轴流式通风机设计

摘要 研究设计一个好的风机对节能有很重大的意义。合理的设计、选择和使用通风机，关系到矿井的安全生产和煤矿职工的身体健康，对矿井的主要技术经济指标也有一定影响。本设计查阅有关轴流式通风机设计的技术资料，严格执行相应的国家或国际，参照现有的在实际应用的轴流风机设计加工的图纸，对相应的尺寸、技术要求等取经验值。采用了目前国内外对于中、高压轴流式通风机设计中广泛应用的叶栅设计法进行叶片叶型的设计。引入了计算机辅助设计，专门编制了相应的计算机应用程序，来自动进行验算，最后直接得到计算结果。采用扭曲机翼型叶片，气动效率高，节能效果极为显著；叶片安装角度可调，可根据矿井生产的变化，随时调节风机状况。 关键词：轴流式通风机；动叶可调；计算机辅助设计；平面叶栅设计法 ABSTRACT The research and design a good fan of the energy has a tremendous significa-nce. Reasonable design, selection and use of a fan, put a great impact on the mine's safety and physical health of miners,as well as on the mine's main technical and economic indicators. The design of axial fl-ow fan design access to technical information, strict implementation of re-levant national or international standards, reference to the practical applic-ation of the existing axial fan design and processing of the drawings, the size of the corresponding technical requi-rements from experience the va-lue . For use at home and abroad in the design of high-pressure axial fa-n blade design widely used method BLADE design.The introduction of c-omputer-aided design, specifically the preparation of the c-orresponding c-omputer applications to automatic checking, the final results dir-ectly. Usi-ng twisted aerofoil blades, aerodynamic efficiency, energy conservation is the most effective; blade angle can be adjusted, according to changes in mine production, adjust fan status at any time. Keywords: Axial fan; Blade adjustable; computer-aided design; Cascade Design 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 1 绪论 1 1.1 通风机综述 1 1.1.1 通风机的分类 1 1.1.2 通风机的主要参数 2 1.1.3 通风机发展 2 1.2 轴流式通风机 5 1.2.1 轴流通风机原理 5 1.2.2 轴流通风机基本结构 6 1.3 毕业设计综述 7 1.3.1 设计任务 7 1.3.2 主要问题及解决方法 8 1.3.3 设计成果及风机优点 9 2 选择 11 2.1主要结构方案比较 11 2.2 方案的确定 13 3 设计计算 15 3.1 设计计算过程 15 3.1.1 主要结构参数的设计计算 15 3.1.2 叶型参数的设计计算 18 3.2 应用程序设计 22 3.2.1 程序介绍 23 3.2.2 程序主函数 23 3.2.3 程序运行截图 23 4 强度校核 26 4.1 动叶片结构设计 27 4.2 支杆强度校核 27 4.2.1 由离心力引起的应力 27 4.2.2 由气流载荷力引起的应力 32 4.2.3 强度校核 34 4.3 叶轮结构设计 34 4.4 轮盘强度校核 35 4.4.1 支杆及螺母等质量及离心力的计算 35 4.4.2 轮盘强度的校核 36 4.5 应用程序设计 38 4.5.1 程序介绍 38 4.5.2 主程序 38 4.5.3 程序运行截图 38 4.6校核结论 39 5 其他零部件设计 41 5.1 集流器 41 5.2 整流体和扩散筒 42 参考文献 44 致谢 45 附录一 46 外文翻译 46 附录二 56 部分程序代码及运算结果 56 1 绪论 在煤矿井下开采时，不但煤层中所含的有毒有害气体（如等CH4、CO、H2、SCO2等）会大量涌出，而且伴随着采煤过程还会产生大量易燃易爆的煤尘；同时，由于地热和机电设备散发的热量，石井下的空气温度和湿度也随之升高。这些有毒的气体、过高的温度以及容易引起爆炸的煤尘和瓦斯，不但严重影响井下工作人员的身体健康，而且对矿井安全也产生了很大的威胁。因此，通风在煤矿生产作业中具有不可忽视的作用。 矿井通风的主要动力是通风机。通风机是用于输送气体的机械，从能量的观点来看，它是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。