风机基础知识

风机风机按产生的风压一般分为三大类，即通风机、鼓风机和空压机。核电站用的最多的是通风机，它为核电站各厂房、各不同工作区域的通风、空调系统提供空气输送动力。风机是用于输送气体的机械，从能量观点看，它是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。而风机是对气体压缩和气体输送机械的习惯性简称。一、通风机的工作原理和理论方程通风机的工作原理和离心水泵工作原理相同，也是依靠叶轮的旋转运动，使气体获得能量，从而提高了压强和速度，达到输送气体的目的。（一）通风机的工作原理叶轮装在一个螺旋形的外壳内,当叶轮旋转时，流体轴向流入，然后转90°进入叶轮流道并径向流出。叶轮连续转动，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被吸入和排出。（二）通风机的理论方程离心风机的理论方程也是以速度三角形为基础由动量矩定理推导出来的。又因通风机是单级的，对气体压缩性不大，可以认为进、出口气体密度相同，这样就和离心水泵的理论方程完全相同。因此离心通风机也具有离心水泵的理论特性。轴流风机也符合离心通风机理论方程，并遵循机翼理论，它的设计和制造的主要依据是机翼理论。)(1122uuTcucuP（三）通风机的叶片1、叶片形式根据通风机理论方程和叶轮速度三角形原理，通风机的叶片也有三种形式，即：当叶片安装角β2＞90°时为前弯叶片，当叶片安装角β2＜90°时为后弯叶片，当叶片安装角β2＝90°时为径向叶片。2、三种叶片形式的性能比较（1）前弯叶片：风压最大，叶片最小，效率最差，适应于风压要求高，而转速（n）和叶轮直径（D）受到一定限制的工况；（2）后弯叶片：效率最高，叶片最大，风压最低，适应于大功率的风机；（3）径向叶片：风压、叶片、效率在三者中均居中，但叶片加工制造简单，不易积垢和磨损，所以一般中、低压风机多采用径向叶片。二、风机的相似换算（相似定律）1)压力换算公式2)流量换算公式3)功率换算公式22)()(MMMMnnDDPPMMMnnDDQQ3)(35)()(MMMMnnDDNN三、风机的比转数ns表征风机最佳工况的特性参数——比转速（nS）。434.55PQnns（一）比转数（二）比转数的应用1、用比转数ns对风机进行分类:——离心式通风机ns=11～90①高压离心风机ns=11～30②中压离心风机ns=30～60③低压离心风机ns=60～90——混流式通风机ns=90～110——轴流式通风机ns=110～5002、按比转数ns选取满足工况需要的风机：通风机是按比转数命名和确立型号的。如4—72型通风机，该风机型号中的4表示压力系数，72表示该风机的比转数ns。因此可根据工况要求先算出比转数ns，就可以查到满足工况需要的风机。3、比转数用于新风机的相似设计：相似设计的原理是根据两个相似的通风机，其比转数ns必然相等的原理来进行设计新的风机。若已给定新风机的设计参数，如流量Q，全压P，密度ρ，及转速n等，首先计算出比转数ns的大小，然后在已有的经过试验或长期运行性能良好的通风机中，选择出一个比转数ns相同或相近的通风机作为模型机，再将模型机按比例放大或缩小得到新设计风机的几何尺寸。一、通风机的类型1、按风机所产生的全压高低分类：通风机小于15kPa鼓风机处于15~340kPa压气机大于340kPa风机2、按风机的工作原理分类：风机叶片式容积式离心式轴流式混流式往复式回转式叶氏风机罗茨风机罗杆风机二、通风机的基本结构1、集流器：集流器也称喇叭口，是通风机的入口。它的作用是在损失较小的情况下，将气体均匀地导入叶轮。目前常用的集流器有如下图所示的几种类型：圆筒形、圆锥形、圆弧形、锥筒形及锥弧形（双曲线形）。圆筒形：叶轮进口处会形成涡流区，直接从大气进气时效果更差。圆锥形：好于圆筒形，但它太短，效果不佳。弧形：好于前两种（实际使用较为广泛）。锥弧形：最佳，高效风机基本上都采用此种集流器。集流器与叶轮的配合，以套口间隙形式为好。