风机基本知识与选型的计算公式

1风机基本知识与选型的计算公式本章风机是指通风机而言。由于通风机的工作压力较低，其全压不大于1500mmH2O,因此可以忽略气体的压缩性。这样，在通风机的理论分析和特性研究中，气体运动可以按不可压缩流动处理。这一近似使得通风机与水泵在基本原理、部件结构、参数描述、性能变化和工况调节等方面有很多的相同之处，在水泵的各相关内容中已作了论述。但是，由于流体物性的差异，使通风机和水泵在实际应用的某些方面有所不同，形成了通风机的一些特点。第一节风机的分类与构造一、风机分类1、按风机工作原理分类按风机作用原理的不同，有叶片式风机与容机式风机两种类型。叶片式是通过叶轮旋转将能量传递给气体；容积式是通过工作室容积周期性改变将能量传递给气体。两种类型风机又分别具有不同型式。离心式风机叶片式风机轴流式风机混流式风机往复式风机容积式风机回转式风机2、按风机工作压力（全压）大小分类（1）风扇标准状态下，风机额定压力范围为p98Pa(10mmH2O）。此风机无机壳，又称自由风扇，常用于建筑物的通风换气。（2）通风机设计条件下，风机额定压力范围为98Pap14710Pa(1500mmH2O)。一般风机均指通风机而言，也是本章所论述的风机。通风机是应用最为广泛的风机。空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。（3）鼓风机工作压力范围为14710Pap196120Pa。压力较高，是污水处理曝气工艺中常用的设备。（4）压缩机工作压力范围为p196120Pa，或气体压缩比大于3.5的风机，如常用的空气压缩机。二、通风机分类通风机通常也按工作压力进行分类。低压风机p980Pa(100mmH2O)离心式风机中压风机980Pap2942Pa(300mmH2O)高压风机2942Pap14710Pa(1500mmH2O）通风机低压风机p490Pa(50mmH2O）轴流式风机高压风机490Pap4900Pa(500mmH2O）三、离心式风机主要部件离心风机的主要部件与离心泵类似。下面仅结合风机本身的特点进行论述。21.叶轮叶轮是离心泵风机传递能量的主要部件，它由前盘、后盘、叶片及轮毂等組成。叶片有后弯式、径向式和前弯式（见离心泵叶片形状，图2—16），后弯式叶片形状又分为机翼型、直板型和弯板型。叶轮前盘的形式有平直前盘、锥形前盘和弧形前盘三种，如图4—1所示。（a）平直前盘(b)锥形前盘(c)弧形前盘图4-1前盘形式2.集流器将气体引入叶轮的方式有两种，一种是从大气直接吸气，称为自由进气；另一种是用吸风管或进气箱进气。不管哪一种进气方式，都需要在叶轮前装置进口集流器。集流器的作用是保证气流能均匀地分布在叶轮入口断面，达到进口所要求的速度值，并在气流损失最小的情况下进入叶轮。集流器形式有圆柱形，圆锥形，弧形，锥柱形和锥弧形等，如图4-2所示。弧形，锥弧形性能好，被大型风机所采用以提高风机效率，高效风机基本上都采用锥弧形集流器。(a)圆柱形(b)圆锥形(c)弧形(d)锥柱形(e)锥弧形图4-2集流器形式3.涡壳涡壳作用是汇集叶轮出口气流并引向风机出口，与此同时将气流的一部分动能转化为压能。涡壳外形以对数螺旋线或阿基米德螺旋线最佳，具有最高效率。涡壳轴面为矩形，并且宽度不变。涡壳出口处气流速度仍然很大，为了有效利用气流的能量，在涡壳出口装扩压器，由于涡壳出口气流受惯性作用向叶轮旋转方向偏斜，因此扩压器一般作成沿偏斜方向扩大，其扩散角通常为6。～8。，如图4-3所示。离心风机涡壳出口部位有舌状结构，一般称为涡舌（图4-3）。涡舌可以防止气体在机壳内循环流动。一般有涡舌的风机效率，压力均高于无舌的风机。3图4-3涡壳图4-4进气箱4.进气箱气流进入集流器有三种方式。一种是自由进气；另一种是吸风管进气，该方式要求保证足够长的轴向吸风管长度；再一种是进气箱进气，当吸风管在进口前需设弯管变向时，要求在集流器前装设进气箱进气，以取代弯管进气，可以改善进风的气流状况。