离心风机核心部件设计与型线解析：叶轮子午截面与圆柱叶片绘制

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离心风机核心部件设计与型线解析：叶轮子午截面与圆柱叶片绘制
作者：王军（139-7298-9387）
关键词：离心风机、叶轮设计、子午截面、圆柱叶片、型线绘制、主要尺寸确定
引言
离心风机作为一种将机械能转换为气体动能与压力能的通用流体机械，广泛应用于通风、空调、除尘、冷却、工业流程等诸多领域。其性能的优劣直接关系到整个系统的效率、能耗与噪音水平。在离心风机的诸多部件中，叶轮是名副其实的“心脏”，其设计的合理性对风机的全压、流量、效率及工作稳定性起着决定性作用。
叶轮设计是一个复杂的系统工程，涉及空气动力学、材料力学、机械制造等多学科知识。其中，叶轮主要结构尺寸的确定、子午面（ meridional plane ）形状的构建以及叶片型线的绘制是三大核心设计内容。本文将聚焦于此，对离心风机（特别是后向叶轮）的基础设计流程进行解析说明，旨在为风机技术从业者提供一套清晰、实用的理论基础与设计思路。
一、叶轮主要结构尺寸的确定
在开始绘制具体的型线之前，我们必须首先确定叶轮的几个关键尺寸。这些尺寸通常根据风机的设计流量、全压、工作转速等设计参数初步计算得出。
1.1 叶轮进口直径 (D₁)
叶轮进口直径的大小直接影响风机的进口流速和效率。进口直径过小会导致进口流速过高，增加流动损失和噪音；过大则会导致风机结构笨重，成本增加。
其初步确定主要考虑进口当量直径，公式为：
进口当量直径 D₀ = (4Q / (π * ν₁)) ^ (1/2)
其中，Q 为设计流量（立方米/秒），ν₁ 为叶轮进口处的气流速度（米/秒）。对于后向风机，ν₁ 一般取值为 20~30 m/s。
对于有轮毂的叶轮（如双进风或单进风有轴盘），叶轮进口直径 D₁ 需根据 D₀ 和轮毂直径 dₕ 共同确定：
D₁ = (D₀² + dₕ²) ^ (1/2)
对于无轮毂的单进风叶轮，可以认为 D₁ ≈ D₀。
1.2 叶轮外径 (D₂)
叶轮外径是决定风机全压的关键参数。根据欧拉方程，风机产生的理论全压与叶轮外缘的圆周速度 u₂ 的平方成正比。
u₂ = π * D₂ * n / 60
其中，n 为叶轮转速（转/分钟）。
理论全压 P_{th∞} 可表示为：
P_{th∞} = ρ * u₂² * (1 - φ₂ * cotβ₂ₐ)
其中，ρ 为气体密度，φ₂ 为出口径向速度与圆周速度的比值（称为流量系数），β₂ₐ 为叶片出口安装角。
为了获得较高的压力，通常需要较大的 u₂，即较大的 D₂ 或 n。但 u₂ 受限于材料强度、噪音等因素，有一个上限值。通常通过“压力系数 ψ”来估算 u₂ 和 D₂：
ψ = 2P / (ρ * u₂²)
其中，P 为设计全压（Pa）。对于后向叶片，ψ 的经验值通常在 0.4~1.0 之间。初步确定 ψ 后，即可反算出 u₂，进而求得 D₂。
1.3 叶片进口直径 (D₁₋b) 与进口安装角 (β₁ₐ)
叶片进口直径 D₁₋b 通常略大于叶轮进口直径 D₁，以确保气流能平顺地进入叶片流道。其值可通过速度三角形优化确定，目标是使气流相对速度 w₁ 的方向与叶片进口安装角 β₁ₐ 一致，实现“无冲击进口”。
根据进口速度三角形，有：
tanβ₁ = ν₁₋r / u₁₋b
其中，ν₁₋r 为叶片进口处的径向分速度，u₁₋b 为叶片进口处的圆周速度 (u₁₋b = π * D₁₋b * n / 60)。
因此，为实现无冲击进口，叶片进口安装角应设置为：
β₁ₐ ≈ β₁ = arctan(ν₁₋r / u₁₋b)
1.4 叶片出口宽度 (b₂) 与进口宽度 (b₁)
叶片出口宽度 b₂ 主要保证有足够的通流面积以满足流量要求。
b₂ = Q / (π * D₂ * ν₂₋r * τ₂)
其中，ν₂₋r 为叶轮出口处气流的径向分速度，τ₂ 为叶片出口的排挤系数（考虑叶片厚度对流通面积的遮挡），通常初取 0.9~0.95。
类似地，叶片进口宽度 b₁ 也可由流量公式求得：
b₁ = Q / (π * D₁₋b * ν₁₋r * τ₁)
其中，τ₁ 为叶片进口排挤系数。
二、叶轮子午截面的绘制
子午截面是指通过叶轮轴线的平面（轴面）。子午面形状决定了流道的轴向和径向边界，是气流流动的“骨架”，其设计目标是为气流提供一个平顺、通畅、损失小的流动路径。
2.1 绘制步骤
确定基准线：画出风机的主轴中心线。