可以说它是矿井的“肺脏”。其日夜不停地运转，加之其功率大，因此其能耗很大。据统计，全国部属煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%。风机用电约占全国发电量的10%；另据1988年原冶金部的规划资料，我国金属矿山的风机用电量占采矿用电的30%；钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20% ；煤炭工业的风机用电量占全国煤炭工业用电的17%。除此之外，输送气体的各种风机在冶炼厂的输送空气，工厂车间、居民住房、影剧院、宾馆以等的通风和降温方面也有广泛的应用。由此可见，风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。因此研究设计一个好的风机对节能有很重大的意义。所以合理的设计、选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和煤矿职工的身体健康，而且对矿井的主要技术经济指标也有一定影响，并且对加快四化建设也有十分重要的意义。 1.1 通风机综述 1.1.1 通风机的分类 通风机根据其气体流动方向不同，可以分为离心式、轴流式和混流式等类型。 离心通风机工作时，动力机(主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内，故又称径流通风机。 轴流式通风机工作时，动力机驱动叶轮在圆筒形机壳内旋转，气体从集流器进入，通过叶轮获得能量，提高压力和速度，然后沿轴向排出。轴流通风机的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，小型的叶轮直径只有100毫米左右，大型的可达20米以上。 混流通风机又称斜流通风机，在这类通风机中，气体以与轴线成某一角度的方向进入叶轮，在叶道中获得能量，并沿倾斜方向流出。通风机的叶轮和机壳的形状为圆锥形。这种通风机兼有离心式和轴流式的特点，流量范围和效率均介于两者之间。 1.1.2 通风机的主要参数 通风机的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是通风机的主要技术指标。流量也称风量，以单位时间内流经通风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在通风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指通风机的输入功率，即轴功率。通风机有效功率与轴功率之比称为效率。通风机全压效率可达90％。 1.1.3 通风机发展 通风机已有悠久的历史，在国内外的得到了较快的发展，并取得了还多优秀的成果。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心通风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40％左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心通风机，结构已比较完善了。1892年法国研制成横流通风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100～300帕，效率仅为15～25％，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。 1935年，德国首先采用轴流等压通风机为锅炉通风和引风；1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机；旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得了发展。 在当代经济发展过程中，由于风机属于在发电、化工等行业应用范围较广的通用机械，对国民经济具有重大影响，发达国家以及包括我国在内的发展中国家对风机产品的制造都很重视。世界上比较大的风机制造国主要有日本、德国、意大利、瑞士、美国等。比较大的风机制造商主要有日本的日立制作所、荏原制作所、三菱重工业株式会社、川屿重工业株式会社等；英国主要有詹姆斯•豪登公司；德国有德马格德拉瓦透平机械公司和KKK公司；瑞士主要有苏尔寿公司等。 风机方面，我国国情不同于工业发达国家，中小型风机是劳动力密集型产品，附加值较低，先进的工业国家不会再在技术和工艺方面大量投资，但仍在提高产品质量、降低成本、便于维护、环保四个方面注重对产品的改进。国外先进发达国家主要对技术含量高的离心、轴流压缩机等大型风机较为关注。一些著名厂商，如瑞士苏尔寿公司不但生产风机，还生产汽轮机、锅炉、大型柴油机等用于大型项目的设备。对于风机产品，国外公司在质量上注重于提高机械效率及延长使用寿命，向节约资源和节省能量方向发展；在成本上则加强新材料的研制，降低物耗，并注重整个系统总成本的降低；在维护上从部件的通用化、维护换件简易化向自动化、无需维修、节省人力方向发展；在环保方面，注重于谋求安全可靠、向低噪声、低振动等防公害技术方向发展。 近几年我国风机生产企业通过加大科研投入，加强科研攻关和技术改造，采用新技术、新工艺、新材料努力开发适销对路产品，同时采用引进技术、与国外合作等方式发展高新技术产品，使我国风机行业企业在产品的标准化、系列化、通用化、大型化、高效、节能、低噪声等方面有了长足进步，出现了一大批处于国际先进水平的产品，缩短了与发达国家的差距。但就行业整体而言，一些历史长、包袱重的国有企业受资金、体制等因素困挠，技术水平较低。 当前世界先进工业国家大型风机产品开发的主要特点是： 1)​ 以节能、节约资源为核心，提高单件效率和耐久性，进而提高整个系统的效率； 2)​ 加强系统的自动化、事故警报系统的研制，节省维护、监控方面的人力； 3)​ 为提高竞争能力，力求包括附属部件在内的产品标准化和组合化； 4)​ .