对旋轴流风机毕业设计说明书.doc

摘要本文主要论述了风机的分类、应用领域及国内外的发展状况。针对局部通风机进行了结构设计。该风机由集流器、叶轮、电机、风筒、扩散器等部分组成。风机的两级叶轮分别用两个相同型号的隔爆电机驱动，可根据需要来调节风压和流量。在风机的入口和出口处采用了外包复式消声结构来降低噪声。该风机主要应用于煤矿井下掘进工作面的局部通风.它具有体积小、流量大、风压高的优点,非常适合井下巷道的长距离通风.本文主要的研究内容包括；（1）由给定设计参数进行了风机的第一、二级叶轮的参数计算。（2）应用等环量方法进行空气动力计算。（3）风机各部分的结构设计（4）流线罩与扩散器的尺寸参数计算。（5）风机噪声的控制。关键词 对旋轴流风机 轮毂比 叶轮 AbstractThis article mainly the air blower classification, the application domain and the domestic and foreign development condition. Has carried on the structural design to the partial ventilator. This air blower by the slip ring, the impeller, the electrical motor, the air duct, the fan diffuser and so on partially is composed. Two same model type motors Separately drivend two levels of impellers. The article can according to need to adjust the wind pressure and the current capacity. The air blower entrance and the export have wrapped the noise elimination material may the noise reduction . This air blower mainly applies to the mine pit face of heading Partial ventilates. It has the young volume, flux is big, the wind pressure higher merit. extremely suits the mine shaft tunnel the long distance to ventilateThis article main research content includes: (1)By assigned the design variable to carry on the air blower first, two level of impeller parameter computation. (2) With Equal circulation method carries on aerodynamic design.(3) Calculates slip ring and the the fan diffuser size parameter(4) air blower noise control.Key words counter-rotating axial fan hub ratio impeller 目录摘要IAbstractII第1章 绪论31.1选题意义31.2风机的原理及发展历史31.3风机的分类41.2.1按气流运动的风机分类41.3.2按应用领域的风机分类41.4设计理论基础分析5第2章 风机主要结构设计72.1风机主要结构参数的确定72.1.1确定电机的转速72.1.2叶轮直径与叶顶圆周速度的确定82.1.3流量系数及全压系数102.1.4电机的选择102.1.5叶轮的结构设计112.2第一级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算152.2.1第一级叶轮叶片环的气流参数计算152.2.2第一级叶轮叶片环的空气动力计算172.3叶片几何尺寸的确定192.3.1翼型的确定202.3.2叶片数目的选择计算222.3.3各截面的叶片尺寸参数232.3.4各截面上的叶片安装角242.4第一级叶轮叶片的绘制242.4.1叶片几何参数的计算252.5第二级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算272.5.1第二级叶轮叶片环的气流参数计算272.5.2第二级叶轮叶片环的空气动力计算292.6第二级叶轮叶片几何尺寸的确定312.6.1第二级叶轮翼型的确定312.6.2第二级叶轮叶片数目的选择计算332.6.3第二级叶轮各截面的叶片尺寸参数342.6.4第二级叶轮各截面上的叶片安装角342.7第二级叶轮叶片的绘制352.7.1第二级叶轮叶片几何参数的计算35第3章 