离心式通风机叶轮主要几何参数确定方法的研究

离心式通风机叶轮主要几何参数确定方法的研究 ResearchonMethodofDeterminationofMainGeometricParametersofCentr ifugalFanImpeller 潘地林 许云龙淮南工业学院 安徽风机厂 【摘要】应用统计的方法对大量已有的离心通风机 中找出具有规律性的东西。在此基础上提出确定风机叶轮主要几何参数的新方法,为简化计算步 骤、提高叶轮的可靠性提供帮助。 二、叶轮外径的确定1.符号 b2——叶片出口宽度,m c2r——叶片出口气流径向速度,m/sD0——叶轮进口直径,mD1——叶片进口直径,mD2——叶轮出口直径,mn——叶轮转速,r/min p——风压,PaQ——风量,m/s u2——叶轮外缘线速度,m/sB2A——叶片出口安装角,度G——风机效率,%2——叶轮出口堵塞系数S Qu25——流量系数,5=D22u24 2.确定叶轮外径的传统方法7——风压系数,7= 通常,确定叶轮外径的方法是以统计得到的叶片出口安装角B2A——————————————————————————————————————————————— 与压力系数7之间的关系曲线为基础的。在确定了叶片型式之后,一 般是初选一叶片安装角B2A,再根据B2A与7的关系曲线查出所需压 力系数7值,然后由(1)式计算叶轮必须的圆周速度u2: 3 空气动力学略图和性能参数之间的内在关系进行分析研究,发现 了比转数ns与比直径数Ds之间以 及叶片出口宽度b2与比转数ns之间存在着的对应关系。利用这 些关系提出了确定叶轮主要几何参数的新方法。 关键词:离心式通风机 叶轮 结构设计 Abstract:Theinternalrelationsbetweenalargenumberofexistingaerodynamicsketches&performanceparametersofcentrifugalfanareanalyzed&investigatedbystatisticalmethod.Thecorrespondencerelationsbetweenspecificspeedandspecificdiameter,specificspeedandimpelleroutletbreadtharefound.Newmethodwhichdeterminedthemaingeometricparametersofimpellerisputforward.Key words:Centrifugal fan Impeller Structure Design 一、引言 由于离心式通风机内部流动的复杂性,到目前为止还没有一套完 全成熟的叶轮理论设计方法。现有的设计计算方法是建立在已有经验 ——————————————————————————————————————————————— 基础之上的。因此,全面认识和理解已有的成功经验无疑会对改进现有设计方法有所帮助。本文试图应用统计的方法对大量已有的离心通风机空气动力学略图和性能参数之间的内在关系进行分析,从 2000年1月24日收到 淮南市 232001 ?设计试验 《风机技术》2000年第4期 u2= 进而由(2)式确定叶轮外径D2: (1) 5=2=2 D2u2D32n4240 3 (4) 2 D2=(2) Pn 根据现有公开发的80余种离心通风机空气动力学略图和无因次特性曲线资料,笔者重新统计了B2A与7之间的关系。统计结果示于图1 。 〔1,3〕 联立(3)、(4)两式从中消去D2,并取空气密度Q=1.2kg/m可得通风——————————————————————————————————————————————— 机比转数ns的计算公 式: (5)ns=n=14.8p7 若联立(3)、(4)两式从中消去n,并取空气密度Q=1.2kg/m3则可得到通风机比直径数Ds的计算公式: Ds=D2=1.181Q51 1 1 1 (6) 比转数ns和比直径数D2是反映通风机特征 的两个重要参数。