进一步加强了对低噪声、低振动技术的研究； 5)​ 不断针对新的需要，开发新的产品； 6)​ 在工艺上引进柔性制造系统，最大限度地提高产品生产的自动化程度。 风机产品大多根据用户需要有不同特性要求，多属小批量生产，特别是一些大型风机产品甚至是单件小批生产，对工艺要求复杂。目前国内生产自动化程度很低，而国外通过研制和采用柔性制造系统，提高了生产的自动化程度。以美国为例，中小风机的生产已全部通过自动线完成，从工艺角度提高了产品质量，降低了产品成本。 通风机未来的发展将进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机；降低通风机噪声；提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。 1.2 轴流式通风机 1.2.1 轴流通风机原理 轴流式通风机原理是依靠叶轮旋转，叶片产生升力来输送流体，把机械能转化为流体能量。由于流体进入和离开叶轮都是轴向的,故称为轴流式风机。轴流风机属于高比转数，其特点是流量大，风压低。轴流式风机风压一般在450 Pa～4500 Pa 之间，主要用于矿井、隧道、船舰仓室的通风；纺织厂通风、工业作业场所的通风、降温；化工气体排送；热电厂锅炉的通风、引风；热电站、冶金、化工等冷却塔通风冷却。 1.2.2 轴流通风机基本结构 图示1是轴流通风机的典型结构简图。气体从集风器1进入。通过叶轮2使气流获得能量，然后流入导叶8，导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能，最后，气流通过扩散筒4将一部分轴向气流动能转变为静压能，然后从扩散筒流出，输入管路。叶轮和导叶组成级、轴流式通风机因压力较低，一般情况下都采用单级。 低压轴流式通风机的压力在490Pa以下，高压轴流式通风机的压力一般也在4900Pa以下，因此，相对于离心式通风机而言，轴流式通风机具有流量大、体积小，压头低的特点。 除上述的典型结构外，轴流通风机的型式和构造是多种多样的，小的轴流风机，其叶轮直径只有100多毫米，大的直径可有20多米。目前最大的轴流通风机的流量可达1500万m3/h。小型低压轴流通风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流通风机由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为2～24。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为10°～45°，安装角越大，风量和风压越大。轴流式通风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。风机布置形式有立式、卧式和倾斜式三种。轴流通风机很多是电机直联传动的，也可通过其他装置进行变速传动。为了便于安装和维护，轴流风机广泛采用滚动轴承。 由于叶轮强度和噪声等原因，轴流风机叶轮外径的圆周速度一速高时，将产生比离心风机大的噪声。 现代轴流通风机的动叶或导叶常做成可调节的，即其安装角可调。这样不仅大大扩大了运行工况范围，而且显著提高了变工况下的效率，因此，其使用范围和经济性均比离心式风机好。尤其是近年来，动叶可调机构被成功地采用，使得轴流风机在大型电站（80万千瓦以上）、大型隧道、矿井等通风、引风装置中获得日益广泛的应用。此外，轴流风机还广泛应用于厂房、建筑物的通风换气、空气调节、冷却塔通风、锅炉鼓风引风、化工、风洞风源等方面。 目前单级轴流通风机的全压效率可达90%以上，带有扩散筒的单级风机的静压效率可达到80%。一般轴流风机的压力系数较低， <0.3。而流量系数 =0.3～0.6。单级轴流风机的比转数 =18～90（即100～500）。近年来，轴流风机逐渐向高压发展，例如日本某电站用的丹麦VARIAx型动叶可调轴流送风机，其全压已达到14210Pa，因此，许多大型离心风机有被轴流风机取代的趋势。 1.3 毕业设计综述 1.3.1 设计任务 根据给定的流量及通风机的全压，设计一台轴流式通风机，该通风机的主要组成部件为：集流器（由外集流风筒和流线体形疏流罩构成）、前级叶轮、中导叶、后级叶轮、后导叶、前级主风筒、中导风筒、后级主风筒、扩散器（由外筒及流线体形芯筒构成）等。前后两级叶轮结构相同，中导叶与后导叶结构相同。 该通风机由电动机拖动，电动机位于通风机的出口侧。电动机与通风机之间用传动轴传动。本设计应完成对上述主要结构与部件的设计计算，并用AutoCAD绘制相关图纸。 设计题目给定的原始数据：流量Q=104 m3/s 全压 P =3960 Pa 1.3.2 主要问题及解决方法 就本设计而言，主要的问题或者任务是对叶片叶型、叶片整体及叶轮结构设计和通风机其他结构（集流器、中导风筒、主风筒、流线体、轮盘、扩散筒等）的整体设计，此外通风机主要结构之间的装配、安装形式也是应当予以考虑的问题。 （1）​ 叶片叶型设计 目前，轴流通风机的设计方法主要有两种，一是利用单独翼叶进行空气动力特性实验所得的数据进行设计，称为孤立叶型设计法；另一种是利用叶栅的理论和叶栅的吹风试验成果来进行设计，称为叶栅设计法。 对于轴流通风机来说，由于叶栅稠度不大，一般b/t < 1 ,可以把叶片当作一个个互不影响的孤立叶片而按孤立叶型法设计，即假定孤立叶型的升力系数与叶栅中叶型的升力系数相等。由于这种方法计算简便迅速，试验数据较完整，计算结果也较准确可水，因而国内外都广泛采用孤立叶型法设计轴流通风机，特别是对于低压轴流风机，可获得很好的结果（具体设计方法可以参见参考资料[1]）。但是不论采用何种叶型数据及计算，其基本理论都是完全一致的，只不过其表现形式略为不同而已。