轴流式风机
轴流式风机是利用旋转叶轮将能量传给流体，并能输送流体或提高其压能的一种机械。但是流体在此机械中的流动方式与离心式风机不同；离心式风机中的流体是径向运动，依靠离心力来增加其压能，而轴流式风机中的流体是籍升力增加压能，并使其沿轴向运动的一种机械。
这种风机的特点是：流量大、压头低、比转速大。
2.1轴流式风机的理论基础
2.1.1轴流式风机的组成部分及其压头（压力）公式
2.1.1.1轴流式风机的组成部分
图2-1表示轴流式风机的简图。按其本身结构来说甚为简单，机械的流道按装在圆柱形外壳内，因此占据面积较小，重量尺寸小。轴流式风机的流道是由外壳3、叶轮1和导流叶片2等组成的。
叶轮旋转时，流体沿着轴向进入由叶片组成的流道内，并将其能量传给流体。流体在叶轮中的流动与螺旋表面上的流动相似。因此，轴流式风机中的流体会产生前进和旋转的两种运动。流体从叶轮出来后就进入导流叶片的流道内。与此同时，流体旋转方向的运动被迫停止，并将其动能化成压能。另外，导流叶片还控制流体呈轴向流动。在多级轴流式机械（轴流式泵与风机）中，导流叶片将给予流体以一定的流动方向而配合后一级工作。
轴流式机械一般有下列四种型式（图2-2），现分述如下。
图2-2轴流式机械的主要型式
型式A只有一个叶轮，其进出口均无导流叶片，出口外的流体是向旋转方向扭曲（），由于流体与管壁之间有粘性力的影响，则流体离开叶轮若干距离后仅呈轴向运动，亦即从叶轮出来的功能变成管路中的时，动能下降。试验指出，这动能改变并不使静压增加，相反的减小了出口压头。这种机械欲获较高压头，将会使叶片弯曲加大，则动能损失也大，故只适用于低压通风机上。
型式B只有一个叶轮，出口处装有导流叶片，流体经过出口导流叶片后，其速度方向一般是轴向的，故效率比上述型式为高。
型式C，在叶轮前端进口导流叶片处，流体向旋转方向相反扭曲，即。这样的结构在设计工况下离开叶轮时的流体的绝对速度方向是轴向的。但离开计算工况时，其出口流体并不是轴向。流体在进口导流叶片内的速度增加，静压头减小，该时叶轮所获得的静压比例较大。在设计工况下水力效率比型式B小这是由于叶片前相对速度较大的缘故。这种机械比上述两种机械有下列优点：
在相同的圆周速度和叶型下，它产生的压头较高；
效率比较稳定，当流量改变时，其效率改变不大；
进口导流叶片做成旋转式，这样就可很经济地进行流量调节。
型式D，这种风机装有前后导流叶片，它的前导流叶片可使流体向旋转方向扭曲。亦可使流体相反方向扭曲，但在设计工况时，进口导流叶片也可以使流体并不扭曲。若要降低流量，则必须使导流叶片向旋转方向旋转，或反方向旋转使流量增大。若流量变化幅度相当大时，采用D型最为合理。
目前轴流泵采用B型，轴流式通风机采用A、B、C和D型。前三种是最后一种型式的个别例子。
2.1.1.2轴流式风机的压头公式
为了研究轴流式风机所产生的压头，我们在图2-1上以轴心为半径的圆筒对叶轮作一个截面，并将它展开成平面，则得平面叶栅（图2-3）。所谓平面叶栅就是一系列相同叶型，若彼此相距为（叶栅节距），并与叶栅成同一角度。从理论分析和实际使用中指出，若机械中流体无径向流动，则叶轮中的流体与平面叶栅流动具有相同的特性。
图2-3平面叶栅及其速度三角形
我们取其中一个叶型，并简化为AB曲线，A为叶轮处的进口边；B为同一半径上的出口边，此两点在同一半径上，所以它们的圆周速度是相等的，即，因而作出叶片进出口处的速度三角形或平行四边形。
由叶片机械的理论可知，其理论压头为：
对轴流式风机来说，其风压
（2-1）
