离心通风机的设计原则

离心通风机的设计与计算包括：结构设计、空气动力计算及强度计算等。本章着重讨论空气动力计算，也谈及一些结构设计问题。

在效率尽可能高的条件下，为满足所需要的流量、全压及其他要求，所进行的通风机流道几何尺寸的计算，称之为空气动力计算，简称为气动力计算。

通过气动力计算，可决定出通风机流道的几何尺寸，将其化成叶轮直径D₂的百分数，可得出它们的相对尺寸。以此相对尺寸所绘出的通风机几何图形（不包括各零件的厚度）称之为通风机的空气动力略图，空气动力略图是同一类型通风机所共有的几何图形。

在通风机的设计与计算中，除了要满足一定流量和全压以外，还有以下一些要求。

图3-37 决定通风机工作区示意图

1.工作区域要大

通风机工作区域越大，它所适用的范围就越广。在产品系列化设计时，就可用较少的机号布满一定的流量-全压范围。

工作区域的大小，可以利用几何不同的指标来评定，这里只介绍两种。

1）等积孔变化幅度λ_A：

式中 A_max——工作区域中的最大等积孔系数（见图3_-37）；

——工作区域中的最小等积孔系数（见图3_-37）。

2）流量变化范围Δφ：

Δφ=φ_max-φ_min

式中 φ_max——工作区域中的最大流量系数（见图3-37）；

φ_min——工作区域中的最小流量系数（见图3-37）。

2.调节深度要深

如果某通风机没有调节装置，在系列化曲线上将会出现空白区。这会使通风机增加不必要的电能消耗。为了避免不必要的电能消耗及满足用户所需要的风量，尤其是工况不断变化的通风机，必须附带调节装置。通风机的调节性能可用额定流量下的调节深度ε来衡量：

式中 ψ_smax——整个工作范围内与最高效率相对应的最大静压系数；

ψ_smin——整个工作范围内与最高效率相对应的最小静压系数。

以前导器调节的无因次曲线为例，来说明通风机工作范围的确定方法（见图3-38）。为了确定工作范围，首先在不同前导器角度的压力系数曲线上画出等效率曲线。允许使用的最低效率的等效率曲线与各压力系数曲线分别相交于3、5、7、8、6、4及2各点。其次，再画出喘振线1ab。为保证通风机经济地且可靠地运转，通风机的工况不应超出1a5786421连成的区域范围（见图3-38）。该范围称为η_st≥0.6的工作范围。

通风机的调节深度越大，说明通风机的调节性能越好。采用前导器调节时，ε=0.4～0.6。例如强后向翼形离心风机，当采用轴向前导器时，其调节深度ε=0.5。用改变尾翼安装角来进行调节时，其调节深度为ε=0.78～0.8。可见改变尾翼角度的调节方法，在调节性能上比用前导器调节好。因此这种方法已为国外所采用。

3.通风机及其设备的平均效率要高

通风机设备是通风机及其附加部件（如进气箱及扩散器等）的总称。通风机设备全效率_ηu为

式中，p_u为通风机设备全压，它是单位体积的空气经过通风机设备时所获得的能量。

通风机及其设备在管网工作时，其工况点不一定落在额定工况上。尤其是管网阻力改变频繁，工况时常变化的通风机，如电站通风机。因此把通风机额定工况下的全效率，作为评定通风机经济性的指标是不恰当的，以平均效率做为评定通风机经济性的指标比较合理。

通风机的调节方法可以概括为平滑式及阶段式两种。在整个工作范围内，能够进行连续的、平滑的调节，称之为平滑式调节，如前导器角度能自动的调节。在整个工作范围内，不能进行连续的、平滑的调节，称之为阶段式调节，如分档改变前导器角度的调节。

图3-38 确定通风机工作范围用图

平滑调节时的平均效率η_a可用公式（3-105）、公式（3-106）计算：

或

计算平均效率时，可在通风机工作范围内分成许多小方块，从这些小方块几何中心可查出有关数值，然后利用公式（3-105）或公式（3-106）计算出η_a。

阶段式调节时的平均效率可用公式（3-107）、公式（3-108）计算：(www.xing528.com)

或

为了计算η_a，可在通风机工作范围中，在相邻两压力曲线间，选取许多平均工况点，经过这些平均工况点，引相当于管网曲线的辅助抛物线，进而计算出有效功率（或用有效功率系数）及轴功率P_sh（或轴功率系数λ）。

