【文章內(nèi)容簡介】 流過葉輪葉柵一個(gè)葉型的能量頭損失為： 其中 ——流過一個(gè)葉形的氣體重量流量。此式建立了阻力，壓差損失與葉柵參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于導(dǎo)葉也可以建立同樣的公式，只需將氣流參數(shù)改用導(dǎo)葉進(jìn)口參數(shù)就行了。 一、力沿葉高的變化 流體微團(tuán)的受力1—?jiǎng)尤~；2—導(dǎo)葉假設(shè)葉輪中的流體（為簡化分析，認(rèn)為是理想流體）沿圓柱面做正常的軸對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，取葉輪與導(dǎo)葉的軸向間隙中半徑為r處的一流體微團(tuán)進(jìn)行受力分析。作用在流體微團(tuán)上沿半徑方向的力有慣性離心力和徑向表面力。 由流體微團(tuán)的質(zhì)量，當(dāng)其繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的慣性離心力為： 其中 —流體微團(tuán)絕對(duì)速度的圓周分速。 設(shè)作用在微團(tuán)內(nèi)表面上的壓力為，外表面上的壓力為：則其總作用力分別為：與而作用在微團(tuán)左右兩側(cè)面上的壓力亦為，其總作用力各為：其分解成兩個(gè)相互垂直的分力，與半徑方向垂直的兩個(gè)分力相互平衡，沿半徑方向的兩個(gè)分力形成合力為：由達(dá)朗貝爾原理可知，離心力應(yīng)與作用在流體微團(tuán)上的徑向表面力大小相等方向相反，可表示為：因，去高階無窮小，則有即可得：軸流通風(fēng)機(jī)的靜壓和動(dòng)壓之和是風(fēng)機(jī)的全壓，即對(duì)半徑求導(dǎo)有，將帶入上式得：注意到 而有，則有 設(shè)風(fēng)機(jī)全壓P及軸向速度沿葉高不變，即設(shè),即有： 上式積分得：，此式是等環(huán)流公式。等環(huán)流公式說明，動(dòng)葉和導(dǎo)葉軸向間隙中的圓周分速度是按照等環(huán)量公式分布的。 三、速度沿葉高的變化 （一）扭速沿葉高的變化所謂的扭速是指葉輪任意半徑處，進(jìn)出口氣流相對(duì)速度在圓周方向上的分速度之差，即。下面來分析扭速沿葉高的變化規(guī)律。由可知，在任意半徑r處，有： 由圖6速度三角形可知： 或者可以寫成： 若記平均半徑為，則對(duì)應(yīng)的扭速為，有： 由上式可得，氣流的扭速隨著葉輪半徑的增大而減小，也就是說氣流在葉根處的扭曲大（也就是說氣流的轉(zhuǎn)折角大），但是在葉頂處氣流扭曲小（也就是說氣流的轉(zhuǎn)折角大）。 （二）氣流速度沿葉高的變化設(shè)平均半徑為，而對(duì)應(yīng)的圓周葉高圓周速度為，軸向速度為。由可知任意半徑處，氣流速度與平均半徑處對(duì)應(yīng)分速度之間的關(guān)系為：，即隨葉輪半徑的增大而減小。，其中為葉頂?shù)陌霃健?氣流速度沿徑向的變化 （三）氣流角沿葉高的變化由葉柵進(jìn)出速度三角形可知?dú)饬鹘茄匕霃降淖兓?guī)律。 因 故 由上式可知，氣流角隨著葉高增大。 因 即 由上式可知，在徑向隨著半徑的增大，氣流角也隨之增大，在葉根處最小。 設(shè)轉(zhuǎn)速為，在任意半徑和平均半徑處的圓周速度分別為即有 由速度三角形可得： 由上式可知，隨著半徑增大，氣流角減小。 同樣由速度三角形可得： 升力系數(shù)、阻力系數(shù)與氣流角的關(guān)系 由上式可知，隨著半徑的增大，氣流角減小。在頂葉和葉根處變化的差值，反應(yīng)了葉片沿半徑扭曲的情況。 當(dāng)葉柵稠度較大時(shí),實(shí)際的葉型在葉柵中的升力系數(shù)與孤立葉型的值不對(duì)等。在此情況下使人們?cè)诠铝⑷~型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。葉柵的額定工況根據(jù)平面葉柵法將對(duì)葉片進(jìn)行計(jì)算, 葉柵額定工況下的氣流轉(zhuǎn)折角，根據(jù)設(shè)計(jì)葉柵前后的速度三角形計(jì)算得到的氣流轉(zhuǎn)折角。根據(jù)氣流轉(zhuǎn)折角查圖得出最佳葉柵稠度。其余各參數(shù)的計(jì)算與孤立葉型法類似。 