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离心式通风机设计
通风机设计涉及气动设计计算，构造设计和强度计算等内容。这一章重要讲第一方面，并且通风机气动设计分相似设计和理论设计两种办法。相似设计办法简朴，可靠，在工业上广泛使用。而理论设讲办法用于设计新系列通风机。本章重要论述离心通风机气动设计普通办法。
离心通风机在设计中依照给定条件:容积流量，通风机全压，工作介质及其密度，以用其她规定，拟定通风机重要尺寸，例如，直径及直径比，转速n,进出口宽度和，进出口叶片角和，叶片数Z，以及叶片绘型和扩压器设计，以保证通风机性能。
对于通风机设计规定是：
（1）       满足所需流量和压力工况点应在最高效率点附近；
（2）       最高效率要高，效率曲线平坦；
（3）       压力曲线稳定工作区间要宽；
（4）       构造简朴，工艺性能好；
（5）       足够强度，刚度，工作安全可靠；
（6）       噪音低；
（7）       调节性能好；
（8）       尺寸尽量小，重量经；
（9）       维护以便。
对于无因次数选取应注意如下几点：
（1）       为保证最高效率，应选取一种恰当值来设计。
（2）       选取最大值和低圆周速度，以保证最低噪音。
（3）       选取最大值，以保证最小磨损。
（4）       大时选取最大值。

§1 叶轮尺寸决定

图3-1叶轮重要参数:

图3-1为叶轮重要参数:
:叶轮外径
:叶轮进口直径；
:叶片进口直径；
:出口宽度；
                  :进口宽度；
:叶片出口安装角；
:叶片进口安装角；
Z:叶片数；
:叶片前盘倾斜角；
一．          最佳进口宽度
在叶轮进口处如果有迴流就导致叶轮中损失，为此应加速进口流速。普通采用，叶轮进口面积为，而进风口面积为，令为叶轮进口速度变化系数，故有：

由此得出：
                                                                             (3-1a)
考虑到轮毂直径引起面积减少，则有：
                                             (3-1b)
其中
在加速20%时，即,
                                                                             (3-1c)

图3-2 加速20%叶轮图

图3-2是这种加速20%叶轮图。近年来研究加速不一定是必须，在某些状况下减速反而有利。
二．                最佳进口直径
由水力学计算可以懂得，叶道中损失与速度平方成正比，即。为此选取在一定流量和转速条件下适当，以使为最小。
一方面讨论叶片厚度影响。如图3-3，由于叶片有一定厚度；以及折边存在，这样使进入风机流速从增长至，即：

图3-3 叶片厚度和进出口阻塞系数计算

用和分别表达进出口阻塞系数：
                                (3-2a)
式中为节距，为切向叶片厚度

同理
那么进出口径向速度为：

当气流进入叶轮为径向流动时，,那么：

                                                               (3-2b)
为了使最小，也就是损失最小，应选用恰当。当过大时，过小，但加大诸多，使（3-2c）式右边第二项过大，加大。当过小时，（3-2c）式右第二项小，第一项会过大，总之在中间值时，使最小，即
考虑到进口20%加速系数，及轮毂影响，表达式为（3-1b）式,代入(3-2c)式为：
                                                        (3-3c)
对式(3-3)求极小值，得出优化值为：
                                                                     (3-4a)
出口直径不用上述类似优化办法，只要选用适当即可:

                                                                                  (3-4b)
即：                                                                   (3-4c)

也可以依照，求出
                                                                          (3-4d)

三．    进口叶片角
1.       径向进口时优化值
同同样，依照为最小值时，优化计算进口叶片角。当气流为径向进口时，,且均布，那么从进口速度三角形（令进口无冲击=）

代入值后得出值，最后得出：

                                                         (3-5)
求极值，即
                                                                                          (3-6a)
这就是只考虑径向进口时优化值。
把（3-6a）式代入(3-4a)至(3-4d)式：
                                                                           (3-6b)
进而当时：
                                                                                      (3-6c)
或者：                                                                          (3-6d)

2.       当叶轮进口转弯处气流分布不均匀时优化值。
图3-4，叶片进口处速度分布不均匀，在前盘处速度大小为和，比该面上平均值要大，设
那么
此外：

当时：
                                                                                       (3-7a)
进而采用近似公式：
其中为叶轮前盘叶片进口处曲率半径。计算出来角比小某些。如下表所示：
:      0.2        0.4        1.0        2.0        3.0        4.0
:        0.952    0.88      0.74      0.58      0.472    0.424
:                    
那么
                                                                                  (3-7b)
式中为平均值。

