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   我們完全可以斷定,專門設(shè)計用于輸送熱空氣或工業(yè)氣體的通風機,有時要求其在一般的冷空氣狀態(tài)下工作。在試驗臺上試驗通風機時,或臨時安裝以作工業(yè)評價時,就會出現(xiàn)這種情況。用于電爐的通風機,當電爐剛剛裝設(shè)好時,通風機必需在比工作溫度低得多的溫度下起動,會發(fā)生這種情況。通風機在這種新的情況下工作時,其壓力和效率如何變化呢?    若使用外部的控制使之保持不變,則通風機的速度三角形保持一樣。這就是說兩種情況下的流量一樣,但其壓力要按以下的公式變化:                                      △p=Hγ=Hp/（RT） 即功率L=(V△P/&ea;)和絕對溫度成反比。 例已知:一臺專門設(shè)計用于輸送500℃熱空氣的通風機在15℃的冷空氣狀況下起動。求:壓力和功率的變化。 解：                               L=V△p/&ea;)=VHp/（&ea;RT）       (V=常數(shù);H=常數(shù):P=常數(shù);R=常數(shù))。 故             L1/L2=△p1/△p2=T1/T2=（273+500）/（273+15）=773/288=2.68 這表明功率約增加168%。對于特別大的裝置,為了滿足這種臨時的需要而去配置一臺更大的電動機往往是不可能的;所以通常的辦法是用節(jié)流來減小通風機的流量。這種流量的調(diào)節(jié)方法如以后章節(jié)所述,只在離心通風機中采用。略為變化一下公式(5),我們可以得到另一種相當有用的形式。在圖4所示的兩個速度三角形中,應(yīng)用余弦定理有：                                   ω12=c12+u12-2c1u1cosa1=c12+u12-2u1c1u 以及                                   ω22=c22+u22-2c2u2cosa2=c22+u22-2u2c2u 所以                                   c1u1cosa1=u1c1u=（c12+u12-ω12）/2                                                                                               c2u2cosa2=u2c2u=（c22+u22-ω22）/2   由以上的推導(dǎo),公式(10)就更有意義了。壓升被分為三項： (1)第一項(γ/2g)(c22-c12)代表動能的增加。該動能的增加指的是在通風機本身,而不是在葉輪內(nèi)可以轉(zhuǎn)換的動能。這就意味著根據(jù)伯努利方程,如果轉(zhuǎn)換是沒有損失的話,利用在導(dǎo)流器、蝸殼等中的擴圧,就可以獲得一個靜壓回收。所以,如果在無損失情況下進行轉(zhuǎn)換,就能產(chǎn)生個(γ/2g)(c22-c12)的靜壓。 (2)(γ/2g)(u22-u12)代表在葉輪中,由于作用于氣流的離心力所造成的靜壓變化。當圓周速度u1和u2不相等,如在離心通風機中那樣時,(氣流是徑向流動；向葉片的末端靠近時,離心作用就加大。必需特別注意這一項,因為損失并不直接與之相關(guān)。對于軸流通風機,由于u2=u1,故這一項不存在。從而因這一項的被消去就可以導(dǎo)出:在其它的條件相同時,離心通風機的全壓升大于軸流通風機的全壓升； (3)第三項是因氣流在葉輪中擴壓所引起的動能變化,這樣ω1&g;ω2,所以這一項代表了在葉輪中動能變?yōu)閯菽艿霓D(zhuǎn)換。如果這變?yōu)殪o壓的轉(zhuǎn)換在沒有損失的情況下進行,則根據(jù)伯努利方程為：                                                            (γ/2g)(ω12-ω22)  

在實際的通風機設(shè)計中,重度是人們所關(guān)心的氣體和蒸汽的唯一物理特性.。重度γ由一般的氣體方程導(dǎo)得; pv=P/γ=RT或γ=p/RT 絕對壓力由表壓△ムP,按P=Pa+△P求得(Pa=大氣壓),而溫度按T=+273得到?；旌蠚怏w的氣體常數(shù)以按各種手冊中簡化了的計算求得〔如杜貝爾或許特的手冊〕。 大氣一般總是潮濕的。濕空氣總是比干空氣重。所以,如果是在較高的溫度下,濕空氣重度的減小就變得較重要了。圖3示出了50%和100%濕度的空氣重度減小與溫度間的關(guān)系。 公式(2)是歐拉透平理論的主要公式,它表明壓頭H是： (1)和重度無關(guān)。這意著在水或空氣的情下,壓頭都是一樣(可回顧力學(xué)中的一種相似情況,即在真空里,所有物體均具有同樣的下落加速度)； (2)在相同的圓周速度下,H和△p具取決于cu。 (3)因為△p=γH,故可得出以下的結(jié)果:如果同個葉輪,在相同的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),第一次用于重度為γ2的空氣,然后用于重度為γa的任何氣體,則有：             △p1=Y1H    △pa=YaH 因此                △p1/△pa=Y1/Ya 即所得到的壓力和它們的重度比值相同。 (4)如果重度隨溫度變化,應(yīng)用一般的氣體方程：                △p=HY=Hp/（RT） 則在相同的絕對壓力P,即相同的壓頭時,壓カ變化按  △p（1）/△p（2）?=Y（1）/Y（2）=T2/T1 即壓力的變化和絕對溫度成反比。  