由上式知道，轴流式通风机的理论风压等于叶轮出口和进口绝对速度在圆周上的分速之差与圆周速度以及流体密度之乘积，一般此乘积不能太大，故它们的压头也不会太高。
从图2-3中得到：
（2-2）
根据连续流定律，叶轮进出口处的轴向分速是相等的，即
（2-3）
若将式（2-2）、（2-3）代入（2-1）中，则轴流式风机的风压公式为
）（2-4）
由上式知，轴流式风机只有当时才能产生风压。另外在风压不变的情况下，与愈相接近，则要求圆周速度愈大，这就是说当机器转速增加时叶片的弯曲度可相应地减小而变成平坦。
2.1.2轴流式风机的升力理论
轴流式风机翼型在流体中的作用和机翼在静止着的流体中前进时所受到的作用相似。因此，翼型与流体相互作用的流体动力学概念就是它们的理论基础。
2.1.2.1孤立翼型的几何参数及动力特性
一般翼型是尖尾的（图2-4）。把翼型上下两面之间的距离等分的曲线称为翼型轴孤线；上下两面之间的距离是按与轴线相垂直的直线计算的。
为了说明翼型在流体中的相对位置并定一条翼型代表长度，我们引用翼弦这个概念。翼型内弦是连接翼型轴弧线两端点的一条直线。外弦是指一条经过翼型后缘与翼型下面相切的直线。以后只用内弦这个概念，并称为翼弦。翼型上下面座标是按弦长的百分数来表示，翼型是横座标。
翼型最大厚度y与弦长之比，称为翼型的相对厚度：
翼型轴孤线的最大高度f与弦长之比，称为翼型的相对弯曲度：
最大厚度与轴孤线最高的位置是翼型很重要的参数，都以相对横座标和表示。此外，翼型头上还有一个曲率半径，尾上有一个尖角。改变最大厚度，并将对称翼型的其它座标都按比例改变，就可得到一连串的各种不同厚度的翼型。
当孤立翼型被流体绕过时两者之间产生相互作用力，此力大小可由升力理论来确定，即在理想流体的平面流动中，对无限翼型单位长度上的升力大小应等于流体运动速度、环量及流体密度之乘积；其方向与速度的法线方向一致，并指向环量与流入速度的相反方向，且成（图2-5）。因此孤立翼型上的升力由下式确定：
（2-5）
在实际流体中除了升力以外在流动方向还有迎面阻力存在，故升力与迎面阻力由下式表示（图2-6）：
（2-6）
式中：――翼型长度；
――翼展，即垂直于图方向的叶片长度；
――无限远处的来流速度；
――介质密度；
――孤立翼型的升力和阻力系数。
图2-6实际流体作用于孤立翼型上的力
2.1.2.2平面叶栅几何参数及其升力理论
式（2-6）只适用于孤立翼型，而轴流式风机的叶轮是由许多尺寸相同的翼型组成的平面叶栅。当流体围绕流过叶栅中的翼型时，其流动要受到相邻翼型的影响，因此作用于叶栅中翼型上的升力及迎面阻力与作用于孤立翼型上升力及迎面阻力是不相等的。现在来研究平面叶栅的几何参数及其升力理论。
平面叶栅的几何参数及翼型的重叠速度图
图2-7所示为一平面叶栅，把所有翼型的前缘和后缘诸点连接起来组成叶栅面，而它的法线是叶栅的轴线。让我们来讨论这个叶栅的几何参数。
图2-7平面叶栅
两相邻翼型相应点的间隔称为叶栅节距，即
式中：R――叶轮的任意半径；
Z――叶片数目。
叶栅节距与弦长之比称为叶栅相对节距：
弦长与节距比称为叶栅稠度：
翼型与叶栅之间的夹角称为翼型在叶栅中的安装角。翼型轴孤线在翼弦前缘点和后缘点的切线与叶栅面之间的夹角和分别称为翼型在叶栅中的进出口角。
翼栅绕本身轴线方向的圆周速度u运动着。叶栅前的流体绝对速度决定于流体进入叶栅的条件，一般可分为和两个分速；相对速度决定于流体绝对速度和圆周速度矢量之差（图2-8）。同理也可以作出叶栅翼型的出口速度三角形。由式（2-3）知，叶栅翼型前后轴向分速保持不变，即。因而，叶栅翼型相互作用仅发生在平行于叶栅中心线的圆周分速方向上。合并进出口速度三角形后就可以看出叶栅翼型对流体的相互作用力。令平均相对速度等于叶栅前后相对速度与平均几何值，这一速度在叶栅理论中的作用就相当于在孤立翼型中无穷远处来流速度所引起的作用，其速度大小和方向由图2-8决定：