一、葉珊中的損失 （一）葉型損失 葉型損失是指葉型表面因附面層所引起的摩擦損失和尾際渦流損失，其大小與葉片型式、b/t、表面質(zhì)量及沖角等有關(guān)。計(jì)算公式為： （二）二次流損失因二次渦流產(chǎn)生的損失。一般取α=，若是等厚度平板葉片可取α=。 （三）環(huán)面損失環(huán)面損失是指風(fēng)機(jī)外殼與轉(zhuǎn)子之間形成的環(huán)形通道表面上由于氣流摩擦和渦流引起的損失。 二、效率 （一）通風(fēng)機(jī)的效率其中 —級(jí)的理論總壓升 —葉輪的壓力損失 —前導(dǎo)葉損失 —后導(dǎo)葉損失 —擴(kuò)壓器損失 （二）風(fēng)機(jī)功率因?yàn)轱L(fēng)機(jī)中由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能存在著各種損失，不能將全部能量傳遞給流體，只能傳遞大部分動(dòng)力，損失的部分則用相應(yīng)的效率表示。效率是體現(xiàn)風(fēng)機(jī)能量利用程度的一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。風(fēng)機(jī)中常用的功率有有效功率、軸功率與原動(dòng)機(jī)功率等。 有效功率是指流體從風(fēng)機(jī)中實(shí)際獲得的功率。 kW其中 —體積流量，m3/s； p—全壓，Pa。 軸功率是指原動(dòng)機(jī)傳遞給風(fēng)機(jī)軸端上的功率。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)存在各種損失，所以風(fēng)機(jī)的效功率要小于軸功率，如果總效率η已知，則風(fēng)機(jī)軸功率為： （三）原動(dòng)機(jī)功率原動(dòng)機(jī)功率是指原動(dòng)機(jī)的輸出功率。其中 —傳動(dòng)效率。 2 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)部分 本論文通過計(jì)算比轉(zhuǎn)速確定是設(shè)計(jì)成離心式風(fēng)機(jī)還是軸流式風(fēng)機(jī)。計(jì)算公式為：當(dāng)=～12時(shí)，設(shè)計(jì)為前彎式離心風(fēng)機(jī)；當(dāng)=～，設(shè)計(jì)為后彎式離心風(fēng)機(jī)；當(dāng)=18～36時(shí)，設(shè)計(jì)為軸流式風(fēng)機(jī)。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中=26，由此可知應(yīng)該設(shè)計(jì)為軸流式風(fēng)機(jī)。下面再對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)、主要參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)確定了設(shè)計(jì)為軸流風(fēng)機(jī)后，下面就是風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括孤立葉型設(shè)計(jì)法與平面葉柵法，目前大多數(shù)通風(fēng)機(jī)也都采用孤立翼型設(shè)計(jì)法，這種方法比較簡便有效。孤立翼型法也有多種，例如采用不同圖表等。從研究問題以及解決的方式上來看，這些方案雖然各具特點(diǎn)，但是他們的實(shí)質(zhì)都是按葉型和葉柵理論及采用孤立翼型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。 在本設(shè)計(jì)中，用戶給定的要求為流量120m3/h；全壓3000Pa；轉(zhuǎn)速960rpm；。 葉輪后設(shè)置導(dǎo)葉氣體流向 本論文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案先假定是單級(jí)葉片葉輪后設(shè)置后導(dǎo)葉，這種結(jié)構(gòu)方案在軸流通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用最廣泛。