进风箱见图4-4所示。进气箱的形状和尺寸将影响风机的性能，为了使进气箱给风机提供良好的进气条件，对其形状和尺寸有一定要求。（1）进气箱的过流断面应是逐渐收缩的，使气流被加速后进入集流器。进气箱底部应与进风口齐平，防止出现台阶而产生涡流（见图4-4）。（2）进气箱进口断面面积inA与叶轮进口断面面积oA之比不能太小，太小会使风机压力和效率显著下降，一般inA/oA≮1.5；最好应为inA/oA=1.25～2.0（见图4-4）。（3）进风箱与风机出风口的相对位置以90。为最佳，即进气箱与出风口呈正交，而当两者平行呈180。时，气流状况最差。5.入口导叶在离心式风机叶轮前的进口附近，设置一组可调节转角的导叶（静导叶），以进行风机运行的流量调节。这种导叶称为入口导叶或入口导流器，或前导叶。常见的入口导叶有轴向导流器和简易导流器两种，如图4-5所示。入口导叶调节方式在离心风机中有广泛的应用。图4-5离心式风机的入口导流器（a）轴向导流器结构示意图(b)简易导流器结构示意图1入口导叶2叶轮进口风筒3入口导叶转轴4导叶操作机构四、离心风机结构型式4离心风机一般采用单级单吸或单级双吸叶轮，且机组呈卧式布置。图4-6所示为4-13.2（工程单位制为4-73）—11№16D型高效风机。该风机为后弯式机翼型叶片，其最高效率可达93%，风量为17000～68000m3/h，风压为600～7000Pa，叶轮前盘采用弧形。风机进风口前装有导流器，可进行入口导流器调节。根据风机使用条件的要求不同，离心风机的出风口方向，规定了“左”或“右”的回转方向，每一回转方向分别有8种不同出风口位置，如图4-7所示。另可补充15。、30。、60。、75。、105。、120。……角度。图4-64-13.2（4-73）—11№16D型风机1机壳2进风调节门3叶轮4轴5进风口6轴承箱7地脚螺栓8联轴器9、10地脚螺钉11垫圈12螺栓及螺母13铭牌14电动机图4-7出风口位置五、轴流式风机轴流式风机与轴流式水泵结构基本相同。有主轴、叶轮、集流器、导叶、机壳、动叶调节装置、进气箱和扩压器等主要部件。轴流风机结构型式见图4-8所示。图4-8轴流式（通）风机结构示意图（两级叶轮）1进气箱2叶轮3主轴承4动叶调节装置5扩压器6轴7电动机由于轴流式风机（包括轴流式泵）具有较大的轮彀，故可以在轮彀内装设动叶调节机构。动叶调节机构有液压式调节和机械式调节两种类型。该机构可以调节叶轮叶片的安装角，进5行风机运行工况调节。目前，国内外大型轴流风机与轴流泵都已实现了动叶可调。导叶是轴流式风机的重要部件，它可调整气流通过叶轮前或叶轮后的流动方向，使气流图4-9轴流泵与风机的基本型式（a）单个叶轮机(b)单个叶轮后设置导叶(c)单个叶轮前设置导叶(d)单个叶轮前、后均设置导叶以最小的损失获得最大的能量；对于叶轮后的导叶，还有将旋转运动的动能转换为压能的作用。导叶设置如图4-9所示。叶轮后设置导叶称后导叶。后导叶设置在轴流风机和轴流泵中普遍采用。叶轮前设置导叶称为前导叶。目前，中、小型轴流风机常采用前导叶装置。在叶轮前后均设置导叶是以上两种型式的综合，可转动的前导叶还可进行工况调节。这种型式虽然工作效果好，但结构复杂，仅适用于轴流风机。第二节离心风机性能曲线离心风机性能曲线，即压力p、效率、功率N与流量Q的关系曲线，与离心泵性能曲线的理论定性分析和实测性能曲线的讨论是完全类似的。但是，由于流体的物理性质的差异，使得在实际应用中，离心风机的性能曲线与水泵有所不同。如离心风机的静压、静压效率曲线，离心风机的无量纲性能曲线，都在风机中有重要的应用。一、风机的全压与静压性能曲线1、风机的全压、静压和动压水泵扬程计算式是根据水泵进出口的能量关系，对单位重量液体所获得的能量建立的关系式，即H=（Z2-Z1）+gpp12+gvv22122（m）对于水泵，（Z2-Z1）+gvv22122gpp12。