离心通风机的优化组合设计方法实例

离心通风机的优化组合设计方法实例作者：沈阳鼓风机厂上官心乐一、前言Y4-73系列锅炉引风机是60年代设计的，作为20万千瓦以下火电机组锅炉引风之用。叶轮的叶片为中空机翼形，传动部分为悬臂式(D式)结构的单吸入风机。因此存在烟灰磨漏叶片后中空部分进灰问题，影响转子平衡，另外悬臂式传动对转子平衡也很敏感，容易造成电厂停机故障。后来虽又设计了叶轮在两轴承间的(F式)传动方式，但中空叶片进灰问题终未解决。因此80年代国家即下达科研任务，研制用单板叶片的叶轮设计双吸入(F式)离心引风机。文献1是单板叶片叶轮风机研制工作的总结和体会，下面更具体的阐述一下这一研制方法。由于主要是谈设计方法，所列工作内容不够全面，空气动力学略图和特性曲线以及模型风机的性能曲线是按单吸入不带进气室的参数给出的，而实际产品的性能选择曲线及特性曲线是按双吸入带进气室的风机参数给出的(详细性能见产品样本)。二、设计方案由于原Y4-73型风机内效率较高，不带进气室风机的内效率η≈0.89，带进气室风机的内效率η≈0.85，因而用单板叶片的叶轮设计的新风机的内效率也不能太低，否则，这种风机就没有生命力。当确定新风机尺寸大小及性能参数时，首先考虑的是，新的双吸入风机的性能要基本上能满足Y4-73风机的性能，其比转数在转速不变的情况下，也要接近原风机比转数ns≈73的要求。但为了简单起见，我们的研究工作是先设计单吸入风机进行试验研究，当各种参数基本达到要求后，再在此基础上增加进气室和导流器，设计双吸入风机。此时，单吸入新风机的比转数应是ns≈≈52。对新风机压力系数的要求，应是越大越好，因为压力系数越大风机直径越小，相应的风机的体积就小、重量就轻。在具体设计中，压力系数到底应选多大合适，这要由设计者全面衡量考虑后决定，不同的设计者，可能有不同的选择，这都是正常的。实际上，如果按将原Y4-73风机的转速由原730提高到960r/min来设计新的双吸入风机，那么其比转数应为ns=960/730×73=96，而单吸入风机比转数应是。这个比转数较大，按其设计出的风机，压力系数较低，叶轮较宽，在现实情况下，叶轮强度很难满足锅炉引风机的要求，因而没有按此进行设计新风机，但也不排除在今后技术和材质等方面都进一步提高的情况下，有可能按此方案设计新风机。反之，如果将原转速730降低到580r/min来设计新的双吸入风机，那么其比转数应为ns=580/730×73=58，而单吸入风机比转数应是，这个比转数较小，按其设计出的风机，叶轮直径和风机体积及重量都可能较大，因而也没有按此方案设计新风机。综上所述，采用了双吸入新风机比转数ns≈73，单吸入风机比转数ns≈52的参数来设计模型，进行试验研究。叶轮要求是单板形的叶片，虽不如原机翼形叶片，但内效率也要求接近原Y4-73风机的水平。采用新双吸入风机比转数与原Y4-73风机相近进行设计的另一重要理由是，利用新双吸入风机代替改造Y4-73老风机时，原有的电动机不需更换。三、空气动力学略图经多次模型试验，最后选定5-56№6.3和6-49№7.1两风机模型，并以此制订空气动力学略图尺寸(见图1)。这两风机叶轮外径比为1.12。图1离心通风机空气动力学略图将两个风机的空气动力学略图绘制在一起，是为了便于说明两个风机在设计上的内在关系和设计特点。1.叶轮主要尺寸及机壳出口和进风口的进口尺寸均为优先数系中的值，其中除叶轮总宽度尺寸为R40数系外，其它均为R20数系中的值。这样一来，当按这两个风机的空气动力学略图设计系列风机时，其机号(叶轮外径D)按优先数系(一般按R20)排列时，各机号风机的主要尺寸也将符合优先数系中的值。这会给设计工作带来极大方便。2.图1中，尺寸线上标有两个数值的，括号外为5-56风机的尺寸，括号内为6-49风机的尺寸，只有一个数值的，是两个风机共用的尺寸。3.5-56风机的特点是，设计时为了提高风机的内效率，叶片自前盘至后盘，前半部(进口端)采用了扭曲结构，而且直径D1越来越小，进气角β1也不相同，后半部(出口端)采用了单圆弧结构，出口角β2=50°。