集流器与流线罩的结构设计383.1集流器的选择383.1.1集流器型线的选择383.1.2集流器尺寸的确定383.2流线罩的选择393.2.1流线罩型式的选择393.2.2流线罩尺寸的确定393.3集流器与流线罩的结构39第4章 扩散器414.1扩散器的型式414.2扩散器尺寸的确定42第5章 噪声的控制435.1环境噪声污染的危害435.2噪声治理的基本原理435.2.1吸声435.2.2隔声445.2.3消声445.2.4消声结构设计44结论45致谢46参考文献47附录148附录251第一章 绪论1.1选题意义因为煤矿井下巷道的分布关系，流经主巷的新鲜风流不容易达到掘进工作面，很难保证掘进工作面的空气质量。故大多数煤矿在该处都采用局部通风。局部通风主要有两种方式；一、压入式通风，即将新鲜空气吹进来，把浑浊的空气排出；二、抽出式通风，即将浑浊空气抽出利用气压差将新鲜空气引入。然而在煤矿掘进工作面采用抽出式通风会导致该处气压降低在吸入新鲜空气的同时瓦斯也随着大量涌出，因此大多数煤矿的局部通风都采用压入式通风。因此需要一种能满足需求的风机。1.2风机的原理及发展历史风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。风机已有悠久的历史。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风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100300帕，效率仅为1525，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风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了发展。 1.3风机的分类1.2.1按气流运动的风机分类 1离心风机气流进入旋转的叶片通道，在离心力作用下气体被压缩并沿着半径方向流动。 2轴流风机气流轴向进入风机叶轮后，在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动的风机。相对于离心风机，轴流风机具有流量大、体积小、压头低的特点，用于有灰尘和腐蚀性气体场合时需注意。 3斜流式（混流式）风机在风机的叶轮中，气流的方向处于轴流式之间，近似沿锥流动，故可称为斜流式（混流式）风机。这种风机的压力系数比轴流式风机高，而流量系数比离心式风机高。1.3.2按应用领域的风机分类风机广泛地应用于各个工业部门，一般讲，离心式风机适用于小流量、高压力的场所，而轴流式风机则常用于大流量、低压力的情况，应根据不同的情况选有不同的风机分类。 1锅炉用风机 锅炉用风机根据锅炉的规格可选用离心式或轴流式。又按它的作用分为锅炉风机向锅炉内输送空气；锅炉引风机把锅炉内的烟气抽走。 2通风换气用风机 这类风机一般是供工厂及各种建筑物通风换气及采暖通风用，要求压力不高，但噪声要求要低，可采用离心式或轴流式风机。 3工业炉（化铁炉、锻工炉、冶金炉等）用风机 此种风机要求压力较高，一般为，即高压离心风机的范围。因压力高、叶轮圆周速度大，故设计时叶轮要有足够的强度。 4矿井用风机 矿用风机有两种：（又称主扇），用来向井下输送新鲜空气，其流量较大，采用轴流式较合适，也有用离心式的；另一种是局部风机（又称局扇），其流量、压力均小，多采用防爆轴流式风机。 5煤粉风机 输送热电站锅炉燃烧系统的煤粉，多采用离心式风机。煤粉风机根据用途不同可分两种：一种是储仓式煤粉风机，它是将储仓内的煤粉由其侧面吹到炉膛内，煤粉不直接通过风机，要求风机的排气压力高；另一种是直吹式煤粉风机，它直接把煤粉送给炉膛。由于煤粉对叶轮及体壳磨损严重，故应采用耐磨材料。1.4设计理论基础分析我设计的题目是隔爆对旋轴流风机.在两级的轴流风机中,对旋轴流风机是一个很好技术方案。对旋式局部通风机被广泛地应用在煤矿掘进面的通风中。对旋轴流风机的最大特点就是没有导叶.它有前后两级叶轮,分别由两个电机分别驱动,两叶轮的直径相同但转向相反,两级叶轮互为导叶.