绘制内外边界：
进口段：根据已确定的 D₁ 和 dₕ（若有），画出进口环状区域。
流道中线：初步拟定一条光滑的曲线作为流道的中线，其形状变化应尽可能平缓，曲率半径不宜过小，以避免气流分离。
叶片进口边：通常布置在一条与轴线成一定角度的直线上或一条光滑的曲线上，其位置对应 D₁₋b。
叶片出口边：即叶轮的出口端，对应 D₂ 和 b₂，通常与轴线平行。
构建型线：
以流道中线为基准，向内外两侧偏移 half of b₁ (进口处) 和 half of b₂ (出口处)，并用光滑的曲线连接进口和出口的内、外端点，形成封闭的子午面流道形状。
内、外型线也必须是光顺的，特别是要避免出现明显的拐点或曲率突变。
2.2 设计原则
流道收敛性：后向叶轮的子午流道通常设计成渐缩形（出口宽度 b₂ 小于或等于进口宽度 b₁），这有助于在扩压流动中加速气流，抑制边界层分离，提高流动效率。
曲率连续光滑：所有型线应具有连续变化的曲率，过渡平滑。这可以减少涡流和二次流损失。
进口预旋考虑：若设计中有进口导叶或存在预旋，子午面形状需与之配合。
完成子午面绘制后，需校验流道的扩散角等参数，确保其在一定合理范围内。
三、圆柱叶片型线的绘制
在子午面形状确定后，我们需要在展开面上设计叶片型线，即叶片的角度变化规律 β = f(l)，其中 l 为沿流道中线的展开长度。对于低转速、低压力系数的风机，常采用单圆弧、双圆弧或直板等简单型线。而高性能风机则采用更符合气动要求的扭曲叶片（三元叶片），但其基础仍是二元圆柱叶片。
3.1 绘制方法（包络法）
圆柱叶片假设叶片型线可展平到平面上进行设计。最常用的方法是“包络法”，其核心思想是用一系列直径逐渐变化的圆柱面去切割叶轮，并将这些交线（即型线）展开到平面上。
分割流道：在子午面流道上，沿流道中线从进口到出口均匀分割为若干段（如5-10段），得到多个分割点（1, 2, 3, ..., n）。
计算各分点参数：对于每个分点 i，计算其直径 D_i、圆周速度 u_i = π * D_i * n / 60、以及该点所在的假想圆柱面的展开长度 L_i = π * D_i。
确定安装角变化规律：这是设计的核心。通常给定进口安装角 β₁ₐ 和出口安装角 β₂ₐ。中间各点的安装角 β_i 按一条光滑的变化曲线确定，常见的有：
直线变化规律： β_i 从 β₁ₐ 到 β₂ₐ 线性递增或递减。设计简单，但气动性能非最优。
抛物线变化规律等：采用某种函数曲线，使角度变化更平缓，更符合气动要求。
绘制展开图：
在平面上画一条水平基准线，代表叶轮出口边（L = π * D₂）。
将各分点对应的展开长度 L_i 作为横坐标。
在每个分点 i 的横坐标位置上，根据其安装角 β_i 作角度线。公式为：该点型线的切线与圆周方向（即水平方向）的夹角即为 β_i。
用一条光滑的曲线去包络这一系列角度线，这条曲线就是所求的叶片型线。实际操作中，常使用曲线板或样条曲线来拟合。
校验与调整：
检查包络出的型线是否光滑。
校验流道面积变化是否合理，避免出现局部扩散。
计算叶片绘型系数（叶片长度与平均直径的比值），检查其是否在常用范围内（通常后向叶片为1.0~2.2）。
3.2 简易方法：单圆弧绘制
对于要求不高的场合，可采用单圆弧作为叶片型线。已知进口安装角 β₁ₐ、出口安装角 β₂ₐ、叶片进口直径 D₁₋b 和出口直径 D₂。
首先计算展开面上的弦长 L 和夹角 θ。
展开面进口长度 L₁ = π * D₁₋b * sinβ₁ₐ
展开面出口长度 L₂ = π * D₂ * sinβ₂ₐ (这是一种近似)
用作图法或解析法找到一条圆弧，使其在进口和出口处的切线与水平线的夹角分别等于 β₁ₐ 和 β₂ₐ。
结语
离心风机叶轮的设计是一个反复迭代、不断优化的过程。本文阐述的叶轮主要尺寸确定、子午截面绘制以及圆柱叶片型线绘制的解析方法，是风机设计中最基础和最核心的环节。掌握了这些基础知识，就具备了进行叶轮初步设计和性能分析的能力。
需要强调的是，理论计算和初步绘型只是设计的起点。在实际工程中，还必须结合计算流体动力学（CFD）进行详细的内流场模拟，以优化流道形状和叶片型线，预测性能、效率和噪音。最后，通过样机的试验测试对设计进行最终的验证和修正，才能开发出一款高性能、高效率、高可靠性的离心风机产品。
随着新材料、新工艺（如3D打印）和先进设计方法的发展，离心风机叶轮的设计正在向更高效、更低噪、更紧凑的方向演进，但其基本的设计原理和核心的设计步骤依然是我们需要牢固掌握的基石。