   首先來討論一個后向葉片的理想葉輪。具有無限多葉片的葉輪定義為理想葉輪。這樣,其所有的摩擦損失就可以不計,而且空氣的相對運動是和葉片方向相一致的。另外片的厚度也看作無限小。以直徑d1表示時片進口處的直徑,該處葉片和圓周切線形成的角度為&bea;1,而在葉片出口處相應(yīng)的角度為&bea;2。    雖然這種葉輪和實際葉輪的差別很大,但卻是研究葉輪問題的一個非常有用的基礎(chǔ)。在進行比較時,一元流動理論是絕對必需的,而且在其它方面也是非常有用的。上述的假設(shè)已在歐拉的透平理論中給出。      假設(shè)葉輪以圓周速度u2轉(zhuǎn)動,空氣沿徑向進入葉輪。那么,空氣進入葉片流道時,是和葉片流道的方向相切的。這種空氣進入形式稱為無沖擊。假設(shè)葉輪具有無限多葉片,即意味著葉輪出口處空氣的相對速度是和葉片末端的切線方向相一致。但在實際上,即葉片數(shù)有限時,空氣的相對速度就和葉片末端的切線方向不同,并且具有一個和葉片幾何出口角不同的角度。      在實際情況下,由于空氣受到一個和葉輪轉(zhuǎn)向相一致的預(yù)旋作用,所以從靜止的位置上看,空氣并不是真正沿徑向進入,而是和圓周方向成一個a角度進入。從這個意義上考慮,采用了一個絕對速度的圓周分量c2u。圖1示出有在透平機械中習慣用符號的典型進、出口速度三角形。讀者必需學(xué)習圖中各個量值的構(gòu)成和含義要非常熟悉它。作為一個簡單的指導(dǎo),讀者應(yīng)記住以下的規(guī)定:相對速度和圓周速度的矢量和等于絕對速度。     氣流流經(jīng)這樣的一個葉輪時,首先涉及的問題是:產(chǎn)生這樣一種流動所需的轉(zhuǎn)矩是多少?力學(xué)中的動量定理可給予我們所需要的知識。不過在通風機中應(yīng)用動量定理時,是以進出口間的動量矩差來表示合成轉(zhuǎn)矩的,這一點很重要。設(shè)以qcu表示轉(zhuǎn)矩,其中q為流經(jīng)一個圓盤的每秒重量流量,cu是空氣在圓周方向的速度或圓周速度,為半徑。這樣即可寫出                         M=q（2c2u-1c1u）     由于q的數(shù)值在進口和出口ー樣,所以置于括號之外。如果需要進一步研究這方面的問題,可以從有關(guān)的以“連續(xù)性方程&dquo;的文獻中得到充分的資料。    其次,人們還會問:相對于一個輸出,其所需的能量是多少?由于討論的是一個流經(jīng)葉輪的無摩擦流動,故由外界供給氣流的能量就被轉(zhuǎn)換成了壓力能:能量的轉(zhuǎn)換看作是完全的,故不考慮損失。這樣,輸入的能量就與輸出的能量一樣。如果我們把每秒重量流量q看作是由固體的微粒所組成,它每秒被舉起H高度,則這種移動所需的功率是Hqg。若葉輪以角速度ω(弧度/秒)轉(zhuǎn)動,功率就為L=Mω?？蓪憺椋?      L=Mω=Hqg=qω（2c2u-1c1u）                 =qω（u2c2u-u1c1u）  并由此得到        Hqg=1/g（u2c2u-u1c1u）  對于徑向進口(c2u=0),則為        M=q2c2u    Hqg=1/gu2c2u 對液體和氣體而,“舉起高度&dquo;這一項的意思是和“壓頭&dquo;同義。大于大氣壓力時,壓頭和壓力的關(guān)系是      △p=YH Y——是液體或氣體的重度 在通風機設(shè)計中,是用大于大氣的壓力(即表壓)△P來代替。于是就可寫成:         △P=Y/g （u2c2u-u1c1u）=Q（u2c2u-u1c1u）         △P=Qu2c2u    (徑向進口) 通風機的壓頭可以直接和水泵的揚程相比擬。我們引入G來表示通風機的每秒吸入重量流量,并把它提高到壓頭H=△P/Y。這樣,通風機的功率就是：                   L=GH=VYH=V△P 即通風機的理論功率,等于流經(jīng)通風機的每秒容積流量與全壓的乘積。 必需注意,用△P來表示全壓。若以靜壓差△Ps來表示,則全壓應(yīng)為靜壓加上進出口間的動壓變化：               △P=△Ps+Q/2（v22-v12） 這里忽略了壓縮性的影響,但對高壓的情況,就必需考慮壓縮性的影響。假如把一個基元壓頭寫成                dH=-dp/Y=vdl 則全壓頭可由積分求得：                H=∈vdp 積分取決于變化過程是等溫、等嫡還是多變。在通風機中是以等嫡過程作為參考標準,所以：  