氣體軸向進(jìn)入葉輪會(huì)出現(xiàn)氣體流出的現(xiàn)象，因?yàn)閺娜~輪流出的氣體會(huì)發(fā)生某種程度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過后導(dǎo)葉擴(kuò)壓整流以后,使氣體軸向流出，反應(yīng)度，主要應(yīng)用于壓頭較高的級(jí)，效率也高，設(shè)計(jì)制造良好的風(fēng)機(jī)效率可達(dá)90%。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)用戶的要求來選擇。為了正確的選擇電機(jī)，需要準(zhǔn)確的計(jì)算軸功率后才能選擇符合要求的電機(jī)，風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)的軸功率為：其中 qv—流量，m3/s； p—風(fēng)機(jī)全壓，Pa； η—全壓效率； —傳動(dòng)效率。本文設(shè)計(jì)中選擇的轉(zhuǎn)速是960r/min，則軸功率為： kW 根據(jù)風(fēng)機(jī)手冊(cè)，計(jì)算出流量系數(shù)φ為：，根據(jù)流量系數(shù)查圖找到功率系數(shù)λ，選取λ=［9］，可以算出選取的電機(jī)功率為449kW，查機(jī)械手冊(cè)可選取Y450—6的450kW的電機(jī)［10］。 一、輪轂比ν在設(shè)計(jì)軸流通風(fēng)機(jī)時(shí)，必須確定輪轂比，其中為輪轂直徑，為葉輪外徑。輪轂比ν會(huì)影響風(fēng)機(jī)的流量、壓力和效率等，因此ν是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。所以，當(dāng)通風(fēng)機(jī)的流量、壓力和轉(zhuǎn)速已經(jīng)確定的情況下，輪轂比ν也是特定的。當(dāng)風(fēng)機(jī)的壓力較大時(shí)，輪轂比ν的值也應(yīng)該較大，但是若輪轂比ν過大，會(huì)導(dǎo)致葉片太短，從而使葉片流道中的氣體流動(dòng)損失大大增加，同時(shí)也會(huì)惡化風(fēng)機(jī)的性能，使效率降低。相反如果輪轂比ν過小，也不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，會(huì)造成葉片根部的氣流發(fā)生分離，損害風(fēng)機(jī)的性能。此外從結(jié)構(gòu)方面來看，輪轂比ν過小，會(huì)使設(shè)計(jì)的葉片過長，使葉片布置起來變得困難。一般輪轂比ν的范圍為ν=～。～?！?。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，對(duì)于單級(jí)風(fēng)機(jī)可利用上圖來選擇符合要求的輪轂比。圖中的虛線主要是不同風(fēng)機(jī)與不同葉 輪轂比與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系型在實(shí)驗(yàn)中的偏差范圍，如在一定的輪轂比下，圓弧形葉片葉輪的比轉(zhuǎn)速大。=，所以設(shè)置后導(dǎo)葉是合理的。 二、葉輪外徑Dt 選擇合理的輪轂比后，接下來就是要確定葉輪外徑Dt。Dt的大小也會(huì)直接影響風(fēng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)。在風(fēng)機(jī)的壓力、流量及轉(zhuǎn)速已經(jīng)給定的情況下，那么風(fēng)機(jī)的葉輪的尺寸Dt基本上也就確定了。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出葉輪尺寸Dt、壓力P、流量及轉(zhuǎn)速n之間存在著一定的關(guān)系，用系數(shù)與比轉(zhuǎn)速來描述， 比轉(zhuǎn)速與系數(shù)的關(guān)系示，與基本上成直線關(guān)系。其中：查上圖19得系數(shù)后，就可求得葉輪尺寸，將帶入下式 得： 其中 p—風(fēng)機(jī)的全壓，N/m2； ρ—?dú)怏w的密度， n—風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，1/min。