如何分类回转式风机的工作原理

风机和压缩机按工作原理不同可分为三类：

（1）容积式 容积式包括活塞式（见图1-1）和回转式，后者又可分为滑片式（见图1-2）、罗茨式（见图1-3）和螺杆式（见图1-4）等。

（2）叶片式 叶片式又称透平式，包括离心式（见图1-5）、混流式（见图1-6）、轴流式（见图1-7）和横流式（见图1-8）。

图1-1 活塞式风机工作过程的示功图

a）活塞式风机的工作原理 b）单缸活塞式风机

（3）喷射式如图1-9所示。

活塞式风机（又称为往复式风机）通常由两部分组成：一部分是直接和气体进行能量交换的工作端，另一部分是和其他机械进行动力传递的传动端。工作端主要包括缸体、活塞（或柱塞）、吸入阀和排出阀。

现以工作过程的示功图（见图1-1a）来说明活塞式风机的工作原理。示功图的横轴为缸体的容积，纵轴为缸体内气体的压强。当用作气体输送机械时，缸体内的压强沿ABCD线按逆时针方向变化。在活塞向右方移动的瞬间，缸体内的压强降到A点，这时吸入阀开启，排出阀关闭，随着活塞向右移动，低压气体被吸入缸体，这期间缸体内的气体压强保持不变，吸入过程至活塞移动到缸体容积最大的下死点B为止，随后排出过程开始。在活塞向左移动的瞬间，缸体内的压强从B点上升到C点，吸入阀关闭，排出阀开启，活塞继续向左移动并排出高压气体，至活塞到达缸体容积最小的上死点D为止。活塞往复一次完成一个工作循环。图1-1b所示为单缸活塞式风机的示意图。

在回转式风机中，转子和壳体之间（或两个转子之间）形成封闭气体的工作腔，当转子转动时，工作腔的容积发生变化，以达到和气体交换能量的目的。回转式机械的工作原理和往复式机械相同，但回转式风机不再设置吸入阀和排出阀，而代之以和叶片式风机相似的吸入口和排出口。

回转式风机圆筒状的转子上开有沟槽，槽内装有可以自由滑动的叶片，称作滑片，转子中心偏离壳体中心。如图1-2所示，当转子转动时，滑片在离心力的作用下向外滑出紧压在壳体内壁上，同时滑片和壳体围成的工作腔容积沿周向变化。调节转子的偏心量可以改变流量。用于气体时，为了提高滑片和壳体之间的密封效果并加强润滑，有时可以采取喷油的措施。喷油对压缩机可以起到冷却气体、减少能耗的作用。

图1-3a所示为一台双叶回转式风机的示意图。两个转子由一对同步齿轮驱动作反向旋转，在转动过程中，转子表面和壳体内壁围成的工作腔容积周期性地变化。转子之间保持很小的间隙，以免互相接触，因而不需要润滑，寿命长。由于间隙对泄漏效率有影响，所以该种机械不宜用于高压流体，多用来输送气体，罗茨式风机的一种。转子型线有由外摆线和内摆线组合而成的组合摆线、基圆半径等于转子节圆半径的的渐开线以及包络线等。此外，还有图1-3b所示的单叶回转式、图1-3c所示的三叶回转式以及更多叶的回转式等。

图1-2 滑片式风机

图1-3 罗茨式

a）双叶回转式 b）单叶回转式 c）三叶回转式

图1-4所示为三螺杆式风机，是由瑞典IMO公司发明的。该风机的转子由一根主动螺杆和两根从动螺杆组成。从理论上讲，采用摆线和次摆线的组合型线作为齿形的双线螺纹，主、从动螺杆间的啮合线能将螺旋槽严密地切断，从而形成完全封闭的工作腔。为了保持运行平稳，在设计从动螺杆的齿形时，还应使作用在螺旋表面上的气体压强对从动螺杆形成一很小的力矩，用以克服摩擦，保证从动螺杆自行转动，避免和主动螺杆之间有动力传递。三螺杆式机械的摩擦损失小，使用转速高。

