第十三章风机.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章,风机,第一节 概 述,第二节 离心风机的工作原理,第三节 风机的选用,第四节 横流风机和轴流风机,第五节 风机的性能实验,第一节 概 述,一、风机在农业机械中的应用,风机在农业机械中应用很广。大多数情况下，系利用风机产生的气流作介质进行工作。例如，在植保机械上，用气流输送、喷洒药粉和药液，并使药液雾化；在谷物收获机械及清选机械上，用气流进行清选及谷粒分级；在谷物干燥机械中，用气流作热介质传递热能以加温烘干谷物并运出水汽；在输送装置中，则用气流输送各种农业物料。在某些情况下，如气吸式播种机，则利用风机产生的真空度使种子吸附于排种盘而排种。此外，在农业中也常用风机进行通风换气及物料输送等工作,。,二、风机的分类,（一）按排气压力（绝对压力）的高低，气体输送机械可分为,1,、,压缩机 排气压力高于,34.310,4,N/m,2,2,、,鼓风机 排气压力为,11.2710,4,34.310,4,N/m,2,。,3,、,通风机 排气压力低于,11.2710,4,N/m,2,。,（,二）按作用原 理分,1,、,容积式,2,、,叶片式（透平式）,农业机械普遍应用离心式风机,风机按风压（相对压力）,H,的大小，可分为：,高压离心风机,P=294014700N/m,2,（,H=3001500,毫米水柱）中压离心风机,P=9802940N/m,2,（,H=100300,毫米水柱）,低压离心风机,P 980N/m,2,（,H100,毫米汞柱）；,高压轴流风机,P=4904900N/m,2,（,H=50500,毫米水柱）,低压轴流风机,P490N/m,2,农业机械上的风机还可分为清粮型及通过用型两类,如图,14-1a,清粮型,14-1b,通用型,14-1c,径向进气风机,图,14-1,离心式风机简图,a.,清粮型,b.,通用型,c.,径向进气型,三、离心风机的称号,我国风机行业近年来对离心风机的习惯称号。全称包括名称、型号、机号、传动方式、旋转方向和出气口位置等六部分由一组数字表示其组成。现以排尘离心风机,4,72,11No.8C,右,90,为例，说明如下：,C 4 72 1 1 No.8 C,右,90,C,、,风机用途为排尘（一般可省略不写）,4,、,风机在最高效率点时的全压系数乘,10,后的化整数,-72,、,风机在最高效率点时的比转数（,ns,）,-1,、,进口为单吸入,1,、,设计顺序，,1,表示第一次,No.8,、,风机机号，即叶轮直径,D2=800mm,C,、,风机传动方式（共有,A,F,六种）,右,、,旋转方向（从原动机侧看）,90,、,出风口位置与水平线夹角,第二节,离心风机的工作原理,一、离心风机的工作过程,离心风机主要由叶轮、进风口及蜗壳等组成（图,14,2,）。叶轮转动时，叶道（叶片构成的流道）内的空气，受离心力作用而向外运动，在叶轮中央产生真空度，因而从进风口轴向吸入空气（速度为,c,0,）。,吸入的空气在叶轮入口处折转,90,后，进入叶道（速度为,c,1,），,在叶片作用下获得动能和压能。从叶道甩出的气流进入蜗壳，经集中、导流后，从出风口排出,图,14-2,离心通风机内气体流动方向,1.,出风口,2.,蜗壳,3.,叶轮,4.,扩压管,5.,进风口,6.,进气室,二、,叶轮,的工作原理,（一）速度三角形 空气在叶道上任一点处，有绝对速度,c,，,它是气流与叶轮的相对速度,与牵连速度,的向量和（图,14,3a,）。,绝对速度,c,与牵连速度,的夹角以表示。相对速度,与牵连速度,的反方向的夹角以,表示。通常只画出叶片入口及出口的速度三角形，并以,1,点表示叶轮入口；,2,点表示叶轮出口,（图,14,3b,、,c,）。,图,14-3,速度分析及速度三角形,.,气流在叶道内的速度分析,b.,进口气流速度三角形,c.,出口气流速度三角形,（,二）基本方程,欧拉方程,为便于计算，作假设如下：,1,、气体为理想气体，流动中没有任何能量损失，故驱动风机的功全部转化为气流的能量。