第四章 轴流风机的设计

• 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）。
• 由图可知： • ∆ωu=∆Cu= C2u－C1u • 2、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=ρu Cz(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。
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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 5 9 速度三角形，各断面的攻角α从轮毂到轮缘逐渐 减小。
• 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。
• 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 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。
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• 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．A Wallis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
• 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。
• 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
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(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，求出叶栅栅距t，进一步求出叶型的弦长b。 (6) 由于各断面上设计工况的攻角α*基本相同，但是βm不同， 所以βA不同。 为方便计算，有些吹风试验曲线是用“理论升力系数”C`v0绘 制的。所谓叶型的理论升力系数是指：ε=0时该叶栅具有的速度三 角形与ε≠0时相同。
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• 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。