（2-7）
（2-8）
叶栅内围绕翼型的速度环量
现在我们来确定在叶栅中围绕任一翼型的环量（图2-9）。首先对叶栅某一翼型作若干个控制面abcda。控制面ab和cd沿着轴线方向的距离为t;控制ad和bc在相当远处平行于栅轴。因此，在控制面ad和bc上所有各点的速度和压力都是相等的；而ab和cd控制面上各相应点的压力，速度和作用力大小相等而方向相反。按控制面abcda的方向为正（顺时针方向）因此沿该控制面上的速度环量为：
图2-9叶栅中流体围绕翼型时的速度环量和流体作用于翼型上的力
(2-9a)
因为控制面ab和cd上的速度分布相同而方向相反，故
(2-9b)
这是由于我们以相反方向绕上述两控制面的缘故。控制面bc和da的速度环量为：
(2-9c)
将式(2－9b)和(2－9c)代入式(2－9a)中，即得控制面abcda的速度环量：
(2-10)
关于叶栅翼型的升力理论
下面我们根据上述关系来决定流体作用于叶栅翼型上的力。在研究这个作用力时，首先研究理想流体中的作用P然后再研究实际流体中的作用力R（图2-9）。
我们认为流过叶栅翼型的流体（不可压缩的理想流体）是稳定流动。外部流体对沿着ad和cd上的作用力大小相等，方向相反，因而这些力在u和Z方向的分力均等于零。令u向右为正；Z向上为正。
当理想流体从截面a-d移到截面b-c时，利用动量定律就可得到流体用于叶栅翼型上的力在u方向的分力：
（2-11a）
式中：――流体的密度；
――每秒钟经过叶栅节距t的流量(翼展b=1)，即
；
＿翼型进出口相对速度在园周上分速。
对不可压缩流体而言，由于叶栅翼型前后流量不变，故它们的相对速度在轴向的分速也是不变的，即
因此（2-11b）
若用绝对速度在园周上的分速来表示（图2-8），则式(2-11b)能写成：
（2-12）
上式负号表示的方向与u相反。
现在再求垂直于叶栅面上的分力（Z方向的分力）。作用在控制面ab和cd上所有的力都是相等而方向相反的；控制面ab和bc上的作用力之和为;重力等于。此外，为投影在Z轴上为负号。全部力投影在Z轴上之和等于每秒钟动量之变化，即
（2-13）
因为
所以式(2-13)能写成：
（2-14）
利用伯努利公式得：
或（2-15）
式（2-15）代入式（2-14）中，
（2-16）
作用在叶栅翼型上的合力可由式（2-12）和式（2-16）求得，即
（2-17）
P与Z轴之间的夹角为：
（2-18）
上式所得P与Z轴间的夹角等于与栅轴间的夹角，所以P与垂直。以上所述的就是儒可夫斯基的升力理论。
流体作用在叶栅翼型上的升力P等于流体密度、环量和平均相对速度之乘积其方向与成（偏于环量相反的一边）。在叶栅理论中引入的目的是为了使叶栅翼中的升力公式与孤立叶型的升力公式具有同一类型。当节距t趋向无限大时，趋向孤立型的环量。
在实际流体中流体作用于翼型上的周向分力，根据动量定律与理想流体中的作力相同，即
（2-19）
轴向分为可从动量定律求得：
（2-20）
式（2-20）与式（2-14）中所不同的是该式的右边部分，在实际流体的相对运动中必须及叶栅翼型中的压头损失，即
（2-21）
将式（2-21）代入式（2-20）中，则
（2-22）
或（2-23）
从式（2-23）看出要比小值，其方向与Z相反，实际流体作用于叶栅翼型上的合力为：
（2-24）
