第四章轴流式通风机图4-1为轴流式风机,由集风器1,、叶轮2,、导叶3,、扩散筒4等组成。叶轮和导叶组成级,轴流通风机,因为压力较低,一般都用单级,例如低压轴流通风机在490Pa以下,高压轴流通风机一般在4900Pa以下。其特点:压力系数低ψ0.6,流量系数高φ=0.3~0.6,比转速高ns=18~90(100~500)(单级)全压效率高达η=90%以上,单向扩散筒的单级风机效率为83~85%。不过目前轴流风机逐渐向高压发展,例如国际上已造出动叶可调轴流通风机ΔP=14210Pa,许多大型离心式风机有被轴流式风机取代的趋势。图4-1轴流式风机§1基元级一、基元级上的速度三角形图4-2轴流式通风机的基元级轴流式通风机的基元级由叶轮和导叶所组成的。对于不同半径的圆柱面上,由于离心力不同,那么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,会得到圆柱面上的环形叶删,可以展开成平面叶栅,如图4-2所示,这种平面动叶和导叶所组成的叶栅,称为基元级与离心通风机一样,在动叶前后形成速度三角形:不过在圆柱面上:u1=u2=u,C1z=C2z=Cz,ρ1=ρ2=ρ(β2β1,α2α1)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等于叶轮前的状态C3=C1,α3=α1可以得出叶流前后平均的相对速度Wm及方向角βmβm=tg(Cz/Wmu)(4-1)Wmu=u–ΔWu/2–C1u(4-2)22muZWCWm式(5-2)的推导可出图3-2b时:u=u1=u2ΔWu=W1u–W2u=C2u-C1u=ΔCu(4-3)ΔWu或ΔCu称为相速。表征气流在叶栅的偏满阻力二、叶轮对气流所做的功由欧拉方程可以得到,叶轮叶栅给没kg气体的功率式理论压头为:Hth=1/g(C2uu2–C1uu1)由于u1=u2Hth=u/g(C2u–C1u)通风机的理论全压力为:ΔPth=ρu(C2u–C1u)(4-5)考虑到损失,通风机全压效率为η,那实际通风机全压:ΔP=ρu(C2u–C1u)·η=ρuΔCu·η(4-6)或写成ΔPth=ρu(C2cosα2-C1cosα1)=ρuCz(ctgβ1–ctgβ2)(4-7)增加ΔPth的途径有三条:(1)增加圆周速度u(2)使β2β1,Δβ=β2-β1称为气流转折角,使气流转折角大,会引起效率下降,一般Δβmax为40~50º(3)增加Cz,使Cz≤30~40m/s(最大60m/s)单级轴流式风机增压不大,一般很少超过2150Pa三反应度和预旋轴流通风机的理论静压升为ΔPst=ρ(W12–W22)/2=ρ(W1u+W2u)(W1u–W2u)/2=ρWmuΔWuΔPth=ρuΔCu那么反对度Ω:uWCuWWPPmuuumuthst(4-8)若u2,Cz,ΔCu不变,只改变C1u,也可以改变Ω。C1u称为气流预先旋转,简称预旋。这种预旋一般由前导叶完成:当C1u0,为负预旋,C1u0为正预旋§2轴流通风机的几种方案一、叶轮前设导叶叶轮前设导叶如图4-3所示。气流在前导叶中加速并产生预旋,在通风机中大部分C1u0,而不采用C1u0。叶轮出口的气流也为轴向,这样通风机压力系数高,反作用度Ω1,Ω=1.25~1.50左右,C1u0,ΔCu0121uCu(4-9a)效率η=0.78~0.82,由于流速高,效率较低,多用于要求风机体积尽可能小的场合。图4-3叶轮前设导叶二、叶轮后设置导叶这种方案在通风机中用的最广。气体轴向进入叶轮,从叶轮排出后,气流有一定的旋转,经后导叶后,气体轴向流出。如图4-4。