采用阶段式调节时，通风管网中会有多余的风量。这将增加不必要的电能消耗。

在上述计算中，如果通风机的无因次曲线中用的是静压系数ψ_st时，则所计算出的是平均静效率η_as；用的是设备压力系数ψ_u时，则所计算出的是设备平均效率η_au。

从上述可知，要想提高通风机及其设备的经济性，必须提高通风机的平均效率及设备平均效率。而这些效率的提高，又与通风机及其设备效率高、效率曲线平坦及调节方法优良等有直接关系。例如某通风机的最大设备效率η_umax=0.77，平滑调节时的平均效率η_au=0.704，阶段式调节时，则η_au=0.63。可见，优良的调节方法对设计通风机的重要性。

4.机器尺寸要小，重量要轻

一般说来，机器尺寸小，可以减少机器重量、节省材料、降低成本以及运输方便、起动容易等。

叶轮径向尺寸可用直径系数δ来评定。

机器重量可用单位最大有效功率的公斤数W_ts（kg/kW）来评定，即

式中 W——通风机重量（kg）。

通风机的价格可用相对价格D（元/kW）来评定，即

式中 Y——通风机的销售价格（元）。

5.噪声要低

噪声是一种公害，它会影响人们的休息和健康，以至降低劳动生产率。我国曾提出工业噪声标准的建议：为使长期工作在噪声环境中的95%以上的工人，不会因噪声引起心血管疾病和神经系统疾病，对于新建企业及车间的噪声标准不得超过85dB（A）。随着环境不同，噪声的容许标准值也有所不同。如会议室及办公室为35dB（A），体育馆为45dB（A），车间大致为45～75dB（A）。因此，设计通风机时，应对噪声有所限制。

6.通风机运转可靠性要高

有些通风机长年运转，特别要求运转可靠。因此，回转部件要有足够的强度；通风机转速应远离转子临界转速；轴承的选择要合理；润滑系统要可靠等。

此外，还要求结构简单、制造容易、工艺性好、调节方便。对于某些特殊用途的通风机，则要求材料耐磨、结构防爆、表面耐腐等。

在进行通风机设计时，对于设计任务要作具体分析，哪些要求是主要的，哪些要求是次要的。对于主要的要求应优先得到满足。例如对于电站送风机，运转效率高、调节性能好及运转可靠就成了主要问题，而结构复杂些，尺寸稍大些就是次要问题了。又如对于剧院用的通风机，噪声要低是突出的问题，而其他要求则降到次要地位。

进行离心通风机设计时，首先决定进气口的数目。

当离心通风机的比转速较大时，常采用双吸式叶轮，不然叶轮过宽。单吸式通风机的比转速范围原为n_s=40～60，而双吸的则为n_s=55～85。但是近20余年来，由于宽叶片的后向和强后向离心通风机获得广泛的应用，离心通风机的比转速范围也随之扩大。例如，单吸式机翼形叶片的强后向通风机的比转速n_s可达76；圆弧板材叶片的比转速n_s可达87；双吸式机翼形强后向叶片的通风机的比转速n_s可达108.7。在进行通风机设计时，我们可以根据上述数据来确定叶轮进风口的数目。

双吸离心通风机比单吸通风机具有下列优点：

1）在相同性能参数下，由于双吸通风机的流量系数φ较大，所以它的直径比单吸式的小。转子的回转力矩GD²也随之减小。这可缩短风机的起动时间。

2）通风机叶轮直径减小，使制造、安装及运输都比较方便。

3）空气是从叶轮的两侧流入双吸叶轮，基本上可以消除叶轮上的轴向力。

4）双吸离心通风机都采用双支承结构，运转可靠性高。

双吸通风机也有缺点，主要表现在：

1）当双吸式通风机用于抽出式通风时，需要安装一些部件，如图3-39所示的进气箱1及进气弯道2等。这将使通风机设备的结构复杂。尤其是用于矿井通风时，在装有备用风机，而且要求通风机能反风的情况下，进气弯道就更加复杂些。

2）在装有进气箱及进气弯道时，由于通风机设备损失的增加，致使通风机设备效率比通风机效率降低3%～5%。

3）在有进气箱的条件下，通风机主轴的长度较长，其长度l有时可达l=3D₂。为克服轴的横向振动，轴的直径需要加大，这将导致轴的重量的增加。为弥补这一缺点，可采用空心轴。

图3-39 双吸离心通风机简图

1—进气箱 2—进气弯道