=。帶入數(shù)據(jù)得： 三、輪轂直徑 輪轂直徑為： m圓周速度: 壓力系數(shù): (1) ，一般采用單獨(dú)葉輪的級(jí)；(2) 當(dāng)=～=～，可以采用葉輪加后導(dǎo)葉的級(jí)；(3) 當(dāng)==～，可以采用前導(dǎo)葉加葉輪加后導(dǎo)葉的級(jí)。 帶入數(shù)據(jù)后計(jì)算結(jié)果如下：圓周速度： m/s壓力系數(shù)： 根據(jù)==26可以驗(yàn)證采用葉輪加后導(dǎo)葉的級(jí)是合理的。 帶入數(shù)據(jù)得： m/s 將葉片分為五個(gè)計(jì)算截面，按照等環(huán)量方法分別計(jì)算各參數(shù)中間截面的各參數(shù)分別為：平均相對(duì)半徑： 平均相對(duì)圓周速度： 平均相對(duì)扭速： 平均相對(duì)速度： 氣流角： 平均半徑處的計(jì)算結(jié)果如下：平均相對(duì)半徑： m平均相對(duì)圓周速度： m/s平均相對(duì)扭速： m/s平均相對(duì)速度： m/s氣流角： 其余截面計(jì)算結(jié)果繪制成表格，見后面的總表22。已選定的孤立葉型的風(fēng)機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí),葉片的升力系數(shù)也是一定的。那么葉片數(shù)量z的增加會(huì)使得的葉片弦長b減少，反之z減小b就會(huì)增加。 對(duì)于相同輪轂比ν和葉片弦長b的風(fēng)機(jī)來說,若葉片數(shù)增加,葉柵稠度τ=b/t也會(huì)隨之增加。但是這樣必然會(huì)導(dǎo)致升力系數(shù)下降，反之，若葉片數(shù)目過少，則會(huì)增大每個(gè)葉片的負(fù)荷,影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能,使風(fēng)壓降低。因此，對(duì)于已定的ν和b的風(fēng)機(jī)來說，應(yīng)該對(duì)應(yīng)著最佳葉片數(shù)z。在采取孤立葉型的設(shè)計(jì)方法中，選取最佳葉片數(shù)z的選取范圍如下：表21 葉片范圍 ν Z 2～6 4～8 6～12 8～16 10～20 在本設(shè)計(jì)ν=，根據(jù)表21選擇葉片數(shù)Z=12，葉片各參數(shù)的計(jì)算利用平面葉柵法進(jìn)行計(jì)算。 選擇最合適的升力系數(shù)時(shí),首先應(yīng)該保證從葉尖到葉根逐漸增加。假如型的相對(duì)厚度不變，可以選取額定工況點(diǎn)的升力系數(shù)作為葉根的升力系數(shù)值，然后按直線規(guī)律從葉根到葉尖依次減小。各個(gè)截面的升力系數(shù)值確定以后，相應(yīng)的攻角可根據(jù)葉型的曲線來選取。在本設(shè)計(jì)中取升力系數(shù)為：、。查圖可得相應(yīng)的攻角為α：176。、176。、176。、176。、176。 葉片寬度： 柵距： 平均半徑處的葉片寬度為 柵距： m 其余截面計(jì)算結(jié)果繪制成表格，見后面的總表22。 半徑處的葉型安裝角為：=+=176。 其余截面計(jì)算結(jié)果繪制成表格，見后面的總表22。 選取LS葉型，～，取平均相對(duì)厚度=，葉片計(jì)算結(jié)果列于下表22中。表22 計(jì)算結(jié)果 項(xiàng)目 截 面ηD /u(=) z（?。?2121212121t 升力系數(shù)曲線 安裝角曲線 升力系數(shù)、安裝角曲線根據(jù)計(jì)算結(jié)果及所取的葉形剖面的幾何尺寸，繪制各個(gè)截面的葉片型線。為了改善葉片的受力情況，提高葉片壽命以及減小風(fēng)機(jī)的噪聲，各個(gè)計(jì)算截面的葉形的重心，應(yīng)當(dāng)位于同一半徑上。 一、 二、葉片截面尺寸 葉片截面尺寸如表23表23 葉型表面尺寸距前緣點(diǎn)距離x/b(%)510203040 50上表面坐標(biāo)y/cmax(%)100 距前緣點(diǎn)距離x/b(%)60708090 上表面坐標(biāo)y/cmax(%)