这两种设计方法，在整个过程中都需要根据现有的轴流式通风机的基本理论对叶片的空气动力特性进行设计，并根据设计结果，参照广泛应用的基本的原始叶型，构造出该叶片叶型主要形式结构。（具体理论参见参考资料[1]、[2]） 本设计采用了目前国内外对于中、高压轴流式通风机设计中广泛应用的叶栅设计法进行叶片叶型的设计。 在设计过程中，为了使叶片初步满足圆周速度、轮盘强度、效率等因素的要求，需要对整个计算过程进行多次迭代验算。如果采用手工计算地方法必定会浪费相当多的时间，为了解决这个问题，引入了计算机辅助设计，专门编制了相应的计算机应用程序，来自动进行验算，最后直接得到计算结果（程序采用Visual Basic语言编制）。 （2）​ 通风机主要部件设计 通风机的主要部件包括叶片整体结构、集流器、中导风筒、主风筒、流线体、轮盘、扩散筒等。对于这些部件的设计，其难点在于设计出合理的结构、尺寸以及指定各部件具体的加工方法、工艺过程和加工过程所应满足的技术要求等。 为了设计出满足要求、便于加工的结构，主要采取了以下几种方法： 1)​ 实习参观制造通风机的企业车间，实地考察整个通风机加工、装配的实际操作过程，通过与工人师傅、公司技术人员交流，了解基本技术要求，并根据其反映出的问题，在设计过程中尽量避免或者对现有的风机结构加以优化； 2)​ 查阅有关通风机设计的技术资料，严格执行相应的国家或国际标准，参照现有的在实际应用的轴流风机设计加工的图纸，对相应的尺寸、技术要求等取经验值； 3)​ 设计过程中向指导老师请教，与其他同学进行讨论，不断的发现、纠正错误，弥补不足，优化整体、局部结构和加工过程。 1.3.3 设计成果及风机优点 在严谨计算、充分校核的基础上，依据我国风机生产的现有条件、能力和技术水平，参照我国和国外优秀风机的结构性形式，最后设计出的两级轴流式通风机具有以下优点： 1)​ 采用扭曲机翼型叶片，气动效率高，节能效果极为显著； 2)​ 叶片安装角度可调，可根据矿井生产的变化，随时调节风机状况； 3)​ 采用电动机与叶轮直联的结构，整体稳定型好，安装方便，维修容易，装置局阻低，避免了传动装置损坏事故，也消除了传动装置的能量损耗，提高了风机装置效率； 4)​ 电机均安装密闭罩中，密闭罩具有一定的耐压性，可以使电机与风机流道中含瓦斯的气体隔绝，同时还起一定的散热作用， 密闭罩设有两排流线型风管道，通过主风筒与地面大气相通，使新鲜空气流入密闭罩中，同时又可使罩内空气在风机运行中保持正压状态； 5)​ 结构紧凑，防潮性能好。风机主体采用钢板、型钢组焊结构，叶片为钢板材料，中空，叶片及整机强度高，抗井下爆破冲击波的能力强，可安装在地表，也适合安装于井下，特别适于作为多级机站通风系统的机站风机； 6)​ 土建工程量很小，可节省大量投资； 7)​ 噪声较低。 2 方案选择 通风机具体结构方案选择问题涉及的因素较多，主要根据用户的要求及制造厂的生产经验，参照性能良好的已有产品，初步选定。 2.1主要结构方案比较 现在广泛应用的轴流式通风机的结构形式很多，对于本设计而言，只考虑叶轮前加前置导叶、叶轮后加后置导叶、叶轮前后均加导叶以及两级轴流式通风机这四种形式。 图2.1 轴流式通风机几种方案 1-叶轮，2-前导叶，3-后导叶 1、 叶轮前加前置导叶 如图2-1-a 所示，这种方案的通风机中，气流在前置导叶中加速并扭转方向，使进气产生旋绕。在通风机中大多数采用的是负旋绕（即c1u<0）,如图2-2-a 所示，这样出口气流的绝对速度方向为轴向，以便将气体能直接输入管道。这种级的特点是压力系数高，反应度Ω>1，一般Ω=1.25～1.50左右。这种级的效率η=0.78～0.82。其常用于要求体积尽可能小的场合。 2、 叶轮后置后导叶 如图2-1-b 所示这种方案在轴流通风机中应用最广，气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，如图2-2-b 所示，经过后导叶扩压整流后，使气体轴向流出。 其反应度Ω＜1，一般为Ω=0.75～0.90左右。这种级主要应用于压头较高的通风机，而效率也较高．可达到η=0.82～0.88，设计制造良好的甚 至可达0.9。 图2.2 两种形式通风机的速度三角形 3、叶轮前后均设置导叶 如图2-1-c 所示，此方案前导叶使气流在叶轮进口产生旋绕，后导叶使叶轮出口气流整流后排出。这种方案其实是第一、二种方案的综合，其性能也是介于两者之间。其布置往往使叶轮进出口气流的绝对速度大小相等，而旋转方向相反，故而反应度Ω=1，这种风机的效率η=0.82～0.85。 4、 两级轴流式通风机 如图2-1-d 所示该方案一般是一个叶轮和一个导叶组成一级，也可以在第一级前设置导叶。在某些情况下，为了使风压较高，而径向尺寸较小，也可以采用两个叶轮中间加一个导叶的方法，这可以看作两极轴流式通风机的改造形式。总体来说两级风机效率较高，其中每一级叶轮单独工作时产生的风压之和都低于两级叶轮同时工作时风压的一半，这样通风机的寿命较高。 本设计，在通风机方案选择过程中，主要是对以上四种形式进行考虑，根据经济性、可靠性等方面进行取舍。 图2-3表示了两种通风机级的特性对比。压力系数、流量系数及功率系数的特性对比。总体上来说，这四种方案各有特点，其适用范围也在 一定程度上有重叠。由于轴流是通风机具体结构方案的选择问题比较复杂， 在实际设计过程中，一般情况下需要根据制造厂商的现有生产技术具体情况以及通风机用户的特定的要求，参照相似条件下已有的典型产品的实际结构选择适当的结构，并在该结构的基础上予以改进。 图2.3 两种通风机特性比较 1-设置前导叶，2-设置后导叶 在进行方案选择的时候，也可以大致参考风机的比转数ns或压力系数进行。其方法大体如下： 当=0.15～0.25或ns=20.8 32.5（115～180）时，可以采用叶轮加后导叶的结构； 当>0.25或ns=14.5～20.8（80～115）时，可以采用前导叶加叶轮加后导叶的结构 。 