而对口间隙形式一般较少采用。集流器扩压环2、叶轮：叶轮是通风机的主要部件，它的尺寸和几何形状对通风机的性能有着重大的影响。离心式通风机的叶轮由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。轮毂后盘前盘叶片叶片与前盘的联接采用焊接。焊接叶轮的重量较轻，流道光滑。后盘与轮毂采用铆接连接。叶轮前盘的形式有如图所示的平前盘、圆锥前盘和圆弧前盘等几种。(a)平前盘叶轮；(b)锥形前盘叶轮；(c)弧形前盘叶轮；(d)双吸叶轮叶轮的结构形式离心式通风机的叶轮，根据叶片出口安装角的不同，可分为如上图所示的前弯、径向和后弯三种。在叶轮圆周速度相同的情况下，叶片出口安装角越大，则产生的压力越高。所以两台同样大小和同样转速的离心式通风机，前弯叶轮的压力比后弯叶轮的压力要高。但一般后弯叶轮的流动效率比前弯叶轮要好。所以，在一般情况下，使用后弯叶轮的通风机，耗电量比前弯叶轮通风机要小。同时从三种叶轮通风机的性能曲线可以看出，当流量超过某一数值后，后弯叶轮通风机的轴功率具有下降的趋势，表明它具有不超过负荷的特性；而径向叶轮与前弯叶轮的通风机，轴功率随流量的增加而增大，表明容易出现超负荷的情况。如果在通风除尘系统工作情况不正常时，后弯叶轮通风机由于不超过负荷的特性，因而不会烧坏电动机，而其它两类通风机，就会出现超负荷以致烧坏电动机的事故。3、机壳：风机性能的好坏，效率的高低主要决定于叶轮，但机壳的形状和大小，吸气口的形状等，也会对其有影响。机壳为包围在叶轮外面的外壳，一般多为螺线形。断面沿叶轮转动方向渐渐扩大，在气流出口处断面为最大。机壳可以用钢板、塑料板、玻璃钢等材质制成。机壳断面有方形及圆形。一般低、中压通风机的机壳多呈方形断面，高压通风机多呈圆形断面。机壳的作用在于收集从叶轮甩出的气流，并将高速气流的速度降低，使其静压力增加，以此来克服外界的阻力，将气流送出。蜗壳的外形：阿基米德螺旋线。蜗壳出口扩压器:因为气流从蜗壳流出时向叶轮旋转方向偏斜，所以扩压器一般做成向叶轮一边扩大，其扩散角θ通常为6°～8°离心风机的蜗壳出口处有舌状结构，一般称作蜗舌。蜗舌可以防止气体在机壳内循环流动。蜗舌的组成：1、尖舌：用于高效率的风机，风机的噪音一般比较大。2、深舌：大多用于低转速的风机。3、短舌：大多用于高转速的风机。4、平舌：用于低效率的风机，风机噪音小。蜗舌顶端与叶轮外径的隙s，对噪声的影响较大。间隙s小，噪声大；间隙s大，噪声减小。一般取s=(0.05～0.10)D2。蜗舌顶端的圆弧r，对风机气动力性能无明显影响，但对噪声影响较大。圆弧半径r小，噪声会增大一般取r=(0.03～0.06)D2。离心式通风机的机壳出口方向，可以向任何方向。使用时，一般由通风机叶轮旋转方向和机壳出口位置联合表示决定。低压离心式风机中压离心式风机高压离心式风机进口直径：低压最大，中压居中，高压最小。叶片数目：压力越高，叶片数目越少；压力越小，叶片数目越多。4、传动部件：离心式通风机的传动部件包括轴和轴承，有的还包括联轴器或皮带轮，是通风机与电动机连接的构件。通风机的叶轮用键或沉头螺钉固定在轴上，轴安装在机座上的轴承中，然后，与电动机相连接。通风机的轴承用的最多的是滚动轴承。离心式通风机与电动机的连接方式共有六种。代号ABCDEF传动方式无轴承，电机直接传动悬臂支承，皮带轮在轴承中间悬臂支承，皮带轮在轴承外侧悬臂支承，联轴器传动双支承，皮带轮在外侧双支承，联轴器传动5、轴流风机一般结构：一般轴流式通风机的结构如图示。叶轮安装在圆筒形机壳中，当叶轮旋转的时候，空气由集流器进入叶轮，在叶片的作用下，空气压力增加，并接近于沿轴向流动，由排出口排出。轴流式通风机和离心式通风机一样有六种传动方式轴流式通风机的风口位置，分为进风口和出风口两种，一般用出（或入）若干角度表示三、通风机的型号及命名离心式通风机的完全称呼包括：名称、型号、机号、传动方式、旋转方向、出风口位置，六个部分，一般书写顺序如下：名称：型号：型号由全压系数、比转数、进口吸入型式和设计顺序号三组组成：全压系数比转数进口吸入型式设计顺序号全压系数：比转数：为比转数化整后的值。