这样就大大缩短了整个风机的轴向尺寸,使结构更加的简单、紧凑.它的反风性能也非常好.在对旋轴流风机工作时,只要改变转动方向就可以很有效的达到反风的要求.经前人研究对旋轴流风机的平均反风量可达70%以上.不用另行设计其反风结构,在设计制造和安装应用方面都很简便.其附带的隔爆性能更使其能在如矿井等含有高瓦斯、粉尘等条件下工作.所以我设计的风机主要应用于矿井掘进工作面的局部通风.考虑到目前大多数煤矿的掘进工作面都采用压入式通风.因此,本设计的方向是体积小、风压大、噪声低、重量轻、便于搬运、隔爆性能好等.其结构简图如下: 1.流线罩 2.集流器3.一级电机 4.一级风筒 5.一级叶轮 6.二级叶轮 7.二级风筒 8.扩散器 9.风筒接头 10.支撑板 11.脚架 12.消声器 13.二级电机图11 隔爆对旋轴流风机结构图目前,轴流风机的设计方法主要有两种:一种是利用孤立翼型进行空气动力实验所得到的数据进行设计的孤立翼型法:另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风实验所得到的数据进行设计的平面叶栅设计方法.经过计算本设计采用的孤立翼型设计方法.经过验证该设计方法比较合适.在满足设计参数的情况下,对风机的叶片环的空气动力计算中,采用了等环量的设计方法.该方法适用于压力较高、轮毂比较大的轴流风机叶片环设计.进而选择了性能较好的LS翼型风机叶片,用两型号相同的隔爆电机分别驱动.前后两级叶轮在要求风压较大时,可同时工作满足需要.对风压要求较低时,可开启第一级叶轮.这样既能满足多种工况需要,还可以节约电能,对于今天能源短缺的世界形势很有意义.在对旋轴流风机的空气动力设计中,第级叶轮可以按照叶轮加后导流器级型的单级轴流风机,在给定的设计参数条件下,设计第级叶轮,即进行第级叶轮叶片的气动计算和几何尺寸计算;然后再按照前导流器加叶轮级型的单级轴流风机进行第级叶轮的气动计算和几何尺寸计算.对于本设计的降低噪声的问题,我采用了目前国内外比较流行的对旋轴流风机外包复式消声结构.经前人研究,对旋轴流风机产生的噪声大部分来自于风机的进风口和出风口,因此在设计时在风机的第、级风筒和扩散器外层包复了消声材料以达到降低噪音的目的.第二章 风机主要结构设计2.1风机主要结构参数的确定2.1.1确定电机的转速根据设计题目可以确定风机的级型为对旋两级风机.采用直接驱动的传动方式.为合理的分配两叶轮的压力负载选取两叶轮的风压比为1:1.1 1 预选电机转速预选三种电机转速分别为960r/min 1450r/min 2940r/min 2确定风机的比转数由文献10中公式: (2-1)可求得比转数分别为: ;式中: _ 比转数; - 电机额定转速 r/min; _ 风机流量,单位由给定参数得: ; _ 第一级叶轮的风压由给定参数得第一级叶轮风压为: 。由公式算出的比转数可以看出,流量大而压力小的比转数大.反之流量小而压力大的比转数小.显然前者为轴流风机.一般当>100时为轴流通风机.故选取电机转数为2940 r/min .风机比转数为123.78 .2.1.2叶轮直径与叶顶圆周速度的确定叶轮直径可用文献3中式(2-2)计算: (2-2) 式中: 叶轮直径,单位 m; 关系系数,按文献3根据图1-2 ,取为1.7; 通风机的单级全压,单位,由给定设计参数可知 为; 气体密度,单位,对于通风机进口标准状态气体密度。 电机转速,单位图2-1 比转数与系数的关系曲线根据6通风机标准化和系列化的要求将D圆整到标准直径,取直径D=0.71m进一步由公式(2-3)可计算出叶轮叶顶圆周速度: (2-3)2.1.3流量系数及全压系数 1计算流量系数由流量系数表达式(2-4)得: (2-4) 2计算全压系数由全压系数表达式(1-5)得: (2-5) 2.1.4电机的选择 1确定电机功率由5电机功率计算公式(2-6)得: (2-6) 式中: 电动机功率储备系数对于轴流风机一般取K=1.051.10;5 通风机的单级全压,单位,由给定设计参数可知 为2750; _ 风机流量,单位由给定参数得: 风机全压效率,取为5 故选取电动机的功率为. 2电动机的选取两级叶轮的风压比为.所以前后两级叶轮均采用同一型号的电机.本设计主要针对井下掘进面的局部压入式通风.考虑到井下设备的隔爆问题故电机应选取具有隔爆性能的隔爆电机.经以上计算可知:电机转速为电机功率为.参考隔爆电机系列选取:隔爆型三相异步电动机 额定转速为,功率2.1.5叶轮的结构设计 1确定叶轮结构叶轮是风机的主要工作机构，它由电机驱动旋转，将电机输出的机械能转换为空气的动能。叶轮由叶片和轮毂两部分焊接而成。本设计采用电机直接驱动方式，叶轮通过轮毂用平键和电机轴连接在一起。