故在应用中，水泵的扬程即全压等于静压，也就是水泵单位重量液体获得的总能量可用压能表示。建立风机进出口的能量关系式，同气体的位能g(Z2-Z1)可以忽略，得到单位容积气6体所获能量的表达式，即12ppp（2222vpst）-（2121vpst）(N/㎡)(4—1)即风机全压p等于风机出口全压2p与进口全压1p之差。风机进出口全压分别等于各自的静压1stp、2stp与动压212v、222v之和。式（1）适用于风机进出口不直接通大气（即配置有吸风管和压风管）的情况下，风机性能试验的全压计算公式。该系统称为风机的进出口联合实验装置，是风机性能试验所采用的三种不同实验装置之一。风机的全压p是由静压stp和动压dp两部分组成。离心风机全压值上限仅为1500mm（14710Pa），而出口流速可达30m/s左右；且流量Q（即出口流速2v）越大，全压p就越小。因此，风机出口动压不能忽略，即全压不等于静压。例如，当送风管路动压全部损失（即出口损失）的情况下，管路只能依靠静压工作。为此，离心风机引入了全压、静压和动压的概念。风机的动压定义为风机出口动压，即22221vppdd(N/㎡)（4—2）风机的静压定义为风压的全压减去出口动压，即21222121122vPpvppppststdst(N/㎡)（4—3）风机的全压等于风机的静压与动压之和，即2dstppp(N/㎡)（4—4）以上定义的风机全压p，静压stp和动压2dp，不但都有明确的物理意义；而且也是进行风机性能试验，表示风机性能参数的依据。2、风机的性能曲线从上述各风压的概念出发，按照性能曲线的一般表示方法，风机应具有5条性能曲线。（1）全压与流量关系曲线（Qp曲线）；（2）静压与流量关系曲线（Qpst曲线）；（3）轴功率与流量关系曲线（QN曲线）；（4）全压效率与流量关系曲线（Q曲线）；（5）静压效率与流量关系曲线（Qst曲线）。5条性能曲线中，Qpst曲线与Qst曲线是有别于水泵的两条性能曲线。全压效率计算方法同水泵，即=NNu/NPQ1000（4—5）式中：p—全压（N/㎡）；Q—流量（m3/s）；N—轴功率（KW）。静压效率st定义为风机的静压有效功率与风机的轴功率之比，即7stNNstu/NQpst1000（4—6）离心风机性能曲线如图4—10所示。图4—10典型后向叶轮离心通风机的性能曲线图4—115-48型离心通风机的无量纲性能曲线二、风机无量纲性能曲线1.风机的无量纲性能系数根据泵与风机的相似定律，与某一风机保持工况相似的任一风机（其性能参数均以下标“m”表示），在效率相等（m）的条件下，相似三定律可分别表示为mmnnQQ3（4-7）mmmnnpp22(4-8)mmmnnNN35(4-9)注意到，以叶轮外径表示的几何比尺mDD22，叶轮出口牵连速度6022nDu，引入叶轮圆盘面积4222DA。分别对上面3个定律的表达式进行无量纲化，并考虑到、2u、和2A的关系，得到风机的无量纲性能系数。（1）流量系数Q由流量相似定律表达式（4-7）有8mmmnDQnDQ3232两端同除604后写为604604222222mmmmnDDQnDDQ最后可得流量系数，这是一个与流量有关的无量纲数，即常量mmmAuQAuQQ2222（4-10）式（4-10）表明，工况相似的风机，其流量系数应该相等，且是一个常量。流量系数大，则风机流量也大。（2）压力系数p由压力相似定律表达式（4-8）有222222mmmmnDpnDp两端同除260后写为22226060mmmmnDpnDp最后可得压力系数，这是一个与压力有关的无量纲数，即常量2222mmmupupp（4-11）式（4-11）表明，工况相似的风机，其压力系数应该相等，且是一个常量。压力系数大，则风机的压力也高。压力系数也是风机型号编制的依据之一。