第五章  轴流通风机的设计计算

§1  概述

目前轴流通风机的设计方法主要有两种，一种利用单独翼形空气动力试验所得到数据进行设计，称为孤立叶形设计方法；另一种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。

对于轴流通风机，由于叶栅稠密度不大<1，可以把叶片当作一个个互不影响的孤立叶片按孤立叶型法设计，即令＝。这种方法广泛用于低压轴流通风机设计。B. Eck，R.A Wallis 的设计资料比较全。

对于高压通风机>1，由于叶栅叶型间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型有较大的区别。F.Weinig提出的“干涉系数K法”：

K＝                                                                           (5-1)

图5-1

利用图5-1查出的干扰系数K来修正孤立叶型的试验数据。此法未获得广泛应用，但是当叶型的弯度和厚度不大时，此法还是可以的。在高压通风机中，叶片较多，与相差较多，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>1时采用叶栅法，<1时采用孤立叶型法，或导叶按叶栅设计，叶轮按孤立叶栅设计。

孤立叶型法设计步骤：

（1）       一般选=(0.8~0.9) 为设计的工况点相对应的攻角为（＝8°左右）；

（2）       风机沿半径取5～9个断面，确定速度三角形，各断面的攻角以轮毂到轮缘减少；

（3）       根据

以及（式）计算出

（4）     叶栅的安装角，其中，为翼型弦线与周向夹角，为与周向夹角，为攻角。

（5）       选择叶片数Z，求出t，进一步求出b

（6）       由于各断面基本相同，但是不同，所以不同。

在叶栅法时，吹风试验曲线是用“理论升力系数” 绘制的。所谓叶型的理论升力系数是指＝0时，该叶栅具有的速度三角形与时相同。

                                                                      （5-2）

                                                                                （5-3）

（5-3）式使用更为方便。

§2．孤立叶型试验数据

一．  RAF-6E，美国发表的叶型。

图5-2  RAF-6E叶型

二．  CLARK  Y叶型

NACA 早期叶型 

图5-3 CLARK Y叶型

三．  LS叶型，英国LS螺旋桨翼型

图5-4 LS螺旋桨翼型

四．  哥廷根叶栅

德国发展的翼型共有： 622， 623，624，625，682型号等（ PP291-294）

图5-5 哥廷根翼型

五．  圆弧板叶型

由于翼型试验次料为：  (l翼展，b弦长)

冲角要检验：减少：

              对第四种翼型：

§3 主要参数的选取

   在进行叶轮设计时，必须合理选取叶轮的结构参数，如轮毂比，Z，外径

一．  轮毂比

（轮毂直径， 为外径）

            是一个重要参数，它对风机的压力，流量效率都有影响。

                                                                      （5-4）

这样与成正比，与成反比。当风机压力或压力系数较高时，应取较大的，但是过大，叶片过短，流速损失大，风机性能恶化。如图5-6所示，当较大时，可以选较小一些；这样大。对于风压高流量小的可取较高的，风压低流量大的风机取较小。太小，叶片过长，并在底部产生分离。＝0.25～0.75为常用。例如，单独叶轮时，＝0.3～0.45，其他方案＝0.5～0.7，也可以低于0.5。