2.2 方案的确定 通过查阅相关技术资料，参照与该设计题目所给条件相似的已经投入生产和使用的我国现有的典型轴流式风机的具体结构形式，综合以上所述结构的优点，经过思考以及与小组同学的讨论，最终决定采用电动机和叶轮直接联接的动叶可调式两级轴流式通风机。同时为了减少通风机的尺寸、降低成本，在对整体效果影响不大，并且可以满足设计要求的情况下，前级叶轮不设置导叶。除此之外，轴流式风机其他基本结构，如集流器、流线体、扩散器等都予以保留，并且按照国家相应的标准加以设计。 采用这种方案，相比于其他几种形式，具有以下几个优点： 1)​ 两级轴流式通风机的形式，可以使每一级叶轮所承受的风压低于整个风机全压的一半，改善了叶轮的工作条件，这就大大提高了整个风机的寿命，并且效率较高，对于矿用产品而言，可以显著的降低总体成本； 2)​ 采用动叶可调的形式，能够改变叶片的安装角，这就使该风机可以根据矿井的具体情况，调节通风机的运行工况，使通风机的适应范围更广； 3)​ 采用电动机与叶轮直接联接的形式，相对于其他的结构形式，可以使通风机的整体稳定型更好，安装更方便。同时降低了装置的局部阻力，能够避免了传动装置损坏事故，消除了传动装置的能量损耗，在另一个方面上提高了风机装置效率。 3 设计计算 通风机的核心部件是叶片，可以说这是体现通风机性能优劣的最为重要的结构。因此对于本设计而言，其设计计算的主体就是对叶片叶型的相关参数、对整个叶片的气动力特性进行计算、分析和优化。在设计叶型的结构形式时，采用了在当代轴流式通风机叶型设计过程中得到广泛应用，并且技术已经相对较为成熟的平面叶栅设计法。 前面概述中已经提到，在设计计算过程中，由于必须初步满足圆周速度、轮盘强度、效率等因素的要求，以提高风机的可靠性能，需要对整个计算过程进行多次迭代验算。可知手工计算必然会浪费大量时间，降低了设计效率。因此，对于该计算过程，引入了计算机辅助设计，即应用Visual Basic语言编制了相应的应用程序，实现了该部分计算的自动化，极大地降低了该部分设计的难度，这也是本设计的一个突出亮点。 该设计题目给定基本原始数据：流量 Q=104 m3/s 全压 P =3960 Pa 3.1 设计计算过程 3.1.1 主要结构参数的设计计算 该部分主要是根据第二章中选择确定的整体方案，通过选定合适的电动机型号，确定通风机实际的比转数，由此计算出满足要求的叶轮外径。通过查阅国家有关标准，查取合乎标准的叶轮外径Dt、轮毂直径Dh以及轮毂比ν。最后通过验算外圆周速度ut来确定以上计算结果的合理性。具体过程如下： 1)​ 选择电动机及转速 预取风机效率η＝0.82，传动装置效率ηm＝0.98，根据下式可以得到通风机实际轴功率 （3.1） 可以求得 所需电动机功率可以根据下式进行求解，得 N=538.1 kW （3.2） 其中k为富裕量系数，一般取k=1.05～1.15,本设计取k=1.2 计算出所需电动机功率后，由电动机产品样本，选择电动机型号并列出其主要参数：功率N和转速n。 图3.1 比转数与Ku关系 2)​ 计算比转数ns 通风机的转数ns 可以根据下式求出 （3.3） 可以求出 3)​ 确定叶轮外径Dt及轮毂比ν 根据求解出的ns值，由下图中查出计算外径所涉及的参数Ku 。由下式求解Dt （3.4） 根据国标GB3235-82选定标准的Dt和Dh，可得轮毂比ν=Dt/Dh。特别指出：对于矿用通风机主扇，其轮毂比根据经验 一般为0.25～0.7，大多为0.5～0.7。 求解得Dt=2.67m,取标准值Dt=2.5m,Dh=1.6m,ν=0.64 4)​ 计算外圆周速度 及压力系数 (3.5) 计算出 =96.9m/s 一般情况下，最好使ut≤100m/s，受材料强度限制，一般要求utmax≤130m/s，通过外圆周速度大小，可以根据强度要求初步判断此方案是否符合要求，如果不满足要求，则需要返回重新选择电动机型号，再次计算。 压力系数 可以根据下式来求解 (3.6) 可以求出 =0.18 5)​ 求轴向速度 (3.7) 可以求出 =35.9m/s 3.1.2 叶型参数的设计计算 叶型参数设计目前在轴流式风机的设计中广泛应用的有两种方案，等环量设计法和变环量设计法。轴流通风机的级有无穷多个基元级所组成，实际上气流沿叶片高度任意半径处基元级的流动情况各不相同。不过它们之间有一定的内在联系，既遵循一定的变化规律。当气流沿半径变化时，其压力也发生变化，沿径向气体压力变化应与其离心力平衡。这种变化规律即所谓的径向平衡条件。根据这种理论，经过数学推导，可以得到在轴流通风机设计中得到广泛应用的气流沿叶高各基元级的速度与压力的变化关系式如下（具体推导过程可以参见参考资料[1]）： (3.8) 其中r为基元级处半径，Cu为气体于该基元级处的绝对速度于圆周速度方向分速度。在通风机中满足上式的基元级为等环量级，按照该原则来设计叶型即为等环量设计法。而变环量设计法一般式风机全压沿叶高方向增加，这样便于充分利用叶尖部分的圆周速度。对于两种方案可以依据以下原则来判定： ​ 当轮毂比 较大，叶片较短或压头较低时，可采用等环量设计； ​ 当轮毂比 较小，叶片很长或压头很大时，由于按等环量设计的叶片通常相对扭角太大，加工比较困难，性能也很难保证。这时必须采用变环量设计。 根据上述原则，结合本设计通风机叶轮基本结构参数结果，决定采用等环量法进行叶片叶型的设计。 根据等环量设计要求，直接将叶片高度等分方向分为31个截面基元级，并且找出中间栅面，即几何平均截面。先对前级叶轮的中间基元级进行计算，以确定叶栅效率，然后将该效率作为整个叶片的效率进行设计计算。计算步骤如下： 1)​ 计算圆周速度 (3.9) 2)​ 计算扭速 (3.10) 3)​ 计算c1在圆周方向的分量c1u 由速度三角形可知，前级叶轮的 ＝0，后级叶轮的进口扭速 就等于前级叶轮的出口旋绕速度 ，也等于前级叶轮的出口扭速 。 4)​ 计算c2u 同样，由速度三角形可知，前级叶轮的 ，后级叶轮的 。 