角。
由图可知，叶型弯折角θ＝－。
i――气流进口冲角，i= －
δ――气流出口落后角，δ=－
――气流转折角，＝－
α――攻角，即叶型翼弦与速度wm的夹角，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――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。
为了便于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！

由图可知，在风机内部气流的绝对速度c可以看作由于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.将叶栅进出口速度三角形分别画出后相叠加就得到右图所示的基元级速度三角形。
对于圆柱体级的基元级的流动，气流牵连速度u1=u2=u。另外，由于轴流式通风机中的压升较小，气体的密度可以看成不变即ρ1＝ρ2＝ρ。由：
Q=(D2－d2)c1z=(D2－d2)c2z
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, c1z= 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βm
w m =
βm=tg
式中 wmu――wm在圆周方向的投影
wmu=u－/2－c1u
=w1u－w2u
可看出当u1＝u2＝u时，
=w1u－w2u＝＝c2u－c1u
或称为扭速，它表征气流在叶栅中的偏绕现象。
w m、βm和 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*Q
Ht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 ΔN=Ht*ΔQ ,则 N=∑ΔN=∑Ht*ΔQ
另，ΔN=ΔM*ω得：Ht=ΔM*ω/ΔQ （*）
由动量距定理：
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。
由于r1≈ r2 故 代入(*)式得：

考虑损失实际压头 此公式即为欧拉公式
1.2.3多级轴流式通风机的方案选择
多级轴流通风机为2～4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或压力系数进行。
当＜0.15或ns＞32.5时，一般采用单独叶轮的级；
当＝0.15～0.25或ns＝20.8～32.5时，可以采用叶轮加后导叶的级；
当＞0.25或ns＝14.5～20.8时，可以采用前导叶加叶轮加后导叶的级；
至于多级通风机的级数i,可以参考下式确定：

式中ut――叶轮外缘圆周速度，应根据叶片强度及噪音条件选取；
――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

实验证明当实际流体流过叶型时，由于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。由于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流过叶型时，作用在单位长度叶型的升力为：

式中 Γ――绕叶型的环量
升力P的方向可以用如下方法来判定，即：把来流速度矢量的方向反着环量Γ的方向旋转90。。
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：
式中 wm为通风机气流平均相对速度
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。

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：
升力
阻力
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。对于一定的叶型来说，cy和cx是冲角α的函数。下图画出了cy和 cx的实验曲线。
当气流流过叶栅时，与孤立叶型相似，其升力和阻力可通过实验方法表示成下列形式：

式中 和 ――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
b=
该式即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
ω――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
b=
式中 P――通风机全压
η――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：
=·
式中 t――栅距
βm―― 气流平均相对速度的方向角
ε――P与Py之间的夹角，它的值与叶栅效率有关，一般为 3~5度
Δwu――扭速
wz――气流相对沿风机轴线方向的分量
1.2.7 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：

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 （**）
于是气体速度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 的设计称为变环量设计。其中一般取 α＝0～1。
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
因
故

式中 ――平均半径处的扭速
二、气流速度沿半径的变化
；
；
三、沿半径的变化
由气动力基本方程式知： b= 将z=, ω=代入得：
·=
1.2.8 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，但有时又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，减小由于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。对于设计中环量的选择可以参照下列原则：
当轮毂比ν（＝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ν（＝d/D）较小，叶片很长或压头很大时，由于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
由于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，国内外对于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出来。目前国际上还没有任何的精确的定量公式可以照搬，在本设计中拟采用前苏联中央流体力学研究所的经验公式，此公式已经过指导老师多年从事风机设计工作的验证误差较小比较实用。公式如下：

式中
u――基元级圆周速度，单位m/s
D――叶轮外径 ，单位m
，d 为叶轮轮毂直径， 单位m
在实际设计计算中常用中间基元级的效率代表整个叶片的效率中间基元级半径