,2,、叶轮叶片数无限多、叶片无限薄。所以气体在叶道内的流线与叶片形状一致，气流相对速度,2,的出口角,2,与叶片出口安装角,2A,一致。,3,、气流是稳定流，其流动不随时间而变化。,当风机流量为,Q,（,m,3,/s,）、,压力为,PT N/m,2,时（,PT,叶片数无限多时的理论压力），气流则得到的能量为,N=Q PT,（,N,m/s,）,如风机轴上阻力矩为,M,（,N,m,）、,角速度为,（,1/s,），）,则驱动风机的功为,N=M,（,N,m/s,）,根据假设,1,，驱动风机的功全部转换为气流的能量，,则,.,根据动量矩定律，单位时间内，叶轮中气流对风机的动量矩的变化，等于外力对此轴线的力矩和。,由图,143a,可知，叶道内气体,abcd,经时间,t,后，移动到,efgh,。,根据假设,3,，气流为稳定流，截面,abgh,内气体动量矩不变。因而在,t,时间内气体动量矩的变化为面积,abfe,与,dcgh,动量矩之差，而面积,abfe,与,dcgh,内体质量相等，并等于每秒钟流过叶轮气体质量乘以时间,t,，,即,m=Qt,叶轮入口及出口处的动量矩,M,1,及,M,2,分别为,.,单位时间内动量矩的变化为力矩,M,或,所以,上式为离心通过风机的基本方程，又叫欧拉方程。因略去了全部损失，所以,PT,称为无穷多叶片时的理论全压。,在上式中，,C,1u,是叶轮进口处气流绝对速度,C,1,在圆周方向的速度分量。由于叶轮入口处具有切线速度,u,1,，,按速度场作用规律，气流在进入叶轮时应该存在切向分速。但是空气的粘性很小，在没有导流器时，可以认为气流是径向进入叶轮的，即在叶轮入口处，,1,=90,，,C,1,=C,1r,，,C,1u,=0,。,代入欧拉方程，可得：,PT=u,2,C,2u,（三）轴向涡流,实际上风机的叶片数是有限的，相邻两叶片所形成的叶道占有一定的空间。当叶轮旋转时，叶道空间随叶片一起转动；而叶道内的气体，由于自身粘性小，又有惯性，它就有保持其本身方向不变的趋势。由图,14,4,可见，当叶轮旋转时，叶道内的气体与叶道空间具有相对回转，转向与叶轮放置方向相反，这就是轴向涡流。轴向涡流使气流出口角,2,与叶片安装角,2A,不等且,2,2A,，,所以，在叶片数有限时，有：,C,2u,=u,2,C,2r,ctg,2,C2u,即,PTPT,或,PT=PT,式中,称为环流系数或压力减少系数。可见，当叶片数有限时，因,C2uC2u,，,故理论压力相应减少。,图,14-4,轴向涡流的产生原因及其,c,2u,的影响,三、离心风机的功耗及效率,1,、有效功率,Ne,有效功是指气流通过风机时从叶轮取得的能量。单位容积流量通过风机后增加的能量为全压,P,（,N/m,2,），,若流量为,Q,，,则风机的有效功率即输出功率为,2,、轴功率,N,轴功率就是风机轴上的输入功率。若风机的全压效率为,则：,3,、电机功率,N,m,K,电机容量储备系数，其值可按表,14,2,选取。,式中,m,风机传动效率,表,14,2,电动机容量储备系数,风机轴功率,N,kW,）,5,K 1.5 1.4 1.3 1.2 1.15,四、离心风机的性能曲线,风机的基本性能参数为流量,Q,、,风压,P,、,轴功率,N,及效率,。,这些性能参数均受风机转速的影响。当风机转速一定时，风压、功率及效率与流量之关系曲线，称为离心通风机的性能曲线。,（一）,理论性能曲线 在绘制理论性能曲线时，不考虑能量损失。,当叶片无限多时，风机的理论压力为,PT,。,由图,14,3c,可知：,C,2u,=u,2,C,2r,ctg,2,代入,PT=u,2,C,2u,式得：,因为,Q=D,2,b,2,C,2r,所以,式中,D,2,叶轮外径,b,2,叶轮外径处叶片宽度在叶片无限多时，气流出口角,2,等于叶片安装角,2A,。,一台风机若转速不变，则,u,2,、,D,2,、,b,2,、,2A,均为常数，则有：,PT=A,BQ,图,14-5,风机的理论性能曲线（,P,T,-Q,）,图,14-6,风机的理论性能曲线（,N-Q,）因,A,、,B,为常数，所以,PT,与,Q,成线性关系。