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廠房降溫風(fēng)機風(fēng)機所屬的種類劃分多翼風(fēng)機的設(shè)計新思路
編者之話：在全國的風(fēng)機制造廠和風(fēng)機使用單位中，大專院校的壓縮機教研室和有關(guān)流體機械、風(fēng)機研究所里，大都是“風(fēng)機”的行家里手。然而，在上述各部門中，可能還有一些讀者不了解或不甚了解“風(fēng)機”的含義和發(fā)展的歷史�！帮L(fēng)機”的作用和國際著名風(fēng)機制造廠的概況等。退休多年的樂賡熙高級工程師用通俗科學(xué)的筆調(diào)編撰此文，可引導(dǎo)一些讀者步入“風(fēng)機王國”瀏覽性地走一遭，以幫助讀者開闊視野，增添風(fēng)機知識。
“風(fēng)機”這個名詞，在中國的《辭源》、《辭海》、《中國大百科全書》和國外的各類詞典中是找不到的。它是新中國成立后的五十年代初，工業(yè)部門為了便于機械產(chǎn)品的歸類和行業(yè)的劃分，乃將壓縮機中的透平壓縮機、透平鼓風(fēng)機、回轉(zhuǎn)式中的羅茨風(fēng)機和葉片式鼓風(fēng)機以及通風(fēng)機等歸為“風(fēng)機行業(yè)”，人們因而在習(xí)慣上也就把這些產(chǎn)品統(tǒng)稱為“風(fēng)機”。另一方面，又將壓縮機中的往復(fù)式壓縮機、回轉(zhuǎn)式中的螺桿、滑片、液環(huán)等壓縮機歸為“壓縮機行業(yè)”。
一、風(fēng)機隸屬
機械產(chǎn)品成千上萬種，分支甚多，那么，風(fēng)機何屬。
(一)流體機械
在沒有說到風(fēng)機之前，先說風(fēng)機的隸屬吧 !
對輸送介質(zhì)來說，風(fēng)機是流體機械的成員。
凡是以氣體或液體為工作介質(zhì)來轉(zhuǎn)換能量的機械通稱流體機械。它通常包括水輪機、汽輪機、燃氣輪機、膨脹機、風(fēng)力機、泵、通風(fēng)機、壓縮機、液力耦合器、液力變矩器、風(fēng)動工具、氣動馬達和液壓馬達等。
水輪機、汽輪機、燃氣輪機、膨脹機和風(fēng)力機是原動流體機械，它們都是把流體的能量 轉(zhuǎn)換為機械能的。泵、通風(fēng)機和壓縮機是從 動的流體機械，它們都是把動力機的機械能傳遞給流體，再提高流體壓力并抽吸或壓送流體。液力耦合器和液力變矩器是把輸入轉(zhuǎn)軸的機械能通過流體傳遞給輸出軸，它們是傳遞動力的器件。風(fēng)動工具是以壓縮空氣為動力的一種工具。氣動馬達和液壓馬達則分別是氣壓傳動和液壓傳動中的執(zhí)行元件。
不論是原動的流體機械還是從動的流體機械．它們都是利用或消耗能量的。流體機械所用的能源，最多的是燃料，如煤、石油和天然氣等的化學(xué)能，它們以熱能的形式釋放出來，然后再轉(zhuǎn)化成機械能或電能。把熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機械又稱為熱力發(fā)動機，如燃氣輪機和汽輪機。內(nèi)燃機也是一種熱力發(fā)動機，但它在習(xí)慣上又不稱為流體機械。此外，風(fēng)力機、水輪機和膨脹機可以直接或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換為電能后帶動從動機。
泵、通風(fēng)機和壓縮機是應(yīng)用廣泛、消耗能量多的從動流體機械，而從動的流體機械往往又是以原動的流體機械作為動力的。如許多大型透平壓縮機采用了汽輪機作為驅(qū)動機的。
水輪機、汽輪機和燃氣機的工質(zhì)分別為水、蒸汽和燃氣。泵輸送的是水 (故又稱水泵)、油(故又稱油泵)或其他液體。通風(fēng)機和壓縮機輸送各種氣體。風(fēng)力機和膨脹機的工作介質(zhì)分別為空氣和其他氣體。風(fēng)動工具和氣動馬達的工質(zhì)為壓縮空氣或其他壓縮氣體。液壓馬達的工質(zhì)為液壓油。各種流體機械由于作用原理、結(jié)構(gòu)形式和用途的不同，所用工質(zhì)的溫度、流量和壓力的差別也很大。
流體機械按工作原理主要分為容積式和動力式兩大種類。
容積式流體機械是依靠運動元件改變工作容積來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的。動力式流體機械則是依靠高速旋轉(zhuǎn)葉片來轉(zhuǎn)換能量的，故又稱透平機械。還有一種叫噴射器的也是動力式，它的工作原理是高速噴射的流體與被抽吸流體相混合，進行能量交換，并以此傳遞能 量。
流體機械按結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩大類。動力式流體機械通常是旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩種類。例如回轉(zhuǎn)式壓縮機和回轉(zhuǎn)泵雖然也都是旋轉(zhuǎn)式但它們的工作原理與透平壓縮機和動力式泵不同，分別屬于容積式壓縮機和容積泵。
(二)透平機械
上面籠統(tǒng)地談了流體機械，可能對風(fēng)機的譜還離得遠些。這里，就來談?wù)勍钙綑C械吧!