图1-4 三螺杆式风机

在叶片式风机中，离心式风机和压缩机是应用最广泛的一种。在图1-5所示的离心式风机中，气体在几乎与转动轴线垂直的流面上流过叶轮。由于这种形式的风机主要是利用转动离心力来产生压强升，而一般说来，该部分压强升总是远大于相对速度改变产生的压强升，故适用于高压升的情况。不过，该种风机的使用流量相对较小，因为如果叶片的轴向宽度过大，将会导致效率下降。因此，离心式风机通常用于高压强升和小流量的情况。(www.xing528.com)

图1-5 离心式风机

a）离心式风机轴面图 b）离心式风机剖面图

目前，混流式风机的应用也日益广泛。图1-6所示为混流式风机的剖面图，它主要由叶轮、扩压器和蜗壳等部分组成。混流式风机的叶轮轮毂和主体风筒的形状为圆锥形。一般，气体沿轴向进入叶轮，而气体在叶轮中的流动方向与轴线成某一角度，气体的流动具有强烈的三维特征。混流式风机兼有离心式和轴流式风机的特点，其压力系数高于轴流式风机，而流量系数比离心式风机高。

如图1-7所示，轴流式通风机由轮毂1、叶片2、轴3、外壳4、集流器5、整流罩6、导叶7、扩散器8等部分组成。根据所需要的压强和动叶轮数目不同，轴流式通风机又分为单级（见图1-7a）和多级（见图1-7b）两种。多级轴流式通风机上还有后级叶轮和后导叶。在轴流式通风机中，流体质点基本上沿着以转动轴线为中心的圆柱面或圆锥面流动。在同一流面上，叶轮进口和出口处的圆周速度基本相同，其压强升主要由扩压产生，因此，轴流式通风机的压强升比离心式低。由于轴流式通风机叶片根部的圆周速度较小，不可能产生很大的压强升，这也限制了其单级压强升的提高，因为尽管叶片端部可以产生较高的压强升，但如果叶片端部和根部之间的压强升差别过大，在根部会发生回流而影响性能。另外，当流量变化时，叶片端部和根部的过流情况也随之改变，因而轴流式通风机的最高效率也比离心式低。但是，由于轴流式通风机叶轮的进口断面面积较相同外径的离心式叶轮大，所以过流能力较大。由此可知，轴流式通风机一般用在低压强升、大流量的场合。

图1-6 混流式

风机的剖面图

图1-7 轴流式通风机

a）单级轴流式通风机 b）多级轴流式通风机

1—轮毂 2—叶片 3—轴 4—外壳 5—集流器 6—整流罩 7—导叶 8—扩散器

图1-8 横流式风机的工作原理示意图

图1-8所示为横流式风机的工作原理示意图，过流部分由叶轮、蜗壳和隔舌组成，叶片采用不扭曲的二元前弯叶片。当不带壳体的叶轮在流体中开始转动时，由于离心力的作用，叶轮内的气体被向外排出，在叶轮中心部分形成低压区。低压达到一定程度后，叶轮外的气体在叶轮的部分区域开始回流，并形成横穿叶轮的流动，即流体从叶轮的一部分区域流入而从另一部分区域流出，同时在流入流出区域的相间处产生中心不在叶轮旋转中心的偏心旋涡。偏心旋涡的中心位置沿着圆周向叶轮旋转的方向缓慢地移动，从而导致气体的流入、流出方向也不断地改变。当在叶轮外配置不对称的蜗壳以后，旋涡中心的位置被固定在隔舌附近，流动方向也稳定下来，这样就构成了可供使用的横流式气体输送机械。若使流体从相反的方向流入，带动叶轮转动以输出动力，这就成为了横流式流体动力机械。

喷射式风机主要由喷嘴、吸入室、混合室和扩散管等部分组成，如图1-9所示。高压流体（工作流体）通过喷嘴加速喷出时，由于湍流黏性应力的作用，将喷嘴附近的气体带走，使那里形成负压区，吸入室内的气体被吸入，在混合室内与射流混合并进行能量交换，能量趋于一致的混合流体进入扩散管后将大部分动能转换为压强能。由于是通过两种速度不同的流体混合来传递能量，故射流风机的损失较大，最高效率为30%～40%。不过，因为此种风机结构简单，工作可靠，使用方便，所以被广泛用于高温、高压等特殊工作条件下。

图1-9 喷射式风机

本书主要介绍叶片式风机中离心式和轴流式通风机和压缩机的原理及气动设计，在此基础上读者不难了解其他类型风机和压缩机的原理和气动设计。