对前向叶片，,2A,90,，,ctgB,2,0,，,B,为负,图,14-5,风机的理论性能,曲线（,P,T,-Q,）,图,14-6,风机的理论性能,曲线（,N-Q,）,值，故,PT,因,Q,的增加而增加（图,14,5,）；径向叶片,2A,=90,，,ctgB,2,=0,，,B=0,；,后向叶片，,2A,0,，B,为正值，故,PT,因,Q,的增加而减少。图,14-7,有限叶片数对理论性能曲线,(P-Q,线,),的影响,n=,常数；,90,因假定无能量损失，所以风机轴功率,N,与压力和流量之乘积成正比因而可得三种叶片的功率消耗与流量的关系曲线,（图,14,6,）。由图可见，前向叶片在流量增大时，功耗剧增，而后向叶片在流量增加时，功耗增长较缓。,在叶片数有限时，风机理论压力将减少。对一定的叶轮，可近似地认为环流系数,为常数，则风机的理论性能曲线 （,PT,Q,）,将变为另一条直线（,PT,Q,）。,图,14,7,是后向叶片的理论性能曲线（,P,Q,线）的变化示意图。,图,14-7,有限叶片数对理论性能曲线,(P-Q,线,),的影响,n=,常数；,90,（一）,图,14-8,实际性能曲线,(P-Q),后向叶片，,n=,常数实际性能曲线 实际上风机有能量损失，如果只考虑流动损失，则在给定转速下的实际性能曲线（,P,Q,）,如图,14,8,所示。由于未考虑泄漏损失及轮阻损失，它与实际情况有一定出入。图,14-9,离心通风机的性能曲线,a.,前向叶片风机,b.,后向叶片风机 目前还不能用计算的方法绘制实际性能曲线。所以离心风机的性能曲线者是根据试验数据绘制的。由风机试验可测出各工况点的流量,Q,、,全压,P,及轴功率,N,并算得效率。以流量,Q,为横坐标所得,P,Q,、,N,Q,、,Q,等关系曲线即为风机的实际性能曲线（图,14,9,）。,图,14-8,实际性能曲线,(P-Q),后向叶片，,n=,常数,图,14-9,离心通风机的性能曲线,a.,前向叶片风机,b.,后向叶片风机,五、叶片形状,风机叶片形状可分为直叶片和曲叶片；按叶片出口安装角可分为前向（,2A,90,），,径向（,2A,=90,）,及后向（,2A,0,，,才有,P0,；,愈大，则,P,t,愈大。但,过大，将使效率急剧降低，一般,max,=40,45,。,（,3,）,增加,C,z,可增加全压,P,，但,C,z,加大后主要是流量增加及气流的动压加大，如用扩压变动压为静压，将使效率急剧下降。,由上述分析可见，单级的轴流风机可以有较大流量，但增压不大，一般风机全压很少超过,2150Pa,。,（二）,导叶的单独叶轮（图,14-24a,）,这是最简单的一种类型，由叶栅流出的气流绝对速度,C,2,（,图,14-25a,）,可分解为轴向速度,C,Z,（,C,2,=C,1,）,及圆周分速度,C,2u,(C,2u,=C,u,),。,C,2u,的存在导致能量损失，使风机效率降低。这种类型的轴流风机结构简单、制作方便、价格便宜，故在风机中应用很广，主要用轴流风机的基本类型,图,14-24,轴流风机基本类型,a.,无导叶的单独叶轮,b.,叶轮配后导叶,c.,叶轮配前导叶,d.,叶轮陪前后导叶,1,、无于厂房的通风换气。,图,14-25各类型轴流风机的速度三角形,2,、叶轮配后导叶（图,14-24b,）,叶轮速度三角形与单独叶轮型相同,(,图,14-25a),，,叶轮叶栅出口气流速度为,C,2,。,后导叶是固定的，无牵连速度,，,无速度三有形。其入口角与,C,2,方向一致，出口角为,90,，故气流可无冲击地进入后导叶并在后导叶叶道中转变成轴向，减,图,14-24,轴流风机基本类型,a.,无导叶的单独叶轮,b.,叶轮配后导叶,c.,叶轮配前导叶,d.,叶轮陪前后导叶,少了损失。这一类型的风机压头和效率都比前者高，现在最高效率已可达,90%,左右，在风机中应用最普遍。同一风机，叶片有不同安装角时最佳工况范围不同，使用者可根据使用条件选购。近年来已研制成叶片安装角可调的轴流风机，扩大了风机的使用范围并提高了工况变化时风机的效率。