离心风机基础与对旋式轴流鼓风机深度解析

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离心风机基础与对旋式轴流鼓风机深度解析
作者：王军（139-7298-9387）
本篇关键词：离心风机、对旋式轴流风机、工作原理、气动性能、应用选型
引言
在工业通风、建筑空调、物料输送等诸多领域，风机作为提供气体动力的核心设备，扮演着不可或缺的角色。风机家族种类繁多，其中离心风机和轴流风机是两大主流。作为一名风机技术从业者，深刻理解各类风机的基础原理与特性是进行设计、选型、应用及故障诊断的基石。本文将从离心风机的基础知识入手，并重点解析一种特殊且高效的风机形式——对旋式轴流鼓风机，旨在为同行和感兴趣的读者提供一个深入浅出的技术参考。
第一部分：离心风机基础知识
离心风机，顾名思义，其工作原理依赖于离心力的作用。它的气体流动方向与风机主轴呈垂直（即径向），这是其与轴流风机的根本区别。
一、基本结构
一台典型的离心风机主要由以下几个部分构成：
1. 进风口：保证气流能均匀地进入叶轮，减少流动损失。
2. 叶轮：风机的“心脏”，由前盘、后盘和夹在其中的一系列叶片组成。叶片的形状（后向、前向、径向）决定了风机的主要性能特性。
3. 机壳：又称蜗壳，其形状通常为阿基米德螺旋线形。它的作用是收集从叶轮中甩出的气体，并将气体的部分动压转换为静压，然后导向出口。
4. 主轴：将电机的扭矩传递给叶轮，使其高速旋转。
5. 驱动装置：通常包括电机和传动机构（如皮带、联轴器等）。
二、工作原理
当电机驱动叶轮高速旋转时，叶轮叶片通道间的气体在叶片的推动下随之旋转，从而获得高速和压力。同时，气体在离心力的作用下，被甩向叶轮的外缘，从叶轮中高速流出并进入蜗壳。在蜗壳内，气体的流通截面逐渐增大，其流速逐渐降低，根据伯努利原理，气体的动能（动压）便转化为压力能（静压），最后形成具有一定压力的气流从出风口排出。与此同时，叶轮中心部位由于气体被甩出而形成低压区，外界气体在大气压作用下被源源不断地压入进风口，从而形成了连续的气体流动。
三、核心性能参数与定律
1. 风量（Q）：单位时间内风机输送的气体体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。
2. 风压（P）：风机产生的全压，即出口截面与进口截面的全压之差。全压（P_total）等于静压（P_static）与动压（P_dynamic）之和。单位为帕斯卡（Pa）。
动压计算公式：动压 = （空气密度 × 气流速度的平方） / 2
3. 功率（N）：
有效功率（N_e）：单位时间内气体从风机获得的实际能量。计算公式为：有效功率 = 风量 × 全压
轴功率（N_shaft）：单位时间内由电机输入给风机轴的能量。有效功率总是小于轴功率。
4. 效率（η）：衡量风机将输入功率转化为有效功率能力的指标，是风机的经济性指标。
全压效率计算公式：全压效率 = （有效功率 / 轴功率） × 100%
5. 转速（n）：叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。
四、相似定律与性能调节
离心风机的性能参数之间存在特定的关系，当风机转速、尺寸或介质密度改变时，其性能会按以下相似定律变化：
风量与转速的一次方成正比：Q₁ / Q₂ = (n₁ / n₂)
风压与转速的二次方成正比：P₁ / P₂ = (n₁ / n₂)²
轴功率与转速的三次方成正比：N₁ / N₂ = (n₁ / n₂)³
这些定律是风机变频调速节能的理论基础，也是性能换算和模型试验的依据。
五、叶片型式与性能曲线
离心风机叶片的弯曲方向极大地影响其性能：
后向叶片：效率高，功率曲线随流量增加而平坦或下降，无过载风险，适用于大流量、高风压场合。
前向叶片：在相同尺寸和转速下能产生更高的风压，但效率较低，功率曲线随流量增加而急剧上升，易电机过载，常用于空调设备等低压大风量场合。
径向叶片：特性介于两者之间，耐磨性好，常用于输送含尘气体。
性能曲线（风压-风量曲线、功率-风量曲线、效率-风量曲线）是选择和评估风机在工作点上运行状况的重要工具。

第二部分：对旋式轴流鼓风机深度解析
在对离心风机有基本了解后，我们将焦点转向一种特殊的轴流风机——对旋式轴流鼓风机。它虽然名称带有“轴流”，但其独特的两级对旋结构使其在原理和性能上别具一格。