图5-6

由大量试验，与的关系如图5-7：

图5-7

2．叶轮外径

图5-8

确定叶轮外径

                                                          （5-5a）

根据图5-8，求出下的，然后可以计算出

                                                                                         （5-6）

                                                                                                （5-5b）

  =1.20时

                                                                                         （5-7）

此外             

3．叶片数Z

           0.3          0.4          0.5          0.6          .07

Z            2-6         4-8         6-12        8-16        10-20

§4 孤立叶型设计方法之一

首先把给定参数转换成标准进口状态的参数。其设计步骤如下：

1．  根据压力系数或比转速，进行方案选择：

  <0.15或>32.5                   单独叶轮级

=0.15~0.25或=20.8~32.5     叶轮加后导叶

>0.25或=14.5~0.8                叶轮加前导叶

2．  选电机及转速

轴功率：

3．  计算比转速

4．  确定外圆直径和轮毂比

按图3-5或公式选轮毂比

一般：

=0.25~0.75

单独叶轮时，＝0.3～0.45，其他方案＝0.5～0.7，也可以低于0.5。总之大，小

5．  计算轮缘速度和压力系数：

                              m/s

6．计算轴向速度

7．计算各截面的扭速

（1）       等环量设计： 

式中：全压效率，参照已有的风机选取，或自行估算：

（2）       变环量设计：

计算几何平均断面的扭速

确定变环量的指数＝0~1

8．计算栅前和栅后的平均速度和气流角和

9．选择叶片数，根据选叶片数

10．选择翼型，根据翼型的试验气动力特性曲线选取和

       选用从叶尖到叶根逐步增加，如相对厚度不变，可取额定工况点的（）为叶根的。即叶根处：＝＝0，8，然后依直线规律到叶尖减少。对各断面依此进行以下计算：

（1）       利用叶栅气动力基本方程计算弦长b。例如：

（2）       计算叶型安放角：

（3）       叶栅绘型

例题：设计轴流通风机叶轮，给定如下设计参数：

单独叶轮级：                                   

计算表格和初步结果如下：

压力系数

选取叶型： 

  D选取    0.7          1.13        1.41        1.645             1.85

      选取0.82                           

计算，轮毂――轮缘：变小

和：根据选用叶型确定

Z（选取）

轮毂――轮缘：减少，减少

图 5-9

§5  孤立叶型设计方法之二

设计参数：流量：，全压：    和转速：（），设计步骤如下：

1．流量系数：

       比转速：

2．压力系数：

3．直径系数：

4．转速系数：

       直径系数，转速系数和压力系数流量系数的关系：

若已知优化的，，即可以求出优化的、，这样优化的直径和转速为：

计算步骤：

1．  求转速系数：

图5-10

根据图5-10求出相应和 

2．  计算和

然后估计效率

       3．

       4．

5．选Z

6．计算各毂面的转速，由断面方程         

§6 平板叶栅吹风试验数据

一．平面叶栅吹风试验（根据试验求，，）如图5-11

图5-11

测量叶栅前后气流速度的大小方向，以及压力，计算出理论升力系数和阻力系数。

理论升力系数：

                                                （5-27）

                                                         （5-8）

又   

、是叶栅进口的滞止压力（总压）

 进口的净压

                                                     （5-9）

实际升力系数：

              因为      

                                          （5-10）

这样就可以得出不同攻角情况下的、、曲线如图5-12

也可以用气流折转角代替升力系数。

在计算时用作为设计工况或称额定工况点。

二．叶栅额定特征线

人们经过一定数量叶栅吹风试验数据的分析研究后。当，，， 条件下，气流折转角主要是与和有关。

即：      

这样可以将已有的叶栅试验曲线的数据，，画成曲线如图5-12。

图5-12

霍威尔提出经验公式计算叶栅的相对栅距和额定升力系数：

当时：

及茨威费尔经验公式：

三，平面叶栅吹风试验的翼型造型

（一）   原始叶栅

对称叶型用的最多例如：    叶型（）和叶型（）

（二）   翼叶造型的几何角

（1）    （）                                         （5-11）

（2）                                                                  （5-11）

通风机叶栅气流滞后角：

                                                        （5-13）

                                              （5-14）

收敛型叶栅（透平叶栅）

                                                               （5-15）

（3）                                            （5-16）

（三）   叶型中心线绘型

1．圆弧中心线

       由两段圆弧组成：，这些叶栅都是在设计工作点上工作的。

图5-13

                                                                         （5-17）

                                                                        （5-18）

和为叶型前后缘方向角。

       一般取，，

如果用一个圆弧

                                                 （5-19）

图5-14

（2）抛物线中心线

                                        （5-20）

             （略去一项）

                                                               （5-21）