叶轮结构型式如下图：图2-2 叶轮的基本型式 2轮毂比的选择轮毂比是轴流通风机叶轮设计中的重要参数之一。它对通风机的压力、流量、效率、压力特性曲线形状及工作区域大小等都有影响。在确定轮毂比时，不仅要考虑其对风机性能的影响，而且还要从风机结构方面考虑。常用的选择轮毂比的方法有两种,一种按经验总结出表2-1来选取合适的轮毂比.另一种是根据前人实验研究的综合统计数据来选取合适的轮毂比.当风机比转数时可选取按表2-1当全压系数时 表2-1 不同全压系数时推荐采用的轮毂比综合两者考虑,参考风机轮毂比对于风机的压力、流量、效率等影响关系可知当通风机风压较高、流量较小时应选取较大的轮毂比,故本设计选取轮毂比 3计算轮毂直径当轮毂比确定时,轮毂直径可按公式(2-7)得: (2-7) 4验证轮毂比 当按等环量方法进行轴流风机叶片环气动计算时,叶片根部的气流分离与否,应验算是否所取轮毂比>8(1)风机的轴向速度由式(1-8)得: (2-8)式中: 风机轴向速度,单位; 风机轮毂比; _ 风机流量,单位由给定参数得: ; 叶轮直径,单位;已知。进而可得到通风机的无因次轴向速度为: (2-9)风机的理论全压系数为: (2-10)式中: 风机的理论全压系数; 风机的全压系数,已计算得; 全压效率,经查表得.在轴流风机的气动计算中最佳设计参数.则风机第级叶轮的计算函数为: (2-11)则叶轮的最小轮毂比由式(2-12)得: (2-12)由于所决定的轮毂比=0.7>0.486,所以在叶轮的叶片根部不会产生气流分离.所选轮毂比可用.2.2第一级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算2.2.1第一级叶轮叶片环的气流参数计算 1确定叶片截面及截面半径通常把整个叶片沿径向方向按等圆环面积原则分成57个计算截面,以便分别计算各截面的有关参数,从而得到各计算截面的叶片宽度及叶片安装角.本次设计将整个叶片按等圆环面积原则分成5个计算截面.4各计算截面的半径可按式(2-13)计算得: (2-13)则各计算截面的半径为:; ; ; ;式中: 第i个计算半径; 从轮毂截面算起的计算截面符号, ; 计算截面数,取; 叶轮直径,已求得; 叶轮轮毂比,取为.在所取的截面中,需要包括平均半径所在截面,因为通常所说的叶片安装角指的就是平均半径所在截面的数值. 2各截面的相对半径各计算截面的相对半径可按式(2-14)计算: (2-14); ; ; ; 式中: 各计算截面半径已求得; 叶轮半径,由式(2-2)可知: . 3各截面上气流的圆周速度 (2-15)式中: 各计算截面半径已求得; 电机转速,选取为。 4各截面上气流的扭速气流的扭速即为叶轮人口前后的气流旋绕速度之差.气流在进入第级叶轮时入口旋绕速度=0.则各截面上气流的扭速可按文献4中式(2-16)计算得: (2-16); ; ; ; 式中: 通风机的单级全压,单位,由给定设计参数可知 为; 气体密度,单位,对于通风机进口标准状态气体密度。 各截面上气流的的圆周速度,由式(2-15)求得; 风机全压效率,在按等环量设计时为常数，取为0.86.2.2.2第一级叶轮叶片环的空气动力计算 1轴向绝对速度在按等环设计时,沿叶高轴向的绝对速度为常数可由式(2-17)计算得: (2-17) 2各截面的平均相对速度 (2-18)由上式可分别求得各计算截面的平均相对速度为:;式中: 轴向绝对速度,已求得. 各截面上气流圆周速度,已求得. 各截面上气流的扭速. 各截面上气流的预旋速度,按等环量设计第叶轮时. 3各截面的平均相对速度气流角 (2-19)代入数值可分别求得各计算截面的平均相对速度气流角:; 4空气动力负荷系数 (2-20)各计算截面的空气动力负荷系数可由上式分别计算得:;由以上计算所得各计算截面的空气动力负荷系数均未超过1.0,所以按孤立翼型法设计是合适的.2.3叶片几何尺寸的确定叶片几何尺寸计算的目的在于确定各计算截面所采用翼型的叶片宽度及叶片安装角.整个叶片的几何尺寸,可以通过计算得到的各计算截面的叶片宽度及叶片安装角光滑过渡得到.2.3.1翼型的确定为了使本设计能更好地达到设计要求,考虑到本设计通风机所消耗的功率较大,为了保证通风机的效率和制造方便等条件,故本设计选用了轴流风机中常用的平底机翼型叶片.综合以上考虑我选择了LS翼型.该翼型的原始翼型为英国LS螺旋桨翼型,修改后多用于轴流通风机中。15该翼型的断面坐标值列于下表(2-2):表2-2 LS翼型断面坐标距前缘点距离5102030405060708090上表面坐标59.278.696.1100.099.196.187.374.757.236.91.