图3-4叶片进口处和分布不均匀

图3-5进口速度三角

3.       当气流进入叶片时有预旋，即：
由图3-5进口速度三角形可以得出：

求极值后：
                                                            (2-8a)
可以看出当气流偏向叶轮旋转方向时（正预旋），将增大，同步得到：

4.       叶轮型式不同步有所区别
普通推荐叶片进口角稍有一种较小冲角。后向叶轮中叶道摩擦等损失较小，此时选取使叶轮进口冲击损失为最小。

冲角
普通后向叶轮：
对于前向叶轮，由于叶道内分离损失较大，过小进口安装角导片弯曲度过大，分离损失增长。较大安装角虽然使进口冲击损失加大，但是流道内损失减少，两者比较，效率反而增高。
普通前向叶轮：
当时，甚至。

四．  叶轮先后盘圆角和叶片进口边斜切
设计中，在也许状况下尽量加大叶轮先后盘圆角半径r和R（图3-1）。叶片进口边斜切是指前盘处叶片进口直径不不大于后盘处直径，以适应转弯处气流不均匀现象。
如果叶片进口与轴平行，如图3-6(a)所示，在进口边各点是相似。但该处气流速度不均匀，而周速相似。故气流角不同，这样就无法使叶片前缘各点气流毫无冲击地进入叶轮。为此将叶片进口边斜切（见图3-6(b)）,接近前盘处大，且其亦大，而接近后盘小，且亦小。使气流良好地进入叶道。
前向叶轮，进口气流角是依照叶片弯曲限度来考虑，故不做成斜切。

图3-6叶轮先后盘圆角和叶片进口边斜切

五．  叶片数Z选取
叶片数太少，普通流道扩散角过大，容易引起气流边界层分离，效率减少。叶片增长，能减少出口气流偏斜限度，提高压力。但过多叶片会增长沿程摩阻损失和叶道进口阻塞，也会使效率下降。
依照实验，叶片间流道长度l为流道出口宽度a2倍，且l为,由几何关系：

那么
                                                               (3-9)
出口角大叶轮，其叶道长度较短就容易引起当量扩张角过大，应采用较多叶片。出口角小时，叶道较长，应采用较少叶片。同步较小时，Z也少某些为好，以免进口叶片过于稠密。
对于后向叶轮：当Z=8~12个时，采用机翼型及弧型叶片，当Z=12~16时，应采用直线型叶片。
对于前向叶轮，Z=12~16.
六．  叶片进出口宽度
1. 后向叶轮普通采用锥形圆弧型前盘，对于一定流量叶轮，过小则出口速度过大，叶轮后损失增大，而过大，扩压过大，导致边界层分离，因此大小要慎重决定。由于

                                                                        (3-10a)
上式表白，在一定期，值与成正比，对于一定叶轮过大，出口速度大，叶轮后损失增大，反之过小，扩压度过大。实验证明，不同，值不同，即
                                                     (3-10b)

然后，运用(3-10a)式可计算出。
后向叶轮进口处宽度，普通可近似计算：
                                                                                               (3-10c)
2.前向叶轮进口处参数影响很大。其叶片入口处宽度应比公式计算出大某些。例如当

前向叶轮采用平直前盘时：，若采用锥形前盘，必要对的选用前盘倾斜角，即
               0.3~0.4            0.45~0.55          >0.5

依照值及，可决定。

图3-7 前盘形状

       叶片形状拟定
离心式通风机重要参数及Z已知后，就可以绘制叶片形状，叶片形状有诸多选取。
一．  平直叶片
平直叶片是最简朴叶片型式，依照图3-8，由正弦定理：
                                                                               (3-11)
上式表白， 和之间满足(3-11)式，不能同步任意选取。
例如：
:                   0.3                    0.5                    0.7
(当时):                                                

图3-8平直叶片

二．  圆弧型叶片
圆弧型叶片分单圆弧和多圆弧，普通多采用单圆弧。在设计中，普通先求出,Z等，依照已知条件拟定叶片圆弧半径大小，和该圆弧中心位置P，以及圆弧所在半径。

图3-9a后向圆弧叶片

图3-9 b前向圆弧叶片

图3-9 c 径向叶片

1.       后向叶片圆弧如图3-9a所示，已知

在和中，P0为公共边：

由余弦公式：

                                                               (3-12a)
                     (3-12b)
叶片长度l：

2.       前向叶轮圆弧叶片
                                      (3-13a)
                                                 (3-13b)
3.       径向叶片见图3-9c

                                                                                       (3-14a)
                                                                                                (3-14b)