另外，叶轮自外径φ100至φ115是叶轮的无叶扩压器。机壳蜗线是按对数蜗旋线设计的。4.6-49风机可以说是由5-56风机派生出来的一个风机，而5-56风机是基本型的。当然，反过来说也未尝不可。如果将5-56风机的叶轮外径φ100按R20的比值1.12(理论值为1.122)倍增大(即φ100×1.12=φ112)到φ112，并将叶片按原弧线在无叶扩压器内由100延伸到φ112处，此时将φ112视为新叶轮外径，那么这个新叶轮的叶片出口角β2=57.5°。如果将φ112新叶轮中所有尺寸均除以R20的比值1.12，并将得到的数值加上括号，那么，这个新的叶轮外径=φ100的叶轮，就是按空气动力学略图要求给出的6-49风机的叶轮。6-49风机的进风口尺寸以及机壳宽度尺寸均按5-56风机的尺寸除以1.12得出，而机壳的蜗线部分两风机采用了同一尺寸。叶轮图中的尺寸φ112只是为了说明5-56与6-49两风机尺寸转换中使用的数值，转换工作完成后就没有存在的必要了。此时，可以将5-56和6-49两风机的空气动力学略图分别绘制就行了。四、特性曲线及性能曲线风机的特性曲线是由5-56№6.3(D=630mm，n=1450r/min)和6-49№7.1(D=710mm，n=1450r/min)试验取得的，两风机模型叶轮外径之比为710/630≈1.12，符合优先数系中R20比值，模型尺寸的设计符合图1中空气动力学略图的要求，№7.1的叶轮是将№6.3的叶轮由外径φ630mm处将叶片按原弧线延至外径φ710mm处得到的，两风机进风口尺寸及机壳宽度完全一样(双吸入模型中两风机的进气室和调节门也完全一样)，机壳蜗线按空气动力学略图中尺寸设计。由№6.3和№7.1两模型试验求得的5-56与6-49风机无因次特性曲线是按最高内效率90%范围内绘制的，见图2中的Ⅰ和Ⅱ，而曲线Ⅲ(5-53风机特性曲线)是由内插法求出的，它介于5-56与6-49两风机特性曲线之间。图2离心通风机特性曲线现将5-53风机特性曲线的求法简述于下。将5-56与6-49的特性曲线按流量系数坐标分为大致相等的5个点，最好包括内效率最高点在内，然后分别将这5个点的流量系数全压系数和内效率η的值在特性曲线中查出，并列于表1中。表1将5-56和6-49两风机在表1中各对应点的、、η分别相加，取平均值，即可求得5-53风机的各数据。以第一点的参数为例说明如下。5-53风机的流量系数=(0.11+0.09)÷2=0.10，全压系数=(0.56+0.602)÷2=0.584，内效率η=(0.775+0.79)÷2=0.783，以下各点的数据可依次类推求出。5-53风机的各数据列于表2。表2由于5-53风机的特性曲线介于5-56与6-49两风机特性曲线之间，因而它仍可认为是由5-56风机派生出来的，即将空气动力学略图中5-56风机叶轮外径φ100按R40数系的比值1.06(理论值为1.0593)倍增大(即φ100×1.06=φ106)到φ106，并将叶片按原弧线在无叶扩压器内由100延伸到106，此时将φ106视为新叶轮外径，那么这个新叶轮的叶片出口角β2=53.8°，这个叶轮就是5-53风机的叶轮。由于5-53风机的叶轮大小介于5-56与6-49两风机之间(6-49叶轮由5-56风机叶轮外径φ100延伸至φ112得出的，而5-53叶轮是由5-56风机叶轮外径延伸至φ106得出的)，所以它的机壳、进风口等可相应的与5-56或6-49风机通用。如欲制订5-53风机空气动力学略图，应经风机模型试验，求得准确的特性曲线后再作这一工作，而图2中的5-53风机特性曲线是人为地由内插法求出的，只能作为设计和使用者参考。注：1.进气状况：进气压力p1=101325Pa进气温度t1=20℃气体密度ρ1=1.2kg/m32.