一、何为对旋式轴流鼓风机？
对旋式轴流鼓风机，也称为对旋式通风机或二级式轴流风机。其最显著的特征是在同一机壳内，安装了两级串联的叶轮（转子），并且这两级叶轮由两个独立的电机驱动，以相反的方向旋转。第一级叶轮和第二级叶轮之间没有传统的导叶装置。
二、基本结构与工作机理
1. 结构组成：
一级叶轮：通常为扭曲的机翼型叶片。
二级叶轮：同样为机翼型叶片，但与一级叶轮旋转方向相反。
一级电机和二级电机：分别驱动一级和二级叶轮，通常安装在风筒中心的电机支架上。
外壳：圆筒形风道。
进风口和扩散器：扩散器用于将出口气体的动压进一步转化为静压。
2. 工作机理：
气体轴向流入一级叶轮，获得能量后，速度和压力增加。
随后，气流直接进入反向旋转的二级叶轮。由于两级叶轮反向旋转，从一级叶轮流出的气体其旋绕速度方向与二级叶轮的旋转方向相反，这相当于为二级叶轮提供了“预旋”进气条件。
二级叶轮利用这个预旋，不仅继续对气体做功，提高其压力，更重要的是极大地校正了气流的出口方向，使其尽可能地变为轴向流出。这替代了传统单级轴流风机中必须设置的静止导叶功能。
三、技术特点与优势
对旋式设计带来了诸多传统单级轴流风机或“风机+导叶”式两级轴流风机所不具备的优势：
1. 高效率：省去了易产生损失的导叶装置，且两级叶轮的能量输入可以灵活分配，使两级叶轮均能在高效区工作，整机效率显著提高，尤其在高效区范围更宽。
2. 高风压：两级叶轮串联做功，使其在单机情况下就能产生比单级轴流风机高得多的风压，在某些工况下甚至可以媲美离心风机。
3. 良好的气动性能曲线：其风压-风量曲线较陡峭，即风量变化时，风压变化较大。这对于管网阻力波动较大的系统（如矿井通风）非常有利，风量稳定性好。
4. 灵活的调节性能：可以通过单独调节一级或二级电机的转速（变频控制）来极大地改变风机的性能曲线，实现风量和风压的宽范围、高效率调节。这比单纯调节单台风机转速具有更大的灵活性和更优的节能效果。
5. 结构紧凑：由于没有导叶，在达到相同性能指标时，其结构长度可能短于带导叶的两级轴流风机。
6. 反转反风：通过使两级叶轮同时反转，可以轻易地实现气流方向的改变（反风），且反风量很大（可达正风量的60%以上），这一特性在矿井救灾通风中至关重要。
四、与离心风机的对比
特性离心风机对旋式轴流鼓风机
气流方向径向吸入，径向排出轴向吸入，轴向排出
结构蜗壳式，体积相对大圆筒式，结构紧凑
压力特性中高压，风压曲线较平坦中高压，风压曲线较陡峭
效率高效区较窄高效区较宽
调节方式进口导叶、调速、节流双电机独立调速，调节范围广且高效
安装需要占地面空间，基础复杂通常吊挂或落地安装，占地小，基础简单
适用场景锅炉引送风、空调系统、物料输送隧道、矿井、地铁通风、建筑通风
五、设计与选型要点
1. 叶轮设计：两级叶轮的叶片数和转速匹配是关键。需要通过气动计算，确保两级叶轮载荷分配合理，并避免气动共振。
2. 电机选型：两级电机功率的配比并非简单的1：1，需根据具体的气动设计确定。通常一级电机功率略大于二级。
3. 噪声控制：对旋风机由于转子与对方产生的势流场相互作用，其噪声特性较为复杂，高频成分可能较多。需要在设计中采用低噪声叶片设计、加装消声器等措施。
4. 选型依据：与离心风机一样，需以实际管网系统的阻力特性和所需风量为依据，在性能曲线图上找到最佳工作点，要求工作点落在风机的高效区内。
六、应用领域
对旋式轴流鼓风机凭借其高压力、高效率、灵活调节和紧凑结构的优势，已广泛应用于：
矿井主通风和局部通风：是其最经典和主要的应用领域。
长隧道通风：如公路隧道、铁路隧道、地铁隧道的活塞风和事故通风。
大型建筑通风：如地下车库、体育馆、写字楼的送排风系统。
工业流程通风：需要高压力的工艺性通风场合。
结论
离心风机和对旋式轴流鼓风机各有其技术特点和优势应用领域。离心风机结构坚固，技术成熟，适用面广；而对旋式轴流鼓风机则代表了通风技术向高效、紧凑、智能化调节方向发展的重要成果。
作为风机技术人员，掌握离心风机的基础理论是根本，而了解像对旋式轴流风机这样的特殊形式，则能拓宽我们的技术视野，在面对复杂的应用工况时，能够做出更精准、更经济、更高效的技术选型和方案设计。未来，随着计算流体动力学（CFD）、新材料和智能控制技术的进一步发展，对旋式轴流风机等高效风机的性能还将不断提升，应用领域也将持续扩展。