5)​ 计算气流角 (3.11) (3.12) 其中θ1 、θ2分别是叶栅进出口速度三角形中β1 、β2的余角，θm是的βm余角。由于实际气流流经叶栅时有落后角，应对θ2进行修正。如无特殊说明的话，以下引用的公式所涉及到的角度直单位均为( °)。 (3.13) 平均气流角可以根据下式来求解： (3.14) 6) 求负载系数cy*τ (3.15) 7) 确定弦长b和叶片个数 A、确定cy 值。 叶根处cy ≤1.2，叶顶处cy≤0.7，最大不超过0.75。本设计中，叶根基元级cy 取0.9，叶顶基元级cy取0.7，其余基元级按半径变化线性取值。 B、选定 值 根据国内设计轴流风机的经验和数据，一般 ＝8～16，前后两级叶片数互为质数。对于矿用轴流式通风机而言，一般规律是，叶片数少，叶片宽，支杆直径大；叶片数多，叶片窄，支杆直径小。主扇＝14～24；局扇＝6，7，8，9。前后级叶片数互为质数，一般后级叶片数略少于前级。推荐的常用叶片数，如表3.1所示： 轮毂比 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 叶片数 2～6 4～8 6～12 8～16 10～20 表3.1 推荐叶片数 本设计中通风机前级叶片数z=16, 后级叶片数z=15。 C、计算栅距t (3.16) D、求弦长b (3.17) 可知根据此种方法设计出的叶片应根部宽，顶部窄，是典型的扭曲机翼型叶片。同时此处所求得的弦长b为弯折以后的叶型弦长，不是原始叶型的中线长度。 8) 验算效率 先根据效率公式 (3.18) (3.19) (3.20) 式中： ―基元级圆周速度，单位m/s ； ； 取 ，本处中 取3°。 根据上面级个公式可以解出η/，返回预取效率处进行迭代计算直至|η/-η|<0.5 %为止。将最终求得的η/ 作为整个叶片的效率进行其它参数的计算。 9) 确定相对厚度 （＝ ） 基于强度要求考虑，为了减小叶根处的受力，提高叶根的强度，一般根部%＝10～12，顶部%＝7～10。本设计中叶跟基元级取11，叶顶处取9，其他基元级根据半径变化线性取值。 10) 叶片造型 选择的叶型一般为关于中心线的对称叶型，在实际使用中一般需要沿中线进行弯折。为了便于加工制造大多使用单圆弧形。此处给出中线最大弯度 （＝ ）， 较小，单位一般用mm。 (3.21) 11) 叶型安装角 (3.22) 有了各个栅面的安装角 ，就可以知道各个栅面之间的相对扭转角。中间截面完成后再进行其它截面的计算。 后级叶轮采用与前级叶轮相同的步骤计算，但叶片数 不同，后级叶栅的效率可以直接采用前级中间栅面的效率，而不必再重新计算。 前级叶轮所有参数计算结果见附录二。 3.2 应用程序设计 通过上面的基本设计计算步骤可以看出，其计算量还是比较大的，如果中间设计计算不满足要求的话，还要重复计算，加之验算效率中的迭代计算部分，单纯的依靠手工计算，确实十分麻烦，浪费时间，降低了设计效率。对于该部分引入了计算机辅助设计，利用Visual Basic语言编制了相应的计算机应用程序对该部分进行计算，取得了不错的结果。 3.2.1 程序介绍 Visual Basic语言是一种比较简单的高级语言，其主要的特点就是可视化，能够将比较抽象的内容具体化。本设计正是基于这种考虑，通过可视化程序设计，将复杂繁琐的计算过程，转化为用户与计算机之间的交互过程。该程序通过对话框的形式，成功的实现了这种交互。该程序运行过程中，用户只需根据计算机中对话框的提示，输入原始数据或者根据运算结果查取输入标准值，计算机会自动根据上述设计步骤运算、自动划分截面求解参数，并且将设计过程中所产生的所有相关参数的数值，以及最终运算结果,输出到d盘下一个名为canshu.doc的文件中。 3.2.2 程序主函数 本程序的主要函数有两个，一个是对于通风机中间基元级的参数，主要是通风机效率的迭代演算，另一个是对于其他基元级参数的计算。程序主干见附录二。 3.2.3 程序运行截图 本程序以对话框的形式来输入相应的参数，最后输出相应的结果。其运行于Widows XP下的的主界面截图如下所示： 1)该程序运行过程中所有的参数输入均是通过对话框的形式来完成的，如图3.3示： 2)本程序运行过程中运算结果的输出表示，运用了两种形式。一种形式如图3-5所示，将下几步中还需用到的参数结果，在屏幕上直接输出；另一种形式是，将整个程序所产生的所有运算结果，均输出到d盘下的文档；canshu.doc中，以备保存，见附录二。 4 强度校核 为了使通风机运转安全可靠，就必须对其主要的零、部件进行强度计算，这在本设计中具有十分重要的作用。该过程主要是根据第三章中已经得出的叶片的主要参数，根据相关国家标准以及相关的技术资料确定相应的结构尺寸，然后根据材料力学、理论力学、机械设计、机械原理中的理论知识，分析各部件的受力情况并求出实际应力，以此校核相应零部件的安全性极可靠度。 图4.1 动叶片整体结构 1-叶片，2-铆钉，3-支杆，4-根部挡板，5-腹面，6-顶部挡板 该部分主要包括动叶片的结构设计、支杆强度校核、叶轮结构设计、轮盘强度校核这四部分。其中支杆强度校核是最为复杂和关键的部分，也称之为动叶片强度校核。 与第三章设计计算的方法相似，为了提高设计效率，本部分也引入了计算机辅助设计，即利用Visual Basic语言编制了相应的应用程序。 所有参数校核结果请参见附录二。 4.1 动叶片结构设计 动叶片在制造时，一般是将叶片的背面和腹面用薄钢板分别压制成型，然后在对缝焊接而成。从叶片的向中空的叶片内部插入支杆。对于主扇，一般采用叶片和支杆铆接的方式联接；对于局扇（一般指叶轮直径在1000～800mm以下），一般采用叶片和支杆直接焊接的联接方式。为了提高气动性能，减小噪声，在叶片的顶部和根部焊接挡板，将叶片做成中空的全封闭的形式。叶片的材料一般选用A3钢。支杆的材料可根据其强度大小进行选择。在本设计中为了降低成本，叶片和支杆的材料均采用A3钢，即Q235钢。