    有時在系統(tǒng)設(shè)計估算系統(tǒng)阻力時,加進安全系數(shù)這一因素以調(diào)整不精確的估算值。偶而這些安全系數(shù)會補償忽略了的阻力損失,而實際系統(tǒng)會輸送設(shè)計流量(圖4-16中點1),但通常的結(jié)果是包括安全系數(shù)在內(nèi)的估算的系統(tǒng)阻力會超過實際的系統(tǒng)阻力。由于風機是按設(shè)計工況制造的(圖4-16中點1),而實際將會輸送更多的空氣(圖4-16中點3),因為設(shè)計流量時的實際系統(tǒng)阻力小于設(shè)計值(圖4-16中點4)。這種結(jié)果不一定是一個優(yōu)點,因為風機通常在性能曲線的效率不高的一點運行,并且會需要比設(shè)計流量大的功率。在這些條件下,有必要降低風機的轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)風門,以將實際的系統(tǒng)阻力(圖4-16中曲線③)增加到原來的設(shè)計特性曲線(圖4-16中曲線2)。  

   當空間或其它因素要求風機的出口和進口處的連接采用不良布置時,在設(shè)計計算中需考慮適當?shù)挠嗔俊?    設(shè)計風機系統(tǒng)間的連接時,應(yīng)盡可能地在風機的出口和進口處提供均勻而直的氣流狀態(tài)。為所有附件和附屬設(shè)備對系統(tǒng)和風機性能的效應(yīng)留有足夠的余量。究竟使用那些有效的用于某個系統(tǒng)的現(xiàn)場測試技術(shù),要注意采用對此有影響的測量精度和條件。  

   對直葉片和圓弧形葉片來說,進口并不能很準確地成型,所以在某些情況下就會產(chǎn)生太高的葉片壓力,從而導(dǎo)致了氣流的分離。因此,要求在進口處具有較小的曲率半徑。對此、可以采用兩個曲率半徑的葉片來實現(xiàn),也可采用曲率逐漸變化的葉片來達到。簡單圓弧形的結(jié)構(gòu)是不值得考慮的。最好的葉片進口設(shè)計是使之不產(chǎn)生氣流的加速或減速(無功的葉片段)。根據(jù)前述,我們知道這一段無功進口段可以用圓心在A點的一段圓弧近似地畫出,該圓弧的半徑等于由該點引出的對數(shù)螺線的曲率半徑。從進口至BC截面(圖74)這一段,我們即采用這樣的圓弧線。其后的另一段止片做成拋物線形,并使之在C點具有和圓弧線同樣的曲率半徑。曲線最好用曲線板連出。這樣做出的葉片流道需要進一步加以檢驗?？梢岳靡恍﹫A來幫助我們決定通流面積的寬度以及流線的軌跡。根據(jù)這些圓的直徑和平均寬度可以很方便地決定流道的面積。其中,平均寬度是按各個圓的圓心所對應(yīng)的寬度來決定,如圖左面所示。?中也把各個圓的面積按各個的圓心連接線的展開線為橫座標畫出(圖74)。非常重要的點是,面積應(yīng)該逐漸增大。如果得出的結(jié)果不是這樣,流道必須修改。另外不希望是一條開始急劇下降而后又上升的曲線,因為對一個給定長度的流道,在一個給定的點上所具有的減速可能會大于要求的數(shù)值。確定減速程度的最好的方法是畫出各個等值圓直徑的線來代替面積曲線,并使得到曲線的斜度應(yīng)不大于8°~10°。   按擴壓器的最大允許擴壓度要求來逐漸增大面積是目前決定葉片流道尺寸的一個非常重要的觀點。與葉片展開長度相比較,葉片流道越窄,則在設(shè)計葉片流道時就越需要加倍小心。葉輪葉片數(shù)少時,采用圓弧形葉片還是適當?shù)?因為此時進口的條件與機翼形流動相似。    等減速的葉片流道通常我們假設(shè)ω減小是呈線性的。潘特爾首先指出,在葉片流道中的減速會很快地由其最初的峰值減小下來。所以他提出了一種葉片流道形式,其中減速保持為常數(shù)。以下的公式表明,如果要使減速保持為常數(shù),則當ω減小時dω/ds必需加大。             dω/d=dω/ds=ds/d=dω/ds=常數(shù)        