所謂透平機械，用簡單一句話概括：它是具有葉片的動力式流體機械。各種透平機械的共同特點是裝有葉片的轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)運動，流體(氣體或液體)流經(jīng)葉片之間通道時，葉片與流體之間產(chǎn)生力的相互作用，借以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。按能量轉(zhuǎn)化方向的不同。透平機械分為原動機和從動機。原動機將流體的能量(熱能、勢能或動能)轉(zhuǎn)化為機械能，通過主軸帶動發(fā)電機或其他從動機。這類原動機有汽輪機、燃氣輪機、透平膨脹機，水輪機和風(fēng)力機等。從動機由電動機或其他原動機(如汽輪機)拖動，將機械能轉(zhuǎn)換為流體的能量，即提高流體的壓力。這類從動機有通風(fēng)機、透平壓縮機、離心泵和軸流泵等。
透平式的從動機和原動機在原理和結(jié)構(gòu)上基本相同，只是工作過程相反。透平機械的工作介質(zhì)可以是氣體，如蒸汽、燃氣、空氣和其他氣體或混合氣體，也可以是液體，如水、油或其他液體。我們再來看看各類透平機械的工作介質(zhì)和工作過程。
透平原動機：
汽輪機 —— 工質(zhì)蒸汽，將高溫高壓蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹做功，使蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。
燃氣輪機 —— 工質(zhì)燃氣，將高溫高壓燃氣在燃氣機內(nèi)膨脹做功，使燃氣的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。
透平膨脹機 —— 工質(zhì)氣體，將高壓氣體在膨脹機內(nèi)膨脹做功，使氣體的能量轉(zhuǎn)化為 機械能 ,同時氣體本身強烈地冷卻,達到制冷或回收能量的目的。
水輪機 —— 工質(zhì)水，將高位水流經(jīng)過水輪機，推動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，使水的能量 (勢能和動能)轉(zhuǎn)化為機械能。
風(fēng)力機 —— 工質(zhì)風(fēng)，自然風(fēng)力作用在風(fēng)輪上，推動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。
透平從動機：
通風(fēng)機、透平壓縮機 —— 工質(zhì)氣體，由動力機驅(qū)動，葉片對氣體做功，提高氣體壓力并輸送氣體。
離心泵、軸流泵 —— 工質(zhì)液體，由動力機驅(qū)動，葉片對液體做功，提高液體的壓力并輸送液體。
透平機械主要分為徑流式(離心式或向心式)和軸流式。在徑向式機械中，流體主要沿著徑向流動；軸流式機械中，流體沿軸向流動。還有一種斜流式機械，流體的流動方向介于上述兩種機械之間。
曾記否?70年代初、中期，機械部組織三大透平機械建設(shè)會戰(zhàn)，即擴大透平壓縮機、汽輪機、燃氣輪機三種透平機械的生產(chǎn)建設(shè)。沈陽鼓風(fēng)機廠作為透平壓縮機的生產(chǎn)基地，從那時起，透平壓縮機的技術(shù)引進和設(shè)備引進、廠房擴建，也就蒸蒸日上，技術(shù)水平和生產(chǎn)形勢更是有了突飛猛進的發(fā)展，名符其實成為全國風(fēng)機行業(yè)之首了。
摘要：從改善其通流能力入手，通過理論分析和大量試驗最終達到了其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：多翼風(fēng)機 設(shè)計
前向多翼風(fēng)機葉輪的流道構(gòu)成與一般風(fēng)機不同點是：子午面的流道特別短，進出口直徑比D1／D2≥0.80；葉輪出口寬度特大，相對寬度b2／D2≥0.4；葉片數(shù)特多，最多可達72個。