整个叶片的具体结构如图4.1所示。 4.2 支杆强度校核 在轴流式通风机运转的过程中，作用于叶片上的应力有叶片本身转动产生的离心力拉应力（扭曲叶片中，离心力也会造成弯曲，作用点在叶片的重心）及动叶片的气动力作用产生的弯曲应力。某栅面的气动力合力在叶片宽度方向上一般位于距叶型头部25%-40%处。这里的叶片强度校核需计算气动力对根部截面的弯矩，计算中只需假设其作用在叶片平均半径处的位置上即可，而不需知道气动力合力在宽度方向的具体位置。 动叶的危险部位是叶片根部和第一铆钉孔处。在本设计中，只对叶片根部进行强度校核，取安全系数n≥5（因叶片形状和受力情况复杂，校核时有些因素无法精确考虑在内，故取较大的安全系数值）。 4.2.1 由离心力引起的应力 为了便于分析计算，根据离心力的来源将其分成两部分：一部分是由叶片旋转引起的，另一部分是由危险截面以上的支杆引起的。 (一)、叶片离心力的分析 1、叶片质量的计算 叶片质量可分为：叶片腹面质量 ，叶片背面质量 ，根部挡板质量 和顶部挡板质量 四部分。 (1) ， 的计算 将叶片腹面和背面展开，可将其近似看作梯形，并取 ＝ ，则其质量： ，(kg) （4.1） 其中：钢的密度统一取 ；叶片和挡板钢板厚度取 ；面积 按下式计算： ，(m2) （4.2） (2) ， 的计算 依据程序计算得到的叶型数据，应用Auto CAD2004画出叶片根部和顶部截面，用Area 命令分别求出它们的面积 。对进行 ， 的计算： ； 。 (3) 计算叶片总质量 ： ，(kg) （4.3） 2. 叶片质心的计算 (1) 沿叶轮半径方向上 a) 叶片腹面和背面可按梯形进行近似计算，且认为两者的质心位置相同。如图4-2所示，由梯形形心计算公式，显然： ； ，则它沿叶轮半径方向的质心 。 b) 根部挡板的质心近似取 ；顶部挡板的质心近似取 。 c) 叶片整体沿半径的质心： （4.4） (2) 在沿弦长方向（即叶片宽度方向）上，近似认为质心处于b的50％处。 (3) 在弯高方向上，近似认为质心处于f的50％处。 3、计算叶轮角速度 ： （4.5） 4、计算叶片离心力： （4.6） 5、由叶片离心力引起的应力分析 由于叶片的质心不在支杆的轴心线上，因此，叶片的离心力便引起两部分应力：一部分为由离心力引起沿半径方向的拉应力；另一部分为由离心力对支杆危险截面中心产生的弯矩引起的弯曲正应力。这里只考虑尤其引起的拉应力。 6、拉伸应力的计算 同样，首先用Auto CAD2004画出支杆的危险截面，用Area 命分别求出面积 。显然，叶片离心力引起的拉伸应力： ，(N/m2) （4.7） (二)、危险截面以上的支杆离心力的分析 1、质量计算 由于支杆有一定的锥度，此处按棱台体积公式进行计算,棱台体积公式： （4.8） 其中： , 分别为棱台上、下平面的的面积； 为棱台的高，即支杆的长度。对于支杆近似取 ； （4.9） 取支杆插入叶片长度为叶片高度的2/3： （4.10） 叶片根部危险截面以上部分支杆的质量： （4.11） 2、计算质心 如图1-2-2所示，由数学知识可知： ， ， ， 。由数学知识易得棱台母线的方程表达式 ，则 的底面积为： （4.12） 故： （4.13） 因而， （4.14） 将 值代入上式即可得 。于是，前、后级叶轮此部分支杆在沿支杆轴线方向的质心同为： ，(m) （4.15） 3、计算离心力 ，(N) （4.16） 4、计算由此部分支杆引起的拉伸应力 ，(N/m2) (4.17) 其中： 为叶片根部支杆截面积，m2。 4.2.2 由气流载荷力引起的应力 (一)、载荷分析计算 由气流载荷力 可以分解为切向力 和轴向力 。 1、计算 取决于传动功率 （即轴功率）、叶片数 和平均半径处的圆周速度 。 ，(kW) (4.18) 其中： ， (4.19) ，(kW) (4.20) 上式中的 和 分别为风机的全压效率（已通过设计计算得出）和电机与叶轮之间的传动效率，直联传动时，可取 ＝0.98。 由于上式是对单级叶轮轴功率的计算，故 代入的是单级叶轮全压。 2、计算轴向力 取决于叶轮产生的静压差 、叶片长度 和叶片平均半径圆周上的节距 。其计算公式为： ，(N) (4.21) 其中： ，Pa。在本设计中，出于安全考虑直接代入全压 计算； ，m ，m 3、计算气流载荷力合力 (4.22) (二)、计算弯矩 为了求得气流荷载力 引起的弯矩，先要根据叶轮图确定叶片根部截面的法线与圆周切线之间的夹角 ，以及荷载力 与圆周切线之夹角 ，如图1-2-3所示。于是，在气动力载荷力 的作用下，沿叶片长度 方向上叶片根部支杆危险截面受到的弯矩为： ， (4.23) 其中： （ 即根部叶型安装角 ） (4.24) (三)、应力分析 气动载荷力对叶片根部支杆截面产生的弯矩引起的弯曲应力 为 (4.25) 式中： ——叶片根部支杆断面的弯曲断面系数（即抗弯截面模数， ，参见参考资料[3]），为了化简，可近似将支杆危险截面看作矩形来求解。 于是，叶片根部总的应力为拉伸应力 、 和弯曲应力 之和： (4.26) 4.2.3 强度校核 在本设计中有上述可知，该轴流式通风机的叶片及支杆的材料均为A3钢， 查取其屈服极限 =235 （参见参考资料[3]）。 取许用安全系数 =5，则可由下式对其可靠性克安全性进行校验： (4.27) 式中： ——屈服极限， ； ——叶片所受总应力， ； 4.3 叶轮结构设计 根据叶轮直径，在本设计中，轮毂圆环面采用厚度bg＝9mm的钢板，轮盘采用 =20mm的钢板，两者焊接，并且其材料均采用A3钢。 在设计时，因为不均匀的气流会引起叶片振动，产生噪声。为了保证后级叶栅有均匀进气流，消除前后级叶轮间的影响，从减小气流阻力提高效率的角度考虑，取动叶与导叶之间的轴向间隙 ，其中， 为前级叶片根部叶型的弦长。具体设计计算过程如下： 1、叶片轴向间距 ： ，选取 。 