   至此,我們已經(jīng)討論了葉輪外形以及葉片進口角、出口角的最隹設(shè)計。但是,以這樣的葉片進口角和出口角所決定葉片形狀是什么樣的呢?在給定的&bea;1和&bea;2時,存在許多可能的選擇。 一、直葉片 直葉片是最簡單的葉片設(shè)計形式。據(jù)圖72,這時葉片進口角和出口角間的關(guān)系為： 二、圓弧形葉片 圓弧形葉片的主要優(yōu)點是可以應(yīng)用于任何的進出口角。其結(jié)構(gòu)形狀示于圖73。它的曲率半徑R按下式計算：                          R=22-12/2/（2cos&bea;2-1cos&bea;1）      葉片外形可按以下方法畫出。在圓心O作一個等于&bea;1+&bea;2的角。用直線連接葉片的內(nèi)圓和外圓,并交于B、C兩點:由該直線得到A點,AB即為葉片圓弧的弦長。在B點作個&bea;2角,其邊與弦長AB中點所引的垂線相交,此交點即所求的葉片圓弧的圓心P點。      

    目前尚缺乏決定葉輪出口寬度b2的可靠資料。實際上,人們設(shè)計覆蓋葉輪葉片的平行前盤或圓錐形前盤。    前盤的形狀取決于葉片的形狀。決定性的因素是葉片的流道而不是徑向的面積。在葉輪流道中,平均速度從ω1減至ω2。這種減速在設(shè)計葉輪時,是一個非常重要的因素。沒有關(guān)于氣流在旋轉(zhuǎn)流道中發(fā)生分離現(xiàn)象的可靠試驗資料時,可應(yīng)用類似于固定擴壓器的資料。     因此,在使用時要特別注意,以保證圓錐形前盤的傾斜角不大于9°~12°。若作出前盤橫截面面積或等值圓直徑與流線平均展開線間的關(guān)系曲線，則可很容易的檢驗葉片流道面積的擴張情況。葉片流道較短，即d1/d2較大時，面積的擴張就較小。通?？梢园讶Q于ω1/ω2的葉片流道允許擴張與直徑聯(lián)系起來，近似的有：                          ω2/ω1≥d1/d2     d1/d2值相同的通風機,比值d1/d2可以隨系數(shù)ψ而變化。必需對每一種情況的利弊進行估計,以便決定采用圓錐形前盤是否有效。這種形式的前盤在已知的限度內(nèi)將是保持減速的。但這種一般的闡述并沒有告訴我們什么時候應(yīng)該采用圓錐形或平行形前盤。    

 一2m長鋼軸,直徑0.1m,可以看作簡支梁,它支承兩個葉輪,每個為200kg,重心分別距軸端為0.4m和1.2m,計算系統(tǒng)的第一臨界轉(zhuǎn)速 解軸的重量=(2xπ/4x0.12x7790x9.81)N=1200N 軸的面積的二次矩=πd/64=π&imes;10-4/64m4==4.9&imes;10-6m4 由軸重產(chǎn)生的撓度 這就是系統(tǒng)橫向振動的基本頻率。系統(tǒng)第一階臨界轉(zhuǎn)速為20.21/s。  

    一風機葉輪的后盤為鋼質(zhì).外徑為600mm,內(nèi)徑為150mm,轉(zhuǎn)速為30/s,后盤上的葉片質(zhì)量等于后盤的質(zhì)量。假設(shè)葉片的影響相當于后盤密度增加50%的葉片質(zhì)量,計算最大徑向和周向應(yīng)力。 解：計入葉片質(zhì)量的后盤密度為      (7790&imes;1.5)kg/m2=11685kg/m3   旋轉(zhuǎn)的角速度=(2xπx30)/s=188.5/s   最大徑向應(yīng)カσ=&ho;ω2/8(μ+3)(2-1)2   式中μ一材料的泊桑比,鋼材μ=0.29   σ=11685x188.52/8x3.29x（0.6-0.15）2 =3.46x107 Pa   最大周向應(yīng)力σ=&ho;ω2/4【 (μ+3)22+(1-μ)12】             =11685&imes;188.52/4x【3.29x0.62+0.71x0.152】Pa              =1.25x108 Pa