离心式通风机蜗壳型线设计方法的理论分析与试验研究

４　文章编号：　ｌ００　流２９（２００２】０４—伽０４—ｏ４　体机械　２Ｏ０２年第３０卷第４期　离心式通风机蜗壳型线设计方法的理论分析与　试验研究　潘地林　丁维龙　许云龙　（１．安徽理工大学，安徽淮南２３２００１；２安徽风机厂，安徽庐江２３１５１］０）　摘要：详细阐述了蜗壳理论计算方法与工程作图法之间的对应关系，对用等边基元和不等边基元方法绘出的蜗壳型　线对通风机性能的影响问题进行了试验研究。　关键词：离心式通风机；蜗壳型线；通风机设计　中围分类号：ＴＨ４３２　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆＩ￣ｔｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　０咀Ｉ　ＰａｒｔＤｉｌｉｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｎｇＷｅｉｌｏｎｇ　ＸｕＹｕｎｌｏｎｇ　ａＩ　Ｆａｎ’Ｓ　Ｖｏｌｕｔｅｓ　ｌｈｅ　ｒｅｌａｆｉｏｎｓｈｉｌ￣ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｔｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｅ　ｎｅｅｆｉｎｇ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　０ｆ　ａ￣，ＴＪｎｇ　ｏｆｔｈｅ￣ｉｓｉｃ　ａｔｅｄ　ｅｘｐｅｒａｎｅｎｔａ］］ｙ．　ｌｈｅｏｒ．ｏｙｆ　ｖｏｌｕｌｅｓ．　ｉｒｄｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｖｏｌｕｔｅ　ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｎｆａｎ　ｐｅｆｆｏｒｍａｌｒｇ：ｅ　ｗｅｒｅ　ｅｖａｌｕ—　Ｋｅｙｗｏ，￣：　ｃｅｎ　ｈ　目　ｆａｎ；ｖｏｌｕｔｅ　ｓ｜ｍｐｅ；ｆａｎ　ｄｅｓｉｇｎ　１引言　的影响究竟有无区别是一个值得探讨的问题。　本文在分析蜗壳基本设计理论基础上试图阐　述蜗壳理论计算方法与工程作图法问的对应关　通风机行业普遍采用的蜗壳外型线有两种：　一种是按等环量法计算出的对数螺旋线；另一种　系，并就用等边基元和不等边基元方法绘出的蜗　壳型线对通风机性能的影响问题进行试验研究。　２两种蜗壳设计理论方法　目前广泛采用的蜗壳理论设计方法有两种，　即等环量法和平均速度法　等环量法是建立在气流自由流动、其动量矩　保持不变的假设之上的　据此可得出流体质点在　蜗壳中的运动轨迹为：　０　是按平均速度法计算得到的阿基米德螺旋线。工　程中为简化操作常以等边基元或不等边基元方法　由四段圆弧来近似代替理论计算方法获得的风机　蜗壳外型线。　传统的观点认为当比转数较小时，可采用等　边基元方法来绘制蜗壳外型线　；而当比转数较　大时，应采甩不等边基元方法绘制蜗壳外型线。　但在工程实际应用中　，许多大比转数的通风　机（如４—７２、４．７３、＿ｒ４．７９型通风机），是用等边基　元方法来绘制蜗壳型线的，许多小比转数的通风　机（如ｒＩ９　１２、Ｔ１０．