由风机相似理论可知,当两风机相似时,其对应工况点上的ns、D2值必然分别相等;若两风机不相似,ns值的大小反映了在同流量、同压力条件下两风机转速的差别,而D2则反映了风机叶轮外径的差别。 虽然很难直接导出ns和D2之间关系的数学表达式,但由于ns、Ds均可以表示为7和5的函数,可以肯定它们之间存在某种必然的联系。一些文献以最佳转速系数和直径系数关系曲线的形式表明了这种联系。采用统计方法获得的多种已有 图1 B2A与7的对应关系 由图1可以看出,虽然B2A与7关系从总体趋势上看,大体上呈一线性关系,但这一关系是极 ——————————————————————————————————————————————— 不严格的。因此,用B2A与7的关系曲线来确定7值自然就存在着很大的随意性。例如对于后向叶片,当B2A=45?时,7的值根据图1可以取0.3也可以取为0.6,两者的差别甚大。由此得出的叶轮外径值也就根本不同。这种随意性往往会使得经验不足的设计者无所适从。因此很有必要对已有风机的参数关系进行,从中找出更具有应用价值的内在规律。 另外,图1中虚线所示的范围是沈阳鼓风机 2、4、5〕 研究所提供的B2A与7的统计关系曲线〔。新的统计结果表明该曲线存在一定局限性。 3.利用比直径数确定叶轮外径的新方法 通风机压力系数和流量系数的表达式分别为: =7=2 222 Q()D2n60 (3) 离心通风机最高效率点处ns和Ds之间的关系曲线示于图2。图中数据均取自公开发表的离心通 1,3〕 风机无因次特性曲线资料〔。 我国现行的法定计量单位是国际单位制,但目前风机行业还习惯用工程单位制。为了便于比较,在插图中用两种单位制进行了标注。 ——————————————————————————————————————————————— 图2清楚地表明了ns和Ds之间的内在关系:被统计的不同型式叶轮的比直径数Ds都随比转数ns的增加而近似地按双曲线规律减小;但不同型式叶轮Ds值的下降速率有所不同。在ns值相同的条件下,前向叶轮的Ds值小于径向叶轮;而径向叶轮又小于后向叶轮。由于三种型式叶轮的ns-Ds关系曲线都基本上是单调变化的,在进行叶轮设计时,运用此关系曲线可以方便准确地计算出所需叶轮的外径D2的大小。具体计算步骤是:首先根据基本设计参数p、Q、n由(5)式计算ns,再根据ns值的大小确定叶轮型式并由图2查得Ds,最后由(6)式求得D2。 2 =D2 2r42S2u (9) 使用(9)式时需先给定c2r/u2的值。在已知b2/D2值时,同样可以由该式推算出风机设计时c2r/u2的取值。文献〔4〕认为c2r/u2的值与B2A的大小有关,并提出当B2A=35?,48?时,c2r/u2=0.21,0.25;B2A=48?,60?时,c2r/u2=0.25,0.28 。 ?——后向叶轮 *——径向叶轮 ?——前向叶轮 图2 ns和Ds关系曲线 三、叶片进口直径D1和叶片出口宽度b2的确定 1.叶片进口直径D1的确定 ——————————————————————————————————————————————— 一般认为叶片进口直径D1的选择余地相对较大。文献〔2〕、〔5〕推荐先使用下述经验公式计算出叶轮进口直径D0: D0=(0.85,1.2)D2K0(7) 7再根据比转数的大小和具体的叶轮结构型式,在D1=(0.9,1.1)D0范围内确定D1的值。由于(7)式中系数K0本身与D0有关,使用该式计算D0一般需经过反复试算,很不方便。 文献〔6〕给出了根据叶道中的损失最小原则计算叶片进口直径D1的公式: 1 D2?1.1945 1 ?——后向叶轮 *——径向叶轮?——前向叶轮 ——式(8) 图3 D1/D2与5的关系曲线 为了检验上述经验数据的可靠性,取S2=1,用(9)式对近50种后向叶轮风机设计工况上的c2r/u2值进行了计算统计(图4)。