前向多翼風(fēng)機葉輪流道寬而短，氣流狀況紊亂而無序，有些流道還充不滿氣流，很難建立起一個簡單的、符合實際的數(shù)學(xué)模型來進行流場分析
通流能力φ與流量及全壓等參數(shù)一樣，也是前向多翼風(fēng)機主要參數(shù)之一，通流能力是指在某一條等轉(zhuǎn)速線上達到最大全壓系數(shù)的流量系數(shù)值。
典型的前向多翼風(fēng)機特性曲線如圖1所示。
從圖1可見，通流能力把曲線分為左右兩個區(qū)域。在左區(qū)內(nèi)，全壓隨流量的增加而增加，全壓減去因流量增加而引起的動壓提高，仍可維持足夠的靜壓，氣流能夠克服阻力而順利通過流道。而右區(qū)內(nèi)情況就不同了，隨著流量的增加，動壓仍繼續(xù)提高，但全壓值反而下降，當(dāng)不能保證足夠的靜壓值時，氣流克服不了阻力而形成“阻塞”現(xiàn)象，這時曲線急劇跌落，全壓大幅度下滑，流量不再增加，全壓效率也下降幾十個百分點，性能曲線成“疲軟”狀態(tài)。通流能力φ越小，性能曲線就“疲軟”得越早，反之亦然。所以φ值是表征前向多翼風(fēng)機軟硬特性的參數(shù)之一。
從樣本查得11-62的φ值只有1.10，而結(jié)構(gòu)上有某些改進的Comefri 的TLZ 風(fēng)機φ值卻提高到1.35。由于通流能力的提高，在可使用的壓力范圍內(nèi)，Comefri 的 TLZ 風(fēng)機的流量比11-62增加近一倍，最高全壓效率也提高了近5%。要提高前向多翼風(fēng)機的通流能力，必須得找到限制通流的“瓶頸”位置，并加以結(jié)構(gòu)改進，再通過試驗驗證，最后獲得最佳匹配。
雖然前向多翼風(fēng)機的流道較一般風(fēng)機要寬闊得多，而且從風(fēng)機進口到出口都有足夠大的空間可讓氣流順利通過，但實際上，并不是所有流道都那么暢通。根據(jù)大量試驗表明，“瓶頸”位置就在葉輪進口處。而過去一提到增加流量就加寬葉輪，有些前向多翼風(fēng)機制造廠，把葉片相對出口寬度增加了20%～40%，派生出所謂寬型機。但實際上，無論是標(biāo)準(zhǔn)型還是寬型機，在葉輪進口處的“瓶頸”并沒有實質(zhì)性改變，因此寬型機風(fēng)量增加沒有預(yù)期的那么大，而且，由于葉輪的加寬還使寬型機的性能曲線變軟，更有甚者，過度加寬葉輪導(dǎo)致了前向多翼風(fēng)機硬特性完全消失，變成后向風(fēng)機的拋物線形下降特性。
若改善葉輪進口流動，消除“瓶頸”，提高前向多翼風(fēng)機的通流能力，筆者認(rèn)為主要應(yīng)從以下3個方面著手。
（1）擴大葉輪進口面積，可采用加大進氣口外徑或增加葉片進氣角兩種方法。加大進氣口外徑，不但增加進氣口面積、減緩進氣速度，還讓部分進氣吹走了由于氣流突然膨脹而在葉輪近輪蓋處形成的渦流。這樣既可以增加流量，又可以改善進氣的流動性能。但若葉輪進氣口外徑過大，會影響整個葉輪壓力的提升，所以一般以增加主流面積15%～20%為宜。葉片進氣角則應(yīng)盡量取大，通常取βA1=90°。
（2）取適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)，葉片數(shù)不宜過多或太少，應(yīng)保持中等。從理論上看葉片數(shù)越多葉輪出口的滑差越小，通過葉輪的氣流可獲得更大的功，有望提高更大的壓力。但是，葉片數(shù)過多勢必會增加摩擦損失和阻塞氣流，反過來又會對風(fēng)機性能有負面影響。事實上，前向多翼風(fēng)機葉輪，當(dāng)葉片達到一定數(shù)量時，再增加其葉片數(shù)，對其性能已沒有什么影響，這時葉片數(shù)的選取則純粹從結(jié)構(gòu)和工藝角度考慮。如國外有些風(fēng)機廠，為了不同型號通用同一種葉片，葉輪采用拼裝滾鉚結(jié)構(gòu)，靠增減葉片數(shù)派生出相鄰的機號來，所以按優(yōu)先數(shù)排列的標(biāo)準(zhǔn)機號，不論機號大小都是38片或42片。