从图（2-9）上看出，R不与垂直，而是与其法线N相差角。R可分解成两个分力，Y为R在法线方向上的分力，称为升力；X为R在方向上的分力，称为迎面阻力。
由作用力与反作用力定律知道，流体作用于叶栅翼上的力P（R）与叶栅翼型作用于流体上的力大小相等方向相反（图2-10）
迎面阻力X与升力Y之比称为反质量，即
（2-25）
其例数称为翼型质量，此值愈大，X愈小；则翼型的质量愈好。
由叶栅升力公式和孤立翼型升力公式相比较可知，两者形式完成相似，由此，把孤立翼型在风洞中试验所得的数据作不大的修正就可以用来计算叶轮，轴流式风机就是按此理论来设计的。
2.2轴流式风机的性能
轴流式风机的工作原理与轴流泵相同，但叶片数目和结构不同，轴流式风机的叶片可多达22片左右。这种风机的特点是流量大、压头低，在实际中主要用在通风和空调系统中，但是这种风机的主要缺点是噪声大。
2.2.1轴流式风机的性能曲线
轴流式风机如同离心式机械一样也是用特性曲线H-Q、N-Q和-Q等来表示，但形式上有很大的差别。
图2-11所示为一轴流式风机的特性曲线图，它具有以下几个特点：
(1)风压特性曲线H-Q的右侧相当陡峭，而左侧呈马鞍形，c点的左侧称为不稳定工况区；
(2)当风量减小时，功率N反而增大；在Q＝0时，N达到最大值；
(3)最高效率点的位置相当接近不稳定工况区的起始点c。
轴流式风机的这几个性能特点与风机在不同工况下叶轮内部的气流流动状况有着密切的关系。
图2-12是轴流式风机在不同风量时叶轮内部气流流动状况的示意图。图2-12d相当于特性曲线中最高效率点，即设计工况，从该图中可以看到，气流沿叶片高度均匀分布。
图2-12轴流式风机在不同工况下叶轮内部气流流动示意图
图2-12e表示超负荷运行的工况，在叶顶附近形成一小股回流。此时气流偏向内侧，使风压下降。
图2-12c代表H-Q特性曲线中c点的工况，c点为性能曲线的顶峰。此时动叶背部的气流分离，形成涡流，并逐个传递给后续相邻的叶片，即所谓旋转脱流。
图2-12b代表特性曲线中马鞍形最低点b的情况。此时涡流不断扩大，同时又在进口叶顶处形成新的涡流。这些涡流会堵塞气流的通道，并迫使主流朝径向偏斜，犹如接近离心式风机的工作情况，因此在特性曲线上b点的左侧，风压P有所回升。
图2-12a风量等于零的情况。此时涡流的形成与扩张，使功率N曲线上升。
图2-13示出了轴流式风机的不稳定工况区。如果风机在这个区段运行，就会出现风量脉动等不正常现象。有时这种脉动现象相当剧烈，风量Q和风压H大幅度波动，噪音增大，甚至风机和管道也会发生激烈的振动，这种现象称为“喘振”。
2.2.2旋转脱流
2.2.2.1“脱流”现象的出现
轴流式风机的叶片通常是流线型的。在零冲角下，它们的阻力主要为表面摩擦阻力，而绕翼型的气流保持其流线形状。随着冲角的增大，在叶片后缘附近产生涡流，而且气流开始从上表面分离。图2-14是叶片的正常工况和脱流工况示意图。当冲角很小时，气流分离点A接近后缘。但是随着冲角的增大，分离点从A向前移动，在升力增加的同时，尾部涡流变宽，阻力增加。当冲角增至某一临界值时，气流在叶片背部的流动遭到破坏，升力减小，阻力却急剧增加，风压迅速降低。这个现象称为“脱流”或“失速”。冲角再增大，脱流现象更为严重，甚至出现部分流道阻塞的情况。
图2-14叶片的正常工况和脱流工况
(a)正常工况；(b)冲角增大，尾部出现涡流；(c)脱流工况
当风机的转速不变，在一定流量下，气流的相对速度W与叶片进口角正好相符，如图2-15a所示，即正常工况。当流量减小，轴向进口流速C降至，而圆周速度u则不变（因转速不变），这时相对速度从W变为，使气流与叶片之间形成较大的冲角。当流量再降低，冲角达到甚至超过临界冲角（见图2-15b），此时叶片背面出现脱流现象，风机的风压迅速下跌。这就进一步说明了脱流对轴流式风机H-Q性能曲线的影响。