(4-9b)其特点:反作用度Ω1(0.75~0.90),可以用于压头较高的通风机,效率高η=0.82~0.85(可达90%),采用了可调动叶后,扩大了单机机使用范围。图4-4叶轮后设置导叶三、单纯叶轮级这种通风机制造方便,η=0.7~0.8,效率较低。四、叶轮前后都设置导叶是上述一、二的结合,Ω=1,η=0.8~0.85,实际上不多用,多用于多级风机上。五、多级轴流风机多用在体积受限制的高压风机。图4-5为三种轴流风机性能的对比121uCu图4-5轴流风机性能(1:前置导叶2:后置导叶3:单独叶轮级)选择通风机时用下列参数进行参考:ψ0.30,ns32.5(180)时,一般用单纯叶轮级;ψ=0.3~0.5,ns=20.8~32.5(115~180)时,叶轮加后导叶;ψ0.5,ns=14.5~20.8(80~115)时,采用前导叶;多级通风机的级数i(4-10)式中ut为叶轮外缘圆周速度。§3叶栅的空气动力学特性一、叶型和叶栅参数叶型和叶栅参数如下图4-6和图4-7。图4-6叶型参数图4-7叶栅参数图4-6所示叶型参数如下:b(或l):叶型弦长Cmax或C:叶型最大厚度bCCmax:叶型相对厚度221tupia:叶型最大厚度所在位置e:叶型最大弯度所在位置fmax:叶型最大弯度bffmax:叶型相对弯度21,:叶型前缘,后缘的方向角21:叶型的弯折角图4-7所示叶柵参数如下t:叶柵的柵距t/b:叶柵的相对柵距,b/t:叶柵的稠密度A:叶柵的安放角A1,A2:叶柵前缘,后缘的安放角1,2:叶柵前缘,后缘的气流角AA12:叶柵的弯折角11Ai:叶柵前缘的冲角AA2:叶柵后缘的气流滞后角i12:叶柵后缘的气流转折角::叶柵前缘的气流攻角,即叶柵前缘,后缘的平均速度Wm与叶柵叶型的弦线的夹角。二、叶栅的升力图4-8叶栅的升力气流对叶片的作用力Pu和PMPu=-ρWzt(W1u–W2u)(4-11a)Pz=-ρ(W1u+W2u)(W1u–W2u)·t/2(4-11b)令Γ=(W1u–W2u)t(4-11c)Pu=-ρΓWzPz=-ρΓWmuP=ρΓWm三、空气动力学特征图4-9叶片上的气动力图4-10翼型升力系数和阻力系数用实验方法,求得单位长度叶片上的气动力,包括升力Py和阻力Px(4-13a)阻力Cy、Cx升力系数和阻力系数对于一定的叶型Cy,Cx是冲角α的函数。当α不太大,Cy与α成线性关系,当α到一定时,Cy迅速下降,Cx则上升,这种现象称为失速,当风机出现失速后,噪音突然增加,出现震动和工作不稳。同样叶栅也可以用(4-13)式相类似的式子表示Py⊥Wm(4-14a)Px∥Wm(4-14b)三叶栅的气动力基本方程(一)不考虑叶型摩擦阻力的计算忽略叶栅叶型的摩擦阻力,即Px=0,这时气流作用在单位叶片长度上的气动力为:bWCPPmyy202(4-15)bWCWmym202bWCmy20bWCPyy22bWCPxx22bWCPmyy22bWCPxx22buWCWWumyuu2)(21)()(2112uuuuthWWuCCuPbuWCtPmyth20zWPbCmthy4(4-16)ΔPth是气流所获得理论气压,上述Cy’是不考虑摩擦阻力情况下的又称为Cy0’理论升力系数。(二)考虑叶型阻力时气动力的计算考虑风机内部存在摩擦损失,局部损失,内泄漏损失,用全压效率η考虑之hmthyozWPbC4(4-77)ΔP为实验通风机的全压图4-11现在考虑Px的影响,推导考虑摩擦时的叶栅气动方程。首先认为在无摩擦时气动力只有Py(y向分力),而无表示摩擦作用的x向分力Px。Py在轴向和周向的分量分别为Pzt和Put。当有阻力时,全力为P,其分量分别为Pz和Pu(图4-11)由于:mmmzWWsinmmzymyyWbCWbCP222sin22(4-18)式中Cy’为叶栅升力系数。