,3,、叶轮配前导叶（图,14-24c,）,导叶装在叶轮之前，气流通过导叶再进入叶轮。气流进入导叶时为轴向，流出导叶时速度为,C,1,，,C,1,具有与叶轮旋转方向相反的圆周分速度,C,1,（,图,14-25b,），,称为负预旋。,气流进入叶轮时速度为,C,1,，,而出口速度,C,2,=,Cz,为轴向。这种配置型式具有较高的压力系数，但叶轮中相对速度,较大，因而损失较大、效率较低，一般,=0.780.82,左右。常用于要求风机体积小的场合，如车用发动机的风冷设备等。,4,、叶轮配前后导叶,(,图,1424d),这类风机是上面两种风机的结合，其速度三角形如图,14-25c,所示。叶轮进口气流速度,C,1,与出口气流速度,C,2,对称，风机的效率,=0.820.85,。,由于多了一排导叶，使结构复杂，实际上很少采用。将前导叶作成角度可调，其效果较好常用于多级轴流风机。,图,14-25,各类型轴流风机的速度三角形,（四）轴流风机的性能曲线 与离心风机相同，轴流风机也可用有因次及无因次曲线来表示其性能。但是轴流风机即使同一系列同一机号，因叶片安装角的不同，性能曲也不相同。将叶片不同安装角的性能曲线表示在同一个性能曲线图上，在使用时可选择适当的风机系列、机号及叶片角度，以便于向工厂订货。图,14-26,是,T30,轴流风机系列的无因次特性曲线。该风机为一般用途的风机，叶片由薄钢板压制而成，可装成,10,、,15,、,20,、,25,、,30,及,35,六种角度。叶轮由电机直接驱动，叶轮圆周速度不得超过,60m/s,。,风机流量,Q,、,压力,P,因机号、叶片数、叶片安装角、叶轮转速而变。如机号为,No.10,（,叶轮直径,1000mm,）、,叶片数,Z=4,、,主轴转速,N=960 r/min,、,叶片角度,=35,时，其流量,Q=48000m,3,/h,、,全压,P=265Pa(27mmH,2,O),、,全压效率,=0.63,、,配套电机功率,N=7.5kW,，,可由性能表格查得。,图,14-26 T30,轴流风机特性曲线,曲线标号与叶片角度对应关系为,:,1.10 2.15 3.20 4.25 5.30 6.35,农业机械上所用的风机类型很多，其中有些还没有形成系列，甚至找不到适合的模型风机，这时就要用理论计算法进行设计。由于理论设计不够精确，通常要经过试验来修正，因而风机试验工作很重要。,风机的空气动力性能试验可分为现场测试和试验装置试验。现场测试是指在实际使用场所测定空气动力性能，因受试验及测量条件的限制，往往不易精确；但用来测定装设好的风机性能，还是比较方便。在验证和修改设计时，一般都用性能试验装置进行试验。如实物风机过大，可采用模型试验。工业上用作模型风机的尺寸大多为,D,2,=500mm,和,D,2,=1000mm,两种。,风机的性能试验,一、风机的性能试验装置,图,14-27,风机性能试验装置,1.,集流器,2.,压力计,3.,网栅节流器,4.,风筒,5.,整流栅,6.,连接管,7.,风机,8.,锥形节流器,9.,皮托管,常用的有进气式、排气式及进排气联合式三种，可根据风机实际工作情况选用。如用吸气风道工作时，可用进气试验装置；用出风管道工作的，可用排气试验装置；若风机进风口和出风口都接有较长的工作管道，则宜选用进排气联合试验装置。这样，可使试验接近实际工况，而且测定结果可靠，但由于进气试验装置设备简单，使用方便，大部分风机工厂都习惯于采用这种试验装置进行风机性能试验。,1,、进气试验装置 试验风筒设置在风机进风部分，它由风管、集流器、网栅节流器、进气整流栅及连接管等组成。各部分尺寸关系如图,14-27a,所示。试验风筒应与风机进口面积相等，两者面积之比不得超出,0.71.3,。集流器用来在,jj,断面测定流量。在,II,断面上测定静压。在网栅节流器上均匀地贴上纸片或用铁丝网分层叠加的方法，可调节流量以改变工况点。,2,排气试验装置（图,14-27b,）,试验风筒装在风机出风口处，通常用皮托管测定动压，用圆锥形节流器调节流量。