2、计算叶片弦长沿叶轮轴向的投影长度 (4.28) 3、前级叶片前缘点（或后级叶片后缘点）距轮毂边缘距离取 。 4、计算轮毂宽度 L= +20mm 4.4 轮盘强度校核 轮盘上产生的应力主要来源于两部分：一部分是由叶片、支杆和支杆上的固定螺母等绕叶轮轴旋转产生的离心力引起的；另一部分是由轮盘自身绕轴旋转而引起的。每个叶片用两个螺母中间夹一个锁紧垫片固定在轮毂上，垫片带有一个内齿起防松作用，支杆对应部位有齿槽。 为了简化求解过程，本设计中认为轮毂旋转产生的离心力全部由轮毂自身的张力来平衡，在校核轮盘强度时，轮毂的质量不再计入，即不考虑轮毂圆环表面对轮盘的影响，认为叶片的离心力全部由轮盘来承担，安全系数为n≥2。轮毂强度不再单独验算。具体计算过程如下： 4.4.1 支杆及螺母等质量及离心力的计算 1、确定叶片根部截面以下的支杆长度 根据初选的支杆直径 ：选择2个紧固螺母，查取螺母厚度L1、L2；选择止推垫片（厚度大约0.5mm），查取厚度L3。 支杆在叶片根部截面以下的长度： ≥L1+ L2+L3＋b， (4.29) bg为轮毂厚度。据此初步选取 。 2、计算由该部分支杆引起的离心力 质量近似取： (4.30) 沿叶轮半径方向的质心： ， (4.31) 知支杆引起的离心力为： (4.32) 4、估算两个紧固螺母质量 螺母质量近似取： (4.33) 对于厚螺母，查得： ， ， ，代入上式得： 。 对于薄螺母，查得： ， ， ，代入上式得： 。 5、计算两紧固螺母的离心力 ，此处可忽略垫片的质量。 　　 　　　(4.34) 4.4.2 轮盘强度的校核 1、由轮盘自身旋转产生的应力的计算 实验证明，当轮盘旋转时，由于轮盘自身离心力的作用，在轮盘的半径方向上会产生拉应力。并且，最大拉应力产生在轮盘的内径上。此拉应力大小为： (4..35) 式中： ——分别为轮盘内、外径。偏安全考虑，内径可直接取用电机轴外径计算，轴外有轴套（材料A3钢，与轴盘通过焊接固定在一起），轴套上有键槽。 2、由叶片，支杆，螺母等引起的附加应力的计算 设轮盘自身的离心力为 ，该级叶轮所有叶片、支杆、螺母等总的离心力为 ，则附加应力公式为： (4.36) 式中： ，N； 为轮盘厚度(m)；取 ＝7.8×103kg/m3； 分别为轮盘内外径，m； 为轮盘角速度，1/s。 ，N； (4.37) 表示一个叶片上的支杆、螺母等的离心力(N)； 为叶片个数； 分配系数，在此，取 =1。由此，可计算出 ， 和 。 3、最大拉应力 (4.38) 4、对轮盘进行校核 安全系数： (4.39) 此处 ，则可以确定轮盘强度满足要求 4.5 应用程序设计 4.5.1 程序介绍 本部分程序与第三章的程序是一个整体，即在叶片叶型参数计算完毕以后，根据结果利用Auto CAD2004绘制出轴流式通风机叶片的叶根、叶顶、平均几何中间截面叶型的形状，并且绘制出支杆在叶根处危险截面的形状，然后利用CAD计算出各截面面积，便可以利用本程序进行上述的校核。其最终结果将储存于d盘下jiaohe.doc文档中。 4.5.2 主程序 本处的主程序是根据上述计算过程来编写的，主要程序见附录二。 4.5.3 程序运行截图 1、根据第三章所计算出的叶片叶型参数，绘制出图4-5中所需要截面叶型图，并求解出相应的面积值，输入即可进行动叶强度校核。如果不满足强度要求，会提示返回重新选择材料，重复验算。 2、按照前面所述的轮盘校核步骤，选择合适的参数输入图4-6和图4-7所示的程序界面。 图中所涉及到的要求输入的参数，在该界面之前都有提示，便于用户理解和查阅。程序运行中所产生的所有的相关参数，都在保存在最终所生成的文档，见附录二。将参数输入界面中，即可以对轮盘强度进行校核。 4.6校核结论 最终求得： 动叶片强度校核实际安全系数 n=7.6 〉[n]=5； 轮盘强度校核实际安全系数 n=3.6 > [n]=2; 由此可知上述设计中，叶片核轮盘军满足强度要求，可以使用。其他具体结果，均于附录二中给出。 5 其他零部件设计 本部分重点是对轴流式通风机的其他基本结构，包括集流器、整流器和整流罩（即流线体）、扩散筒，进行参数和尺寸设计。所有结果请参见附录二 5.1 集流器 集流器的作用是湿气流在其中得到加速，在压力损失很小的情况下，保证进气速度场均匀。集流器对通风机性能影响很大，与无集流器的风机相比，设计良好的集流器可使风机的效率提高10%～15%。集流器的形状一般为弧形，如图5-1示。其尺寸取为： 圆弧半径 R≥0.25Dt； （5.1） 集流器外径 dmax=(1.2～1.4)Dt； （5.2） 集流器长度 =（0.2～0.4Dt； (5.3) 5.2 整流体和扩散筒 为了使进气条件更为完善，降低风机的噪声，在叶轮或进口导叶前必须装置于集流器相适应的整流罩，以构成通风机的进出口气流通道，如图5-1示。试验表明，设计良好的整流罩可以使风机的流量提高10%左右。整流罩的形状可以设计成半球形、椭球形或与整流体制造成流线体的形式。在本设计中，整流罩采用的是以轮毂直径为直径的半球体。 轴流通风机在设置后导叶以后，其出口的动压仍然很大，约占全压的30%以上。因此必须在级的后面安装扩散筒，以进一步提高风机的静压效率。 本设计中，整流体和扩散筒均采用锥形筒的形式，便于制造而且效果较好。整流体前端径取轮毂直径，整个锥体锥角取5 °。 扩散筒基本尺寸可以根据以下方法求解： 扩散筒的长度L可以按经验选择： L=(1.5～2.2)D (5.4) 其中，D-扩散筒进口直径。 由于后导叶出来的气流，其扭速很小，故通常认为气流是沿轴向流入扩散筒。为了保证气流在扩散筒中流动时流动损失较小，扩散筒的扩压度不能太大。若将轴流式通风机扩散筒的环形通道换算成当量圆锥，如图5-2示，以符号θ表示当量扩张角，则 (5.5) 式中， 、 -当量圆锥进出口直径；一般 ≤8～12°。 参考文献 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