2.2.2.2旋转脱流的形成过程
由于轴流式风机各叶片加工时存在着误差，叶片的安装角度不可能完全一致，气流的流向也不会完全均匀；因此，在风机进入不稳定工况区运行时，不是所有叶片同时达到失速角。如图2-16所示，假定在叶道2首先由于脱流而出现气流堵塞现象，于是原来进入叶道2的气流只能分流进入叶道1和3。这两股分流来的气流又与原来进入叶道1和3的气流汇合，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道1的气流冲角减小，而流入叶道3的冲角增大。这样就使叶道1保持正常流动，而叶道3中由于冲角增大而发生脱流和阻塞，叶道3的阻塞又使其向叶道4和2分流，其结果又触发叶道4中出现脱流和阻塞；同时确减小了进入叶道2的气流冲角，使之恢复正常流动工况。由此可见，叶道中的脱流失速现象从叶道2逐个向叶道3、4……传播。
实验表明，脱流的传播速度小于叶轮角速度。因此在绝对运动中，可以观察到脱流区以的速度旋转，方向与叶轮转向相同，这种现象称之为“旋转脱流”或“旋转失速”。
2.2.2.3旋转脱流的基本特点及危害
旋转脱流的基本特点归纳起来有如下几点：
旋转脱流的绝对转向总是与叶轮转向相同。
旋转脱流的绝对转速总是小于叶轮的转速，两者大致保持比例关系。
在风压性能曲线上，从最高风压点向小流量侧转折向下，表明旋转脱流的开始；从开始点到流量等于零的整个区间，旋转脱流始终存在。
旋转脱流的产生仅与叶片的结构有关，而与外界管道、叶片的自然频率无关。对于一定转速的叶轮，开始出现旋转脱流时的流量和旋转脱流消失时的流量是固定不变的，但两者之间不一定重合。消失点的流量总是比开始点大一些，即所谓的“滞延性”。
旋转脱流的存在对于风机的运行不一定有很显著的影响。尽管脱流区内局部的气流是不稳定的，但流经风机的总流量是基本稳定的，压力和功率也基本稳定，这时风机还可以维持运行。
如果没有灵敏的仪器探测，旋转脱流不易被察觉。只有当发生全叶长型旋转脱流时，才能听到明显的节奏音响。
旋转脱流造成叶片附近的压力波动，在进气侧比出气侧利害些。
风机进入不稳定工况区运行，叶片上就有旋转脱流产生，脱流区的个数从一个到数个不等，视风机的结构和工况而异。叶片流道的阻塞造成叶片前后压力的变化，改变了叶片原先的受力关系。叶片依次经过脱流失速区，受到交变力的作用，这种交变力会使叶片产生疲劳。由于叶片本身存在固有的振动频率，所以叶片每经过一次脱流区，就使其受到一次激振力的作用。这种激振力的作用频率与旋转脱流的转速成正比，当脱流区的数目为2、3……时，则作用于每个叶片的激振力频率也作2倍、3倍……的变化。显然如果这一激振力的作用频率与叶片的固有频率成整倍数关系，或接近、等于叶片的固有频率，将使叶片发生共振。此时叶片的动应力显著增加，甚至可达几十倍以上，使叶片很快断裂。由于轴流式风机是高速旋转的机械，只要一个叶片断裂，就会将全部叶片打断。因而，轴流式风机长期在不稳定工况区运行，易使叶片疲劳断裂，造成严重破坏事故。从表2-1可以看出当激振频率接近叶片自振频率时动应力成倍增大的数据。
表2-1旋转脱流对叶片动应力的影响
旋转脱流作用于叶片的激振频率(周/秒) 动应力倍增系数 自振频率为375周/秒的叶片 自振频率为120周/秒的叶片 0
（稳定工况区，无旋转脱流） 1
（基数） 1
（基数） 80 2 10 100 4 45