三.叶片流道决定
对于直叶片和圆弧叶片，其进口不能很精确地成型，因此在某些状况下会产生过高前缘叶片压力，从而导致了气流分离。最佳在进口有一段无功叶片，或用近似圆弧表达。这种无功近似圆弧如图3-10所示：
从1点引出无功圆弧半径r等于从该点引出对数曲线曲率半径。图解时，连接01两点，做角，过0点做垂线，交于角另一边为A点，觉得半径做圆弧，弧段为无功叶片，e点后来用抛物线，或者曲线板延长，并且保证出口角为即可。流道画出后来，检查过流断面，过流断面变化曲线斜率不能不不大于，否则话，扩散度过在，导致较大边界层损失，甚至分离。普通叶片较少时，用圆弧叶片还是合理。

图3-10无功叶片及过流断面检查

图3-11无功叶片形状

如下用解析法做几种状况无功叶片：
无功叶片就是环量不变叶片，即保持常数（或保持常数）叶片，用下标”0”表达进口，则：
由于
                                                                                 (3-15)
上式为无功叶片方程.
（1）       状况，这时前盘为双曲线，即
                                                                              (3-16a)
积分后：                                               (3-16b)
如果进口无预旋：
                                                               (3-16c)

                                                                                     (3-16d)
（2）
                                                                        (3-17a)
当时
                                               (3-17b)

图3-12 叶片基元

四.叶片造型解析法和图解法

1.       减速叶片间流道
由于风机叶轮中流动为逆压梯度，易导致边界层脱流，而导致过大边沿失。如果使相对流速w减少呈线性关系，那么在叶轮中就不会导致过大逆压梯度。
图3-12中一种叶片基元，分解成（径向）和（周向）两个分量：
                                                                                  (3-18a)
这就可以运用w代替进行叶片绘形。如果采用等减速流道，即

                                                                                          (3-18b)

可以看出对于等减速流道，w分布曲线是一条抛物线，其中有几种状况可以得到解析解。
a.       等径向速度流道
当轴面流道关系为br=常数时，=常数。把(3-18a)式代入(3-18b)式：

为常数，积分而得到速度分布为：
                                                                             (3-19)
此时w沿半径是线性分布。
b.       =常数等角螺线叶片：

                                                                   (3-20)
c.=常数同步=常数，w也必为常数。见图3-13所示。同步：

那么压力系数：
                                                                                    (3-21)
只与几何尺寸，即关于。
d.等宽度叶道，b=常数
由于：
常数

那么:
                                                                      (3-21)

图3-13

2.       等减速叶片图解法。
在普通状况，由式(3-18b)得到：

积分后:
                                                             (3-22)
积分常数为：

那么已知w和，就可以求出，进而运用：

可运用图解法绘型叶片。
例如：令,
,代入方程中：

得到

若令=常数：
                                                                          (3-23)
当及已知时，可以求出和w，进而求出，即可进行叶片绘型。即先用数值办法计算出，然后图解绘图。
例如：时

可列表计算：
r              b                      br                                                    
5.5           2.45                  13.5                  0.223                5.84                  33
6.5           2.06                  13.4                  0.221                5.79                  33.2
7.5           1.7                    12.75                0.212                5.55                  34.9
8.5           1.33                  11.30                0.1868              4.48                  39.3
9.5           0.98                  9.6                    0.1585              4.15                  46.3

绘型环节如下：把半径提成n分，求出各段中点w和值，并列入表内，就可以求出各段中点值，依照，在图上量取和，从进口画起，就可以得出叶片形状如图3-14所示。
以上风机叶片设计是按线性分布设计叶片，同样可以按叶片角分布进行叶片角绘型，在水轮机中还可以按给定分布进行叶片绘型。

图3-14

       离心通风机进气装置

图3-15离心通风机进气装置

图3-16离心通风机进气装置位置

图3-17离心通风机进气形状
一.     进气室
进气室普通用于大型离心通风机上。倘若通风机进口之前需接弯管，气流要转弯，使叶轮进口截面上气流更不均匀，因而在进口可增设进气室。进气室装设好坏会影响性能：
1.         进气室最佳做成收敛形式，规定底部与进气口对齐，图3-15所示。
2.       进气室面积与叶轮进口截面之比

普通为矩形，为最佳。
3．进气口和出气口相对位压，对于通风机性能也有影响。时为最佳，时最差。如图3-16所示。

二，进气口
进气口有不同形式，如图3-17所示。
普通锥形经筒形好，弧形比锥形好，组合型比非组合型好。例如锥弧型进气口涡流区最小。此外还注意叶轮入口间隙型式，套口间隙，比对口间隙形式好。

