364第二章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2－1图2-1轴流式风机简图365图2-2轴流式机械的主要型式型式只有一个叶轮，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：1）在相同的圆周速度和叶型下，它产生的压头较高；2）效率比较稳定，当流量改变时，其效率改变不大；3）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366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r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t（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r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：367（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。3682.1.2.1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表示。此外，翼型头上还有一个曲率半径，尾上有一个尖角v。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90（图2-5）。因此孤立翼型上的升力由下式确定：图2-4孤立翼型369（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）：――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图2-5理想流体作用于孤立翼型上的力370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。1）平面叶栅的几何参数及翼型的重叠速度图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：371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，一般可分为决定于流体绝对速度量之差（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： （2-8）2）叶栅内围绕翼型的速度环量 图2-8 平面叶栅翼型的重叠速度图 372 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 cd沿着轴线方向的距离为 t;控制 ad 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 ds ws dsws dsws dsws dacd bc ab da cd bc ab cos(2-9a)