进口吸入型式代号：全压系数等于2up乘以10后的整数值。0—双侧吸入1—单侧吸入2—二级串连吸入机号：将通风机叶轮尺寸的分米数进行四舍五入后，前面冠以符合“№”用来表示机号。传动方式：离心式通风机的传动方式有六种。旋转方向：从电动机位置看通风机叶轮的旋转方向，顺时针旋转为右转，用“右”表示；逆时针旋转为左转，用“左”表示。风口位置：按出风口位置及旋转方向，用右或左若干角度表示。一、通风机的主要参数及其测定通风机和水泵一样主要参数有五项，即风量Q，全压P，功率N，转速n及效率η。1、全压P：指单位体积气体通过风机所获得的能量增量。单位为Pa，由于1Pa＝1N/m2；故风机的P表示压强又称全压。2112222121VpVpp风机的全压减去风机出口截面处的动压Pd2（亦称风机的动压）称为风机的静压。用Pj表示，即：风机的静压2112d221Vpppppj在通风机进出口同一截面上，气体的全压为气体的静压和动压之和。即：式中:P——气体的全压Pj——气体的静压Pd——气体的动压djPPP通风机全压、静压、动压的测定2、风量Q：风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流量Q表示，单位为m3/s，m3/h。严格地讲,风机的流量特指风机进口处的流量。Q1=3600F1×V1Q2=3600F2×V2Q1—进口管的流量（m3/h）Q2—出口管的流量（m3/h）3、功率N：原动机传动装置风机原动机输出功率：tmg/NsN（kW）轴功率：传到风机轴上的功率/eNNs（kW）有效功率：（kW）1000pQNe传动效率：tm效率：1、有效功率Ne：在单位时间内通过风机的流体所获得的总能量，以符号Ne表示2、内功率Ni:实际消耗于流体的功率称为风机的内功率，用Ni表示。它等于有效功率加上除轴承、轴封外在风机内损失掉的功率。即：Ni=Ne+N（kW）（kW）1000pQNe3、轴功率Ns：通风机的输入功率称为轴功率。miNNNS（kW）等于内功率Ni与机械传动损失Nm之和。4、功率的测定：见教材4、效率η：为通风机的有效功率与轴功率之比。即：misiieSeNNNNNN.5、转速n:风机轴每分钟的转数，通常用n表示，单位为r/min。二、通风机的性能曲线通风机的性能曲线和水泵一样，主要有三条，即：P—Q全压曲线，N—Q功率曲线，η—Q效率曲线。风机每种型号，每一种转速n都对应有这三条曲线。1、离心通风机的性能曲线：（a）性能曲线为前弯型风机：其中风压曲线P—Q呈驼峰伏，效率曲线η—Q比径向、后弯叶轮风机都低，功率曲线N—Q一直上升，故称为可过载风机（功率有过载的危险）；（b）性能曲线为后弯型风机：其中风压曲线P—Q随着流量的增加而减小，缓慢下降。效率曲线η—Q较高，高效区范围也较宽。功率曲线N—Q当流量超过设计流量时，风机所需功率不再增加，随着流量Q进一步增加功率反而有所下降。故有功率不过载的优点；（c）性能曲线为径向型风机：其中风压曲线P—Q在小流量区会出现最高压力点（风机在最高压力点左侧工作时会出现不稳定工况），效率曲线η—Q介于前弯和后弯风机二者之间，功率曲线N—Q也呈一直上升的趋势（功率也有过载的危险），但比前弯风机坡度要缓慢。2、轴流风机的性能曲线：轴流风机性能曲线是在叶轮转速和叶片安装角一定时测量的到的，即压力p、效率η、功率N与流量Q的关系曲线。其形状特点是：1、P-Q曲线：在小流量区域内出现马鞍形形状，在大流量区域内非常陡降，C点的左侧称为不稳定工况区。2、N-Q曲线：当风量减小时，功率N反而增大；当风量Q=0时，功率N达到最大值。3、η-Q曲线：最高效率点的位置相当接近不稳定工况区的起始点C。3、压头曲线分析：设计工况（e点）：流体流线沿叶高分布均匀，效率最高；流量大于设计值时（d点）：叶顶出口处产生回流，流体向轮毂偏转，损失增加，扬程(全压)降低，效率下降；流量小于设计值时（c点、