１４、Ｔ６－２３型通风机），用的却是　不等边基元　对于同一种风机叶轮，用等边基元　法和不等边基元法绘出的蜗壳型线对通风机性能　收藕日期：０∞Ｉ—ＩＯ　２２　基金项目：　安徽省自然科学基金项目（９９０４７３２９　Ｒ＝Ｒ，ｅ　（１）　式中　２——叶轮外径，ｒｔｆｉ　曰——蜗壳宽度，ｍ　０——通风机流量，ｍ３ｔｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．４．２００２兀　ＵⅡ）ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　５　ｃ　——气流离开叶片后在圆周方向ｊ：的　分速度，一般取Ｃ　：（０　６５～　０．７５）Ｃ２　——位置角，ｒａｄ　式（１）表明：流体质点的运动轨迹为一对数螺　旋线。如图１所示，对于每一个给定的位置角　值，可以得到一个Ｒ值，把各点连接起来，就得到　蜗壳的外型线。图１中的螺旋线终了截面ａ．ａ称　为蜗壳最大张开度　图１蜗壳线型　平均速度法先用下式计算蜗壳的最大张开　度：　Ａ＝Ｑ／（ＢＣ　）　（２）　式中　Ｃ　蜗壳各截面上的平均流速，一般取　Ｃ　＝（Ｏ．６５～０　７５）Ｃ２　再按下式可计算出蜗壳外型线：　Ｒ＝Ｒ２　（３）　依次连接各值的外缘，便得到蜗壳型线。式　（３）实际上是阿基米德螺旋线方程　该设计计算　方法与风机的比转数大小无关。　３两种设计方法的内在关系　在式（】）中．令ｍ一２ＢＣ　—￣＇ｚ．Ｒ２，则式（１）可写　成：　：Ｒ　ｅ　＝　『ｌ＋　＋｛（　）。＋　（　）　’　（４）　任意位置角ｐ处，蜗壳的张开度Ａ　为：　：　一　：　［呷　１（ｗ）　＋吉（　）　・］　ｆ５）　将比转数的定义式ｎ　：ｎ　和风机理论压　力表达式Ｐ＝　Ｃ　代人ｍ的表达式中可导出：　ｍ一　（　（６）　由此可以看出，系数ｍ的大小主要取决于通　风机比转数　，因为它与比转数的平方成正比。　实际计算表明：当　：１１．８～１２．６（６０～７０）时，式　（５）方括号中第三项约占头两项和的１０％，当　：２．７（１５）时，仅占其１％。因此等环量法认为．直　接用式（５）计算蜗壳型线时，可以根据比转数的大　小来舍取方程中的项数。　Ｉ：程实践中，为了通风机的径向尺寸　常　常对低、中比转数的通风机，只取式（５）方括号中　的第一项进行计算，即：　Ａ　：Ｒ　，　（７）　或：　Ｒ：Ｒ２＋Ｒ　（８）　此时，蜗壳的型线就是阿基米的螺旋线，式　（７）　（８）与平均速度法给出的计算公式（２、３）完全　相同。在这种情况下，平均速度法和等环量法其　实是同一种设计计算方法。　另外，由于通风机蜗壳的宽度Ｂ一般都是定　值，故蜗壳的张开度Ａ　随位置角９的变化就反　映ｌ『蜗壳过流断面面积随位置角　的变化情况。竣　，　量　环法　，等度　ｋ　、速　均　仉＇　　，／，／　１：同计算方法得到的蜗壳过流断面面积随位置角　的变化关系曲线如图２所示。　，　ｒ．，，　，／　／一ｆ）　Ｍ】４００　ｆ。　图２蜗壳过流断面曲线　实际计算表明，等环量法蜗壳截面曲线下凹　的程度主要取决于风机比转数　的大小。当比　转数较小时，曲线的曲率牛径很大，曲线基本上接　近一直线，此时用等环量法和平均速度法计算的　蜗壳型线基本相同，而当比转数较大时，曲线的曲　率半径减小，等环量法蜗壳的通流断面面积变化　规律与线性变化规律相差较大，因此两种方法计　，ｖ二　／　、＼，＼　　一　一、一一　，，　—　风一　维普资讯 http://www.cqvip.com