从统计得到的结果来看c2r/u2的值与B2A的大小并没有很直接的关系,上述经验取值范围似乎仅表示c2r/u2取值范围的上限(图中虚线),很多风机的实际取值都低于该界限。 故认为这种方法存在一定的局限性。 (8) 统计了已有风机的D1/D2值与流量系数5之间的关系(图3)。统计结果表明:除了一些多翼风机外(其D1/D2值多为0.8),绝大部分风机——————————————————————————————————————————————— 的D1/D2值都落在由公式D1/D2=1.19451/3所决定的曲线附近。故可以认为用式(8)来确定D1/D2较为方便可靠。 2.叶片出口宽度b2的确定 对于后向叶轮,应用连续方程可以导出计算叶片出口宽度b2的公式: 图4 B2A与c2r关系的统计图 ?设计试验 《风机技术》2000年第4期 对于前向叶轮,通常是根据D1/D2值的大小来选择叶片进出口宽度的值。 经统计,发现离心式通风机的叶片出口宽度b2与比转数ns之间存在着明显的对应关系(图5)。统计结果表明:前向叶轮和后向叶轮的b2与ns的对应关系大体上是两个线性关系,前向叶轮的b2-ns关系直线的斜率大于后向叶轮。显然在叶轮设计过程中,可以根据ns值的不同,直接参考图5来方便地确定合适的叶片出口宽度b2。应指出的是:b2确定后,c2r/u2 的值也就随之确定了。 式中 K——环流系数 Gh——叶轮流动效率 如果验算结果与设计要求相差较大,就需重新选择一B2A,再重复所有的计算步骤,直至验算结果与设计要求相差不大为止。 统计研究结果表明B2A与叶轮的其它主要几何参数并没有非常——————————————————————————————————————————————— 直接的关系。因此完全可以按提出的方法在确定了叶轮的其它参数以后,再综合考虑各方面因素选择一B2A并带入(10)式进行验算。如果未满足设计要求,只需调整B2A本身的大小即可,不必改动叶轮的其它参数。这样就大大地简化了设计计算过程。 五、结论 (1)离心式通风机的比转数ns与比直径数Ds 之间存在着明确的对应关系;不同型式叶轮的ns-Ds关系曲线形状有所不同。在进行叶轮设计时,利用此关系曲线可以方便准确地计算出所需叶轮外径D2的大小。 (2)离心式通风机的叶片出口宽度b2与比转数ns之间也存在着一定的对应关系。前向叶轮和后向叶轮的b2-ns关系曲线大体上是两条直线,前向叶轮的直线的斜率大于后向叶轮。利用此关系曲线可以方便地确定叶片出口宽度b2。 (3)叶片出口安装角B2A与叶轮的其它主要几何参数之间并没有非常直接的关系。叶轮设计时, ?——后向叶轮 *——径向叶轮 ?——前弯叶轮 可以在先确定其它主要参数后,再选择合适的叶片出口安装角。 参 考 文 献 图5 ns与b2/D2关系曲线 四、叶片出口安装角B2A的确定 理论分析和实践经验均表明叶片出口安装角B2A与通风机的性能特性及噪声特性有着直接的关系。因此,在选择B2A值的大小时,要——————————————————————————————————————————————— 根据具体情况,把各方面的因素综合在一起加以考虑。 传统的设计方法认为叶轮的主要几何参数是与B2A直接相关的。因此,在一开始就选择一B2A,并以此来决定风机叶轮的其它参数,最后用下式来验算可能产生的风压: 2r2 p=KGhQu2(1-pu2ctgB2A) (10) 1 陈富礼,于绍和译.通风机气动略图和特性曲线.煤炭工业出 版社,1986. 2 沈阳鼓风机研究所,东北工学院编.离心式通风机.机械工业 出版社,1984. 3 离心式与轴流式通风机编写组.离心式与轴流式通风机.电力 工业出版社,1980. 4 李庆宜编.通风机.机械工业出版社,1981.5 商景泰主编.通风机.机械工业出版社,1994.6 EchB.Fans.PergamonPress,Oxford,1973. ———————————————————————————————————————————————