,3,进排气联合试验装置 在风机进风口及出口上均接有试验风筒，分别与进气及排气试验装置相似。在进气端用集流器测流量，在进气及排风筒上分别测静压；用排气风筒出口端的锥形节流器调节流,图,14-28,集流器,1.,圆弧形,2.,锥形,二、基本参数的测定方法,绘制风机的空气特性曲线的基本参数为流量、压力、功耗及效率等。其测定及计算方法如下。,（一）流量,1,、用集流器测流量 集流器有圆弧形和锥形两种型式（图,14-28,）。器壁上有孔，可用来测定静压，如果没有损失，则在,j-j,截面上（图,14-27a,）,动压与静压相等；如,考虑损失，则可引入一流量系数,，,因而可算得风筒内气流速度,V,流量,Q,式中,F,风筒在,j-j,截面处的面积,P,sj,在,j-j,截面处测得的静压,(N/m,2,),，,通常在,j-j,截面的风筒上，按四等分开四孔，分别测出静压，然后取平均值即,P,sj,流量系数，对圆弧形集流器，,=0.99,；,锥形集流器,=0.98,2,、,用皮托管测定流量 皮托管结构如图,14-29,所示。用皮托管可测定管内某一点的动压力,P,d,(,图,14-30,），因而可算出该点的气流速度。,为了测出平均流速，可将管道断面分为面积相等的若干个小块，分别测出每一小面积的中心的动压力,P,di,，,算出其速度,V,i,及平均速度,V,p,，,再求得流量,Q,。,（,m/s,）,式中,F,管道面积（,m,2,）,D,圆形管道直径（,m,）,矩形管道一般可分为,16,个或更多的小矩形面积图,14-31a,），,圆形管道一般可分为五个等面积圆环，依管道直径的大小在每一圆环测定,2,点或,4,点（图,14-31b,）。,各测定点直径分别为,D,1,=0.316D,，,D,2,=0.548D,，,D,3,=0.707D,，,D,4,=0.837D,，,D,5,=0.949D,图,14-29,皮托管,图,14-30,用皮托管测定动压,图,14-31,动压测定点,1.,矩形管道,2.,圆形管道,（二）压力 在风筒壁上开孔接上压力计，可测定此断面的静压（图,14-27,），也可用皮托管接入压力计测定某一断面的动压或静压，常用,V,形管压力计或微压计。测定结果须经换算才能得到风机全压,P静压,P,s,及动压,P,d,。,换算方式在各种试验装置上不同。,1,、动压,P,d,风机动压,P,d,为风机出口断面,CC,的动压，如已知流量为,Q,，,则,（,1,）,进气试验装置 因为进风管内的动压是由静压的降低转换而来的，所以风机静压为出口断面,CC,的静压,P,SC,和风机进口断面,BB,的全压,P,b,之差，而,P,b,为,II,断面的全压减去由,II,断面到,BB,断面的压力损失,P,1-b,。,因为没有出风管道，所以,P,sc,=0,，,则：,P,S,=P,SC,P,b,(P,s1,P,d1,P,1-b,),式中，,P,s1,为真空度，,P,s1,=,P,sl,；,又,P1-b,包括进气整流栅损失及管道摩擦损失，可取,P,b,=0.15P,d1,，,因为,P,d1,=,2,P,sj,，,所以风机静压力为,P,s,=,P,s1,0.85,2,P,sj,将测得的,P,s1,及,P,sj,代入，即可算出风机静压,P,s,。,（,2,）,排气试验装置 风机静压等于,断面的全压（,P,s,P,d,）,加上断面,C,C,断面到,断面的压力损失，再减去,C,C,断面的动压,d,，,即：,P,S,=P,S,+P,d2,+P,c-2,d,在图,1427 b,的试验装置中，,P,c-2,=0.15P,d2,，,所以：,P,S,=P,S2,+1.15P,d2,P,d,将测得的结果代入，可算得风机静压力。如风机出口断面与风筒断面积相等，则：,P,S,=P,S2,+0.15P,d2,3,、风机全压,P,P=,P,S,+P,d,4,、压力系数,（三）功率 用扭矩测功法或电力测功法可测出风机的轴功率,N,。,将此轴功率减去风机轴承摩擦功耗，则是风机的水力功率,Nn,。,水力功率是指风机叶轮对气体作用所消耗的,功率。,