６　流体机械　２ＯＯ２年第３０卷第４期　文献［４］在叙述平均速度法时，既给出了等边　算得出的蜗壳几何形状也有较大的差异。　４蜗壳工程作图方法的讨论　工程中习惯是用四段圆弧来近似替代理论计　算方法得到的蜗壳型线。用四段圆弧绘制蜗壳型　线时有等边基元和不等边基元法之分。等边基元　法绘制的蜗壳型线近似一条阿基米德螺旋线，故　该方法适用于平均速度法或简化的等环量法（即　式７、８）；而不等边基元法绘制的蜗壳型线近似地　是一条对数螺旋线，它适用于等环量法中的风机　比转数较大的情况　对文献［１、３］提供的风机空气动力略图验算　表明：实际工程中在用不等边基元绘制蜗壳时，为　基元法的计算公式也给出＿ｒ不等边基元法计算公　式，笔者认为是不合适的。因为由前面的讨论可　知，无论风机比转数的大小，平均速度法计算出的　蜗壳型线永远是一对阿基米德螺旋线，蜗壳的过　流断面面积变化规律是线性的，只需用等边基元　法绘图即可。用不等边基元法绘图得到的蜗壳线　型就不再近似是阿基米德螺旋线了，这就背离了　该方法要使各过流断面上平均速度相等的初衷。　文献［２］给出的蜗壳不等边基元绘图公式是　先用式（２）计算出蜗壳出口张开度Ａ；再按ｎ　＝　０　１Ａ．ｎ２＝０．１１６６Ａ、ｎ３＝０　１３３３３Ａ和ｎ４＝０．１５Ａ　来计算不等边基元的四个边长；最后用Ｒ　＝Ｒ。＋　１／８Ａ、Ｒ６＝Ｒ２＋３１８Ａ、Ｒ　＝Ｒ２＋５１８Ａ和Ｒ　：Ｒ２＋　了减小蜗壳的径向尺寸，通常是先用式（２）计算出　蜗壳的最大张开度Ａ，再根据关系式Ａ＝Ｒ　ｅ２　一７／８Ａ汁算四段圆弧的半径。该方法混淆了在风　机比转数较大条件下平均速度法和等环量法之间　的区别，实际上用该方法绘制的四段圆弧根本无　法相交。　５对比试验研究　Ｒ　求出ｍ值的大小；然后用关系式Ｒ　＝Ｒ　ｅ　计算出　＝ｚ／２、　、３ｒｒ１２以及２　处的Ｒ。值，最后　根据蜗壳型线的几何关系计算出不等边基元的各　边长。用该方法绘制出的蜗壳最大张开度较小，　但过流断面面积变化规律为一曲线，其过流断面　曲线与等边基元法蜗壳断面曲线的对比见图３　传统观点认为，当比转数比较大时，用不等边　基元法绘制的蜗壳有较大的扩压作用，可获得良　好的效果。但在工程实际应用中却反其道而行　之有些大比转数风机（如４．７２型通风机），用等　边基，　法绘制蜗壳型线；而小比转数的通风机（如　６　２３型），却用不等边基元法。对于同一种风机，　这两种方法绘制出的蜗壳型线对风机性能的影响　０　２ｆｘ１　（　有＿尤差别？对此，我们选择比转数较大的Ｙ５．４８　型风机进行了不同蜗壳线型对风机性能影响的对　比试验研究。　罔３　Ｙ５．４８风机蜗壳过流断面曲线　４　一　８ｎ　出２　祷５『１　２０　流量Ｉ　ｘ　１０　ｍ、ｍ　（ａ　风　流　ｒ×…　ｍ　，ｏｎ　流量『×Ｉ　ｍ　／ｈ　－ｈｉ效率曲线　（州功率曲线　图４　Ｙ５．４８两种蜗壳风机性能对比曲线　△——等边基元　Ｃ——不等边基元　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．４，２００２　ＦＬＬＩＤ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　７　试验片ｊ风机叶轮的直径为５００１ｘｌｔＴｌ　废风机日　当风机的比转数较小时，两种蜗壳的过流断面随　前使用的是用不等边基元法绘制蜗壳型线　在对　比试验中我们又按等边基元法没计了一蜗壳型　线，并加＿Ｔ成型　两种蜗壳型线过流断面面积变　化规律曲线　图３所示．．用同一叶轮对这两种蜗　壳在相同的条件下进　ｒ　ｒ通风机卒气动力性能对　比试验。试骑在进气试验装置上进行　试验数据　由自行开发的通风机性能试验计算机系统进行采　集与处理　…试验结粜绘制出两种情况下的风机　性能对比曲线（　Ｐ、　），如图４示　方位角的变化规律基本相同，简化的等环量法其　实就是平均速度法；当比转数较大时，两种设计方　法得出的蜗壳几何形状存在明显的差异。　