风机转速n=1450r/min图3离心通风机性能曲线图比较图2和图3可以发现，在图2中流量系数比较小的风机，在图3中反而流量较大，这是因为特性曲线是按各风机叶轮外径都一样时的曲线，而图3中三个风机叶轮外圆直径都不一样的缘故。为什么要在5-56风机的基础上将其叶轮的叶片按优先数系R20比值1.12延长再派生出6-49风机呢?由于6-49№7.1的叶轮除叶片较5-56№6.3的叶轮叶片较长外，其他条件则完全一样，同时因为这两个风机叶轮前盘进口一样时，所用进风口也一样(双吸入风机的进气室和调节门也一样)，给生产厂家将带来诸多方便，使用单位亦可增加5-56叶轮外径或减小6-49叶轮外径，达到改变风机性能的目的。五、双吸入风机性能选择曲线和特性曲线这里给出了我厂为满足5万到30万千瓦火电机组设计的双吸入引风机Y5-2×56№20，25，32和Y6-2×49№22.4，28性能选择曲线图(见图4)。图4双吸入离心引风机性能选择曲线图图4中的性能选择曲线是分别按5-2×56和6-2×49双吸入风机特性曲线图(见图5和图6)中调节叶片为0°(即全开)、内效率η≥0.75时换算后绘制的。特性曲线分别是由5-2×56№6.3(D=630mm)和6-49№7.1(D=710mm)，在转速n=1450r/min时试验得出的。图5Y5-2×56双吸入风机特性曲线图图6Y6-2×49双吸入风机特性曲线图如欲了解Y5-2×56和Y6-2×49双吸入锅炉引风机详细设计外形尺寸以及性能等请参阅我厂的风机产品样本。六、用两种型式风机设计引风机的目的过去生产的Y4-73№20，22，25，29.5及31.5F式传动的单吸入引风机是用一个空气动力学略图设计的共6个机号的系列产品，以满足5～20万千瓦火电机组的锅炉引风之用。此种用一个空气动力学略图设计系列产品的方法比较简单，但各机号间虽然尺寸相似但不相同，因而生产比较复杂。比如，这6个机号的产品，除轴承箱和部分零部件相近机号通用外，叶轮、进气室、调节门、进风口等，每个机号都不一样，必要的工装胎具就得准备6套。回过头来再看图4，为满足5～20万千瓦火电机组锅炉引风之用，只设计了Y5-2×56№20、25和Y6-2×49№22.4、28共4个机号(Y5-2×56№32是专为30万千瓦火电机组设计的)的产品，而空气动力学略图却用了两个。而两系列产品相邻机号间叶轮外径的比值均符合优先数系R20的比值1.12，即由前5-56与6-49两风机空气动力学略图关系已知，№20和№22.4以及№25和№28的叶轮前后盘都一样，仅6-49的叶片较长而已，另外机壳宽度也一样仅蜗线不同，进气室、调节门、进风口都一样，传动部分也一样，所以生产比较简单，必要的工装胎具只需准备两套就行了。实际上，如果用一个空气动力学略图(用Y5-2×56或Y6-2×49)也能满足这一流量和全压范围的要求，那么这同一系列风机的4个机号大多数零部件都不一样，相应的工装胎具也得准备4套。七、结束语1.设计风机模型或空气动力学略图时，所有尺寸优先按R20数系中的值选用(依次为R40、R80中的值)，而凡是略图中的数值为优先数系中的值，同时产品中各机号(即叶轮外径D)也按优先数系排列时，其相应尺寸亦应按优先数系中的值选用。由于优先数系中的值并非理论计算值，故使用中允许计算出的值与优先数系中的值有一定差别，如空气动力学略图中尺寸为40，用于№22.4时计算值为40×22.4=896，实际上就要选用900。2.对于一个较好的空气动力学略图，如欲改变性能，可加宽或减窄叶轮，亦可加长或减短叶片。采用后者对进气流场影响较小，容易保持原有风机的内效率值或略有改变，本文所述即为实例。3.用户亦可加长5-56或减短6-49风机叶片达到改变风机性能的要求，得到如前述的5-53性能曲线。4.本双吸入风机调节叶片在进气室进口处，调节效率不如放在进风口处的调节叶片，望今后能继续有人研究这一工作。5.我于1996年在抚顺电厂曾了解过用于30万千瓦火电机组的Y5-2×56№32引风机的使用情况，它运转平稳，噪声特低，叶轮