三，进口导流器
若需要扩大通风机使用范畴和提高调节性能，可在进气口或进气室流道装设进口导流器，分为轴向、径向两种。
可采用平板形，弧形和机翼型。导流叶片数目为Z=8~12。

图3-18离心通风机进气导叶

       导叶设计
在单极通风机中几乎不用导叶。重要在压气机中使用，空气离开叶轮后有一种绝对速度，与圆周方向夹角为，因而

依照环量不变和持续方程：
                                                                              (3-25)
由此可以得出
常数
因此，空气在离开叶轮后按对数螺线流动，其对数螺线方程为：
                                                                                        (3-26)
因而，至少在截面采用对数螺线，或用近似圆弧表达：其曲线曲率半径：

后来某些可用式(3-26)计算。
流道宽度a+s为
                                                                    (3-27)
式中，t--叶片节距，由于考虑叶片厚度引起流道变窄，可把用表达
                                                                           (3-28)

通风机用导叶多用直导叶，流道不容许有过大扩散度，若最大扩压角为，那么所需至少叶片数为，如图3-19所示。

图3-19

       蜗壳设计

图 3-20离心通风机蜗壳
一，概述
蜗壳作用是将离开叶轮气体集中，导流，并将气体某些动能扩压转变为静压。
当前离心通风机普遍采用矩形蜗壳，长处是工艺简朴适于焊接，离心通风机蜗壳宽度B比其叶轮宽度大得多，则气流流出叶轮后流道突然扩大，流速骤然变化。如图3-20所示，为叶轮出口后气流速度，为其气流角（分量为和），蜗壳内一点流速为c，分量为和，为气流角，半径为r.
二，基本假设：
1`，蜗壳各不同截面上所流过流量与该截面和蜗壳起始截面之间所形成夹角成正比：
                                                                                                (3-29)

2，由于气流进入蜗壳后来不再获得能量，气体动量矩保持不变。
常数                                                                                  (3-30)

三，蜗壳内壁型线：

图 3-21离心通风机蜗壳内壁型线

依照上述假设，蜗壳为矩形截面，宽度B保持不变，那么在角度截面上流量为：
                                                                                       (3-31)
代入式(3-30)后：

                                                                                    (3-32)
上式表白蜗壳内壁为一对数螺线，对于每一种，可计算，连成蜗壳内壁。

可以用近似作图法得到蜗壳内壁型线。
事实上，蜗壳尺寸与蜗壳张度A大小关于

令按幂函数展开：
                                        (3-33)
其中
那么                       (3-34a)
系数m随通风机比转数而定，当比转数时，(3-34)式第三项是前面两项10%，当时仅是1%。为了限制通风机外形尺寸，经验表白，对低中比转数通风机，只取其第一项即可：
                                                                                            (3-34b)
则得                                                                              (3-35)
式(3-35)为阿基米德螺旋线方程。在实际应用中，用等边基办法，或不等边基办法，绘制一条近似于阿基米德螺旋线蜗壳内壁型线，如图3-22所示。

由式(2-34)得到蜗壳出口张度A
                                                                                               (3-36)
普通取，详细作法如下：
先选定B，计算A[式(3-36)]，以等边基办法或不等边基办法画蜗壳内壁型线。

四，蜗壳高度B
蜗壳宽度B选用十分重要。,普通维持速度在一定值前提下，拟定扩张当量面积。若速度过大，通风机出口动压增长，速度过小，相应叶轮出口气流扩压损失增长，这均使效率下降。
如果变化B，相应需变化A使 不变。当扩张面积不变状况，从磨损和损失角度，B小A大好，由于B小，流体离开叶轮后突然扩大小，损失少。并且A大，螺旋平面通道大，对蜗壳内壁撞击和磨损少。
普通经验公式为：
1.                                                                                  (3-37a)
或
2.                                                                       (3-37b)
低比转数取下限，高比转速取上限。
3.
为叶轮进口直径，系数：

五，蜗壳内壁型线实用计算
以叶轮中心为中心，以边长作一正方形。为等边基方。以基方四角为圆心分别觉得半径作圆弧ab,bc,cd,de，而形成蜗壳内壁型线。其中

                                                                                         (3-37)

等边基办法作出近似螺旋线与对数螺线有一定误差，当比转速越高时，其误差越大。可采用不等边。办法不同之处，做一种不等边基方：

不等边基办法对于高比转速通风机也可以得到较好成果。

图3-22 等边基办法

图3-23 不等边基办法