                                                     （5-22）

      ，，

      中心线长度

      双圆弧                                          （5-23）

      单圆弧                                                            （5-24）

      抛物线                                                          （5-25）

图5-15

§7 叶栅设计方法之一

1．选择风机转速，计算比转速：

               并选择级的方案

2．确定，并验算（同叶型设计方法之一）

3．选择  （同叶型设计方法之一）

4．计算

5．计算

6．计算，，

7．                    求出（利用叶栅试验特征曲线）或按公式计算

8．选择，       

9．计算

10．选用   （）

11．计算    计算滞后角

12．叶栅绘型

§8 叶栅设计方法之二

对于低负荷风机：

计算系数   考虑孤立叶型与叶栅的区别：

                                                                  （5-26）

       式中：

         无限叶片数时，圆弧叶片之圆心角

           有限叶片数时的圆心角

          圆弧叶栅保角变换特性值：

其中：          

利用图5-16得出，计算出

以上用于圆弧叶栅。当采用机翼型叶栅，修正

由图5-17求出

图5-16

图5-17

§9 导叶的计算

一．前导叶

       前导叶是进口导流器，可采用机翼型或圆弧板型，产生负预旋，是加速叶栅，压力不断下降。为了提高经济性，常使进口导叶可调方式，或带有调节机构的可转功叶片。

                             （）

       出口角：        （）

              为决定，确定

              前导叶的出口环量：

              转轮的环量变化：

              一般，

              前导叶的数目略少于动叶：

叶片厚度：                 

式中：为叶片的高度。

图5-18前导叶

图5-19后导叶

二．后导叶

       后导叶即出口导流器，是一种扩压元件，其作用时把流出叶轮的偏转气流旋回轴向，同时将偏转气流的动能（）转变为静压能。因此，相对于无后导叶的单叶轴流通风机而言，装有后导叶的风机，静压效率显著提高。并使风机最高全压效率工作点和最高静压效率工作点彼此接近。对于管网阻力大的场合的风机，一般使用后导叶。

       后导叶可以采用机翼型，或等厚圆弧板叶型，试验表明，后者也有良好的空气动力性能。

       后导叶的设计计算也可以用孤立翼型法或叶栅法。

       （一）孤立叶型法

              采用公式：

                                                                                       （5-27）

              式中，为导叶直径，为导叶叶片数。

              后导叶叶片数一般为也叶轮的倍，为了防止振动，两个叶片数互为质数。导叶的安装角为：

                                                                                                  （5-28）

       （二）叶栅法：其步骤如下：

1．求出导叶进出口气流角：和

                                                                    （5-29）

                                                                                  （5-30）

                                                                                （5-31）

              一般若为零，效率更高一些。

              2．，，求出气流折转角

              然后由求出最佳稠密度

              3．选择叶片数，求出

4．确定

              5．计算弯折角

              6．            

              7．         

              例如利用Winning法的计算步骤为下列顺序计算：

                     （1）绘出直径  （0.5      0.75        1.0）

                     （2）

                     （3）

                     （4）进口

                     （5）    （）

                     （6）

                     （7）

                     （8）取，

                     （9）查图得出系数

                     （10）

                     （11）

                     （12）

                     （13）选用叶片数

                     （14）

                     （15）由叶栅稠密度计算出          

                     （16）叶栅相对厚度：

                     （17）根据翼型形式计算    ，

                     （18）

                     （19）

                     （20）

§10       径向间隙和轴向间隙

       一．径向间隙

              时：      间隙可能已被端面的附面层堵塞。

              时：      效率下降，压头减少

              间隙控制在

              效率变化可估算：      

图5-20径向间隙

       二．轴向间隙

  保持一定的厚度，主要是为了消除叶栅间的影响，保证叶栅后，对下一叶栅有均匀进气条件，

§11              集流器，整流器，扩散筒

图5-21

（1：集流器 2：整流器3：整流体 4：扩散筒）

一．整流器

       整流器的作用是使气流加速，在压力损失小的情况下，保证进气速度均匀。加整流器风机效率提高。尺寸：

       整流器的外径：   

       整流器的长度：        

二．扩散筒

       1．型式

2．效率        

令：，，为进口的压力，速度和面积，  ，，为出口的压力，速度和面积，为损失。扩散筒效率为：

              一般      

       3．  扩散筒的长度：

       4．  扩散筒的扩散角：