轴流通风机的工程设计方法

2 轴流通风机的主要特性

为便于对轴流通风机进行气动设计，首先了解其主要特性是必要的。轴流通风机的主要特性可归纳为几何特性、运动特性和动力特性三个方面。

2.1几何特性

确定或表征轴流通风机尺寸和形状的参数称作轴流通风机的几何特性，并以叶轮的几何特性作为表征参数。

2.1.1 直径

轴流通风机直径系指叶片尖部所划圆的直径，是轴流通风机最重要的几何特性参数。直径大小可选定亦可计算得到；通常与流量、全压、叶片数、转速、输送介质密度等有关。直径大小直接影响风机的气动性能和结构尺寸。文献 [21] 对轴流通风机直径的确定原则作了规定，是轴流通风机产品系列（群）化设计应遵循的基本原则。

2.1.2 轮毂比

轮毂直径与风机直径之比称作轮毂比，亦是轴流通风机的一个重要几何参数。轮毂比对风机的流量、全压、轴功率和效率都有影响。在直径、转速、流量和全压一定的情况下，有一个最佳的轮毂比相匹配，使其效率最高。理论分析和实验结果表明，轮毂比与全压成正比与效率成反比。轴流通风机的轮毂比一般在 0.3~0.7 或更大的范围内选定，低压轴流通风机的轮毂比较小，高压轴流通风机的轮毂比较大。文献 [21] 对等轮毂比轴流通风机的轮毂比与轮毂直径应遵循的优先数原则同样作了规定。

2.1.3 叶片数

对于轮毂比一定的轴流通风机，叶片数的配置应该是最佳的。当叶片实度一定时，叶片数增多则叶片变窄。窄叶片对结构强度有利，但会减小雷诺数值。过小的雷诺数对风机气动性能将产生不利影响。叶片数增多对降低风机噪声亦不利。相反，叶片数减少则叶片变宽。宽叶片有利于降低噪声，但会使每个叶片质量增加，离心力增大，叶片根部受力加剧。叶片数的多少应从气动性能、噪声特性以及结构受力等方面综合考虑，这个问题将在后面的章节中讨论。

2.1.4 叶片剖面形状

叶片剖面形状取决于所选用的翼型。现代轴流通风机大都选用航空翼型。有关翼型的几何特性、气动特性以及如何选用等问题将在第 3 章作较详尽地介绍。

2.1.5 叶片平面形状

叶片平面形状不仅取决于气动设计计算；亦取决于叶片强度、刚度、振动等的设计计算；有时还会受到结构和制造工艺等条件的限制。例如，玻璃钢叶片由模具成型，可以制做成任何复杂的形状；而某些金属叶片，为制造方便，宁可牺牲些气动性能而采用经简化的平面形状。叶片平面形状大致有二次曲线形、梯形和等宽度的长方形等。

2.1.6 叶片扭曲度

从图 2.1 看到，轴向速度 V a沿径向不变时，流经叶片的气流合速度 V m与旋转平面的夹角ψ是从叶根到叶尖逐渐减小的；于是，当叶片安装角φ一定时，气流攻角α= φ－ψ则从叶根到叶尖逐渐增大。为使各个叶片剖面均在最有利的攻角下工作，必须对叶片进行扭曲，使其在叶根处扭曲最大并向叶尖逐渐减小。叶片根部扭曲角度与尖部扭曲角度之差称作叶片的扭曲度，它是实现叶轮高效运行的必然要求，是轴流通风机重要的几何特性参数。

扭曲度由气动设计计算获得并通过试验加以修正。

2.2运动特性

确定轴流通风机气流轴向运动和旋转运动的参数称作轴流通风机的运动特性。轴流通风机气动设计计算的基本内容之一就是确定流经风机级的气流速度大小和方向。分析研究运动特性主要是剖析基元级（叶剖面）的速度三角形。

为了研究不同半径流面上的气体流动，从流经风机级的通道内取一微元环形通道，其半径为 r，圆环宽度为 dr。假定不存在径向流动；于是叶剖面及其前后方的气流速大小与方向如图 2-1 所示。

图 2-1 动叶片剖面的相对速度矢量图

气流经过前导叶之后 , 在叶剖面之前产生一个与叶轮旋转方向相反的预旋转 , 其旋流速度为 Vθ p。在叶剖面处，叶片转动角速度为Ω，因而气流的相对旋转速度为Ω·r。在叶剖面之后，叶片旋转所诱导的旋流速度为 Vθ s。于是，在叶轮的旋转平面内，气流的相对切向速度应取为

气流合速度 V m与弦线间的夹角α称为气流攻角； V m与旋转平面的夹角Ψ称为入流角；弦线与旋转平面的夹角Φ称为安装角，弦线与旋转轴之间的夹角ξ

为摆差角或前伸角。各角度之间的关系为：

式（ 2­-1 ）～式（ 2-5 ）为速度三角形各速度之间和各角度之间的关系。从中可进一步看到，叶轮的旋转角速度Ω与叶轮的工作转速 n成正比，转速不仅影响速度三角形的大小，而且决定合速度 V m方向。转速是轴流通风机重要的运动特性，对风机的气动性能和噪声特性产生重大影响。

轴流通风机工程设计

风机是量大面广的通用机械产品；风机是利用一个或多个装有叶片的叶轮的旋转与气体或空气的相互作用来压缩和输送气体或空气的流体机械；风机是透平压缩机、透平鼓风机和通风机的总称。

在进口压力和温度分别为101.3kPa和20℃、相对湿度为50%的标准空气条件下，全压小于等于30kPa的风机称为通风机。

通风机主要有离心式和轴流式两大类。

在轴向剖面上，在叶轮中气流沿着半径方向流动的通风机为离心通风机；离心通风机为轴向进气径向排气。在轴向剖面上，气流在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动的通风机为轴流通风机；轴流通风机为轴向进气和排气。

通风机名称代码

单位质量功y

kJ/kg

最大压力pmax(用于标准空

气) kPa

分类说明

低压L 0＜y≤0.6

0.6＜y≤0.83

0.83＜y≤1.33

1.33＜y≤1.67

0≤pmax≤0.7

0.7＜pmax≤1.0

1.0＜pmax≤1.6

1.6＜pmax≤

2.0

0 1 2

3

忽略通风机内空

气密度的变化

中压M 1.67＜y≤3

3＜y≤5.25

5.25＜y≤8.33

0.7＜pmax≤1.0

3.6＜pmax≤6.3

6.3＜pmax≤10

4 5 6

空气密度的变化

是否忽略，取决

于所要求的精度

高压H 8.33＜y≤13.33

13.33＜y≤18.67

18.67＜y≤25

10＜pmax≤16

16＜pmax≤22.4

22.4＜pmax≤30

7 8 9

不可忽略通风机

内空气密度的变

化

轴流通风机的分类如下：

1)按压力分类