（3）增加葉輪子午面的流道長度，使進出口直徑比D1／D2保持在0.82左右。通流能力提高以后，壓力有下降的趨勢，適當(dāng)?shù)臏p小D1使葉片流道加長、 增大，在較大流量情況下，可以維持較高的靜壓，使性能曲線會更加平坦。
用以上設(shè)計思路開發(fā)出來的樣機與11-62和 Comefri的TLZ 風(fēng)機性能比較如圖2所示。
圖2 新樣機與11-62和 Comefri的TLZ 風(fēng)機性能比較
從圖2可見新樣機的通流能力比11-62和Comefri 的TLZ 風(fēng)機都大得多，新樣機的性能曲線也較后兩者平坦。由于大流量區(qū)全壓的提高，新樣機可應(yīng)用的流量范圍也大幅度增加。
風(fēng)道設(shè)計計算的方法與步驟
一．風(fēng)道水力計算方法
風(fēng)道的水力計算是在工程和設(shè)備布置、風(fēng)管材料、各送、回風(fēng)點的位置和風(fēng)量均已確定的基礎(chǔ)上進行的。
風(fēng)道水力計算方法比較多，如假定流速法、壓損平均法、靜壓復(fù)得法等。對于低速送風(fēng)工程大多采用假定流速法和壓損平均法，而高速送風(fēng)工程則采用靜壓復(fù)得法。
1．假定流速法
假定流速法也稱為比摩阻法。這種方法是以風(fēng)道內(nèi)空氣流速作為控制因素，先按技術(shù)經(jīng)濟要求選定風(fēng)管的風(fēng)速，再根據(jù)風(fēng)管的風(fēng)量確定風(fēng)管的斷面尺寸和阻力。這是低速送風(fēng)工程目前最常用的一種計算方法。
2．壓損平均法
壓損平均法也稱為當(dāng)量阻力法。這種方法以單位管長壓力損失相等為前提。在已知總作用壓力的情況下，取最長的環(huán)路或壓力損失最大的環(huán)路，將總的作用壓力值按干管長度平均分配給環(huán)路的各個部分，再根據(jù)各部分的風(fēng)量和所分配的壓力損失值，確定風(fēng)管的尺寸，并結(jié)合各環(huán)路間的壓力損失的平衡進行調(diào)節(jié)，以保證各環(huán)路間壓力損失的差值小于15%。一般建議的單位長度風(fēng)管的摩擦壓力損失值為0.8~1.5Pa/m。該方法適用于風(fēng)機壓頭已定，以及進行分支管路壓損平衡等場合。
3．靜壓復(fù)得法
靜壓復(fù)得法的含義是，由于風(fēng)管分支處風(fēng)量的出流，使分支前后總風(fēng)量有所減少，如果分支前后主風(fēng)道斷面變化不大，則風(fēng)速必然下降。風(fēng)速降低，則靜壓增加，利用這部分“復(fù)得”的靜壓來克服下一段主干管道的阻力，以確定管道尺寸，從而保持各分支前的靜壓都相等，這就是靜壓復(fù)得法。此方法適用于高速空調(diào)工程的水力計算。
二．風(fēng)道水力計算步驟
以假定流速法為例：
1．確定空調(diào)工程風(fēng)道形式，合理布置風(fēng)道，并繪制風(fēng)道工程軸測圖，作為水力計算草圖。
2．在計算草圖上進行管段編號，并標(biāo)注管段的長度和風(fēng)量。
管段長度一般按兩管件中心線長度計算，不扣除管件（如三通、彎頭）本身的長度。
3．選定工程最不利環(huán)路，一般指最遠或局部阻力最多的環(huán)路。
4．選擇合理的空氣流速。
風(fēng)管內(nèi)的空氣流速可按下表確定。
表8-3空調(diào)工程中的空氣流速（m/s）
部位
低速風(fēng)道
高速風(fēng)道
推薦風(fēng)速
最大風(fēng)速
推薦風(fēng)速
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