综上所述，轴流式风机在不稳定工况区运行是不允许的；为此运行人员在操作调整中必须加以注意。
2.3轴流式风机的结构
CLZ型轴流式风机适用于舱室通风及换气之用，它既可向舱室送风，也可以由舱室抽风，被输送的空气温度一般不超过50℃。CLZ轴流式风机的性能参数列于表2-2中。
表2-2CLZ轴流式风机的性能参数
型号 风量
(米/时) 全风压
(Pa) 效率
(%) 转速
(转/分) 轴功率
(千瓦) 电动机功率
(千瓦) CLZ1-Z/J 1600 20 73 2900 0.142 0.20/0.25 CLZ2-Z/J 1600 40 75 2900 0.219 0.40/0.55 CLZ3-Z/J 2500 25 74 2900 0.292 0.40/0.55 CLZ4-Z/J 2500 50 78 2900 0.512 0.80/0.80 CLZ5-Z/J 4000 35 64 2900 0.63 0.80/0.80 CLZ6-Z/J 4000 70 78 2900 1.12 1.5/1.5 CLZ7-Z/J 6000 70 78 2900 1.53 2.2/3 CLZ8-Z/J 9000 70 83 2900 2.6 3/3 CLZ9-Z/J 12000 50 77 1450 2.1 5.5/5.5 CLZ10-Z/J 12000 100 72 1450 3.8 4/4 CLZ11-Z/J 16000 50 72 1450 2.7 7.5/7.5 CLZ12-Z/J 16000 100 80 1450 5.4 7.5/7.5 CLZ13-Z/J 25000 50 80 1450 5.2 7.5/7.5 CLZ14-Z/J 25000 100 80 1450 10.2 13/13
图3所示为CLZ轴流式风机，它由电动机5和直接安装在电动机轴上的叶轮2和筒形机壳6组成。电动机为防水或全封闭式，并以适当的流线型罩包装起来，安装在机壳内部，用螺栓与机壳拉紧。
机壳由进口部分1，叶轮部分3和出口部分4组成。在进口部分和叶轮部分之间设有支架。用来安装电机的机座是钢板焊接结构，其间有垫片，并用螺栓相连。机壳的进口端和出口端均有凸缘，以便和通风管路相连。
图2-17CLZ型轴流式风机结构
1机壳进口；2叶轮；3叶轮部分机壳；4出口部分机壳；5电动机；6筒形机壳
习题
1轴流式风机哪些型式，请简述之。
2轴流式风机的升力是如何产生的？
3旋转脱流的基本特点和危害是什么？
附录风机的符号、单位及其注脚一览表
一、风机的符号、单位一览表
符号 名称 现用单位 SI－单位 换算 C 流体的绝对速度 米/秒 米/秒 P 压力 公斤力/米2 帕(Pa) U 叶轮的圆周速度 米/秒 米/秒 W 流体的相对速度 米/秒 米/秒 α 绝对速度与圆周速度之间的夹角 度 弧度 β 相对速度与圆周速度反方向之间的夹角 度 弧度 βa 叶片的安装角 度 弧度 ηP 静压效率 ηk 水力效率 ηm 机械效率 ρ 流体密度 公斤力秒2/米4 千克/米3 二、注脚一览表
注脚符号 内容 0 叶轮入口前参数 1 叶轮入口处参数 2 叶轮出口处参数 T 理论值 ∞ 无限多或无穷远的液流参数
368
图2-13轴流式风机的不稳定工况区
图2－1
图2-1轴流式风机简图
图2-11轴流式风机的特性曲线
图2-4孤立翼型
图2-5理想流体作用于孤立翼型上的力
图2-8平面叶栅翼型的重叠速度图
图2-10实际流体绕流时作用于叶栅翼型上的作用与反作用力
图2-15不同运行工况下的速度三角形
(a)正常工况；(b)脱流工况
图2-16动叶中旋转脱流的形成
|
|