（２）工程作图法中的等边基元法绘制的蜗壳　型线近似地是一条阿基米德螺旋线，故该方法适　用＿ｆ乎均速度法或简化的等环量法；而不等边基　）Ｌ法绘制的蜗壳型线近似地是一条对数螺旋线，　它适用于等环量法中的风机比转数较大的情况。　（３）对比试验结果表明，在大比转数条件下等　边基元法和不等边基元法设计出的蜗壳尽管在几　何形状卜有差异，但不会对风机的整体性能产生　明显影响　因此实际工程中在大比转数条件下用　平均速度法来代替等环量法进行蜗壳线型设计是　可行的　参考文献　从图４可以看出，两种蜗壳的风机性能曲线　在整个测试范围内基奉ｌ是相同的，没有大的差　别。试验结果表明，在大比转数条件下等边基元　法和不等边蕞兀法没计出的蜗壳尽管在儿何形状　［　有差异，但小会对风机的整体性能产生明星影　响，因此　Ｉ　大比转数条件下．可以用平均速度法　来代替等环苗法进行蜗壳线型设计，这与工程实　际使用情况相吻合。　最近的研究结果表明，蜗壳对风机内部气流　流动的影响丰要是在蜗舌附近区域　，从图３可　知，等边基儿法和不等边基兀法绘制的蜗壳型线　在蜗舌附近　域的差别小大，冈此它ｆ『Ｊ对风机的　［１　沈阳鼓风机研究所、东北Ｌ学院流体机械教研室　编．离心式通风机［Ｍ］机械上业出版社，１９８４　［２］　李庆宜编．通风机［Ｍ］机械工业出版社，１９８６　【３　续魁昌主编　风机手册［Ｍ］．机械工业出版社，　】９９９　［４］商景泰主编】９９４．　通风机丁册『Ｍ］机械工业出版社，　整体性能影响也差别小大　６结论　Ｌ５ｊ　Ｐａｎ　Ｄ．Ｗｈｉｔｌｆｅｈ］Ｒ　Ｄｅｓｉｇｎ（　ｌｄｍ　ｏ　ｆａｒ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｔｅ￣　ｏｆ　ｆ：ｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ￡１ｍ　ａ　（帅ｐ硝ｓ［１ｒｓ【Ｊ．Ｉ　Ｍｅｃ｜　Ｐｒｏ　Ｉｏｓｔｎ　Ｍ　．１９９９　Ｖｆｌ】２１３　Ｎｏ　Ｃ４　ａｎ　Ｃ　（１）平均速度法设计的蜗壳　线是＋阿摹米　德螺旋线；而等环量法的蜗壳型线足对数螺旋线。　（上接第１３页）　作者简介潘地林，２３２００１蜜徽理上大学机械丁程系　认为以圆孔为ｆ　Ｊ：　４结论　ｌ【　李琏生】９９８　参考文献　涡旋压缩机［Ｍ　北京：机械工业出版社，　由于带经济器的涡旋压缩机能够用于低温　况，它的府用将Ｈ益厂　泛　町能改善它的性能　是非常重要的　分析表明，涡旋压缩机的补气点　【２ｊ　Ｓｈｌｇｅｔｒｉｆ　ＮＡＧＡＴＯＭＯ．Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｄｉ　ａｅｅｒｎｅａｔ　Ｃｏｒａｐｒｅａ￣ｒ　Ｔｅｘ－ｈｎＭｏ￣－ｆｏｒＲｅｆｉｆｇｅｒａｌｉｏｎ【Ｊｊ　Ｔｒａｎｓ．ｏｆ　ｔｈｅ　ＪＳＲＡＥ　２００Ｏ，１７（２）　３ｊ张祉佑．制冷原理及设备Ｍ’　北京：机械工业出版　｛十，Ｉ９８７　位置与补人　体的中间压力对压缩机的制冷量和　ＣＯＰ有很大的影响一　本文只是刘涡旋压缩机在关于中问补　上＝的　这问题进行阐述，涡旋压缩机要投入广泛使用　：４１李文林等回转式制冷　缩机　Ｍ’．北京　机械工业　出版社，１９９２　还要解决其它　多问题，如制造加丁、气流阻力损　失、变频技术、密封性能　及经济可行性等　作者简介：　超．１９７８年　，制玲　低温技术专业硕士研究　牛．通讯地址：２０００９３　Ｊ．海理工大学制冷拄术研究所（１９７信箱）