同时cos)sin(cosmuyPPP(4-19)式中ε是P与Py之间的夹角,称为滑动角yxxyCCPPtg由动量定律:cos)sin(muzyWtWP(4-20)Pu=ρtWzΔWu(4-21)cos)sin(sin22zummyWWtbC(4-22))sin(cos22mzmyuCWPtbC一般ε=3~5º,可以认为cosε≈1,式(4-22)为轴流通风机叶栅基本气动方程,表示了气动参数Cy’,b/t与ΔWu之间的关系。以下计算叶栅的能头损失hr,由于叶栅上的阻力为Px,损失的功率为PxWm,损失功率除以重量流量ρgtWz为能头损失,即zmxrgtWWPhmrmzrxtghWgtWhPsin(4-23)同时:bWCPmxx22rmmxhWgbC2sin22(4-24)令P1t和P2t分别为叶栅吹风实验测得进出口总压,总压降为ΔPt=P1t-P2tgPgPPhtttr21twmmxPWtbCsin2(4-25)可以定义叶栅的效率为:uteWuP1cos)sin(sinmuzmryxWtWtghPPtgummzmtcossin)sin(2)1(2mzumtctg)1(sin1mmmectguW四平面叶栅吹风试验数据图4-12叶栅吹风试验1、平面叶栅吹风试验图4-12是平面叶栅吹风试验装置图。由空气筒1、喷嘴2、滑动板3、叶栅4、转动盘5组成,转动盘的转动可以改变进口气流角。利用叶栅前后速度的大小和方向,以及截面上的压力,可以计算出叶栅的升力系数和阻力系数。利用升力系数zuumybtctgctgCmy)(sin2210)(sin2212ttmmxppWbC1*1212ppWmtmmppWWsinsin)(2sinsin1211212212btppppCmtttx1231121sinsin实际升力系数:zummmzummzummyWWctgtg1)cos/(sinsin2cossincossinsin2)sin(sin2222cosε≈1zumyxmyWWctgCCtbC1sin2myxyyctgCCCC10mxyyctgCCC0mxmyctgCctgctgbtC)(sin221根据测定的气流参数可以决定叶栅在不同情况下Cy0’,Cy’Cx’的变化。此外利用气流折转角Δβ代替升力系数,会给计算带来很大方便,而Δβ与Cy’反应的实质是一样的,如图4-13a所示。在设计时,利用0.8倍的Δβ最大值作为设计工况气流的转折角Δβ*,即:Δβ*=0.8Δβmax2叶栅的额定特征线经过一定数量的叶栅吹风试验后,从数据的分析可以得出:在下列条件下:冲角i*=±5º,叶片弯折角θ=0~40º,最大相对厚度C=5~12%,最大厚度所在位置a/b=0.4~0.5的任何叶栅,在设计工况下,其气流的转折角Δβ*主要只与b/t和Δβ2*以及b/t做成图4-13b的曲线,称为叶栅额定特征线,可供按叶栅设计通风机用。此外拟合上述表达式,其中有:霍威尔公式:Δβ2*=50º~90º时75.2*2*1**2*1)sinsin(23203.1yCctgctgbt图4-13a图4-13b叶栅额定特征线上述公式在叶尖附近加的修正,得到叶尖角度的修正值)12(25.0)12(25.0btbt=或得出叶尖处的角度应增加Δβ’。此外茨魏费尔也有上述类似的公式:)(sin5.21*2*1*22ctgctgat其中a=bsinβA,βA为平均安放角。五无因次参数对于轴流风机基元级,常用无因次参数为:(1)流量系数φ’uDQudDQuCm)1(4)(42222
本文标题:风机与压缩机第4章
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