翼型相对厚度的选择对于同一翼型,在一定范围内增加其翼型相对厚度会使翼型扩压区域的压力坡度边大,当翼型很厚时,压力坡度可以大到使叶片扩压区域中的跗面层发生分离,这不仅影响到通风机的压力增加,而且会使通风机的效率降低.在顾及压力,又照顾效率的情况下,目前国内外轴流通风机中一般采用翼型相对厚度为0.050.12中等厚度的翼型.翼型相对厚度可选为沿叶片高度为常数或按某种规律变化的.当按等环量方法设计叶片时,叶片根部的空气动力负荷系数最大,可选用较大的相对翼型厚度,而叶片顶端则采用较小的相对翼型厚度,使其沿着叶片高度变化,这样可以减少叶片根部的叶片宽度和叶片安装角,制造也比较方便.另一方面,为了增加叶片根部的强度,翼型相对厚度也要选的大一些.综合以上考虑,本设计相对翼型厚度在根部和顶端分别选取为0.1和0.08,中间各截面的相对翼型厚度可通过插值计算得到.8各计算截面的相对翼型厚度分别为:; 2.升力系数的选择 在轴流风机的气动计算中,为使通风机获得高的全压效率,就必须在最小升阻比的邻近区域范围内选择翼型的升力系数.在按等环量方法设计叶片时,从叶片顶端到叶片根部,空气动力负荷系数是逐渐增加的.根据升阻比最小的原则选取根部和顶端的升力系数分别为1.025和0.87。8 3叶片顶端和根部的叶栅稠度可由文献8中下式求得: (2-21); 4叶片的总宽度叶片根部的顶端的叶片总宽度可由式(2-22)计算得到,而中间各计算截面的叶片总宽度可按直线规律变化通过插值计算得到. (2-22)m;m; 5各截面的叶栅稠度由各计算截面叶片总宽度可按下式计算各截面的叶栅稠度: (2-23); 6各截面的升力系数可由式(2-21)计算求得:; ; ;2.3.2叶片数目的选择计算叶轮叶片数目可用下式计算: (2-24);式中: 平均半径处的叶栅稠度,已求得 轮毂比,由计算已经确定为0.7 平均半径处的展弦比, 的数值可在下述范围内选取:当时, 根据国内轴流通风机设计的经验和实验数据,对于采用孤立翼型法设计的轴流通风机的最佳叶轮叶片数目可采用10表2-3推荐的数值。表2-3 叶片数目与轮毂比之间的关系0.30.40.50.60.726486128161020根据表2-3当轮毂比为0.7时.考虑到在叶栅稠度不变的情况下,叶片数目的增加将会导致通风机的压力和效率降低,故选取第级叶轮叶片数目: .2.3.3各计算截面的叶片尺寸参数 1各截面的叶片宽度各计算截面的叶片宽度由下式计算得: (2-25); ; ; ; 2各截面的叶片厚度各计算截面的叶片厚度可由10查手册中下式计算得到: (2-26); ; ;2.3.4各截面上的叶片安装角各截面的叶片安装角由下式计算: (2-27);式中: 各截面上的叶片冲角,可由LS翼型的性能曲线上查得:, , 平均相对速度气流角,已求得.2.4第一级叶轮叶片的绘制根据所选择的翼型坐标,计算所得到的各计算截面的翼型几何尺寸,翼型中心位置等,最后结合各计算截面上叶片宽度和叶片安装角即可绘制出各计算截面的叶片翼型图.2.4.1叶片几何参数的计算 1弦长在叶栅额线及叶栅轴向的投影各计算截面的弦长b在叶栅额线及叶栅轴向的投影列于下表:表2-4弦长在叶栅额线及叶栅轴向的投影b的投影单位第截面第截面第截面第截面第截面88.2769.6560.1453.3147.2699.9894.0292.1490.6587.29 2各计算截面翼型的重心坐标各计算截面的翼型的重心坐标可由文献10中式(2-28)和式(2-29)计算求得: (2-28) （2-29)各计算截面翼型的重心坐标值列下表:表2-5各计算截面的重心坐标第截面第截面第截面第截面第截面59.3552.0748.9646.844.175.64.64.13.73.3 3重心距翼形前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向上的投影重心距翼形前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向上的投影列于下表:表2-6重心距翼形前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向上的投影第截面第截面第截面第截面第截面39.2830.9926.7623.7221.0344.4941.8441.0040.3438.8448.9938.6633.3829.5926.2355.4952.1851.1450.3148.45 4各截面的翼型尺寸根据表2-2LS翼型的断面坐标可计算出各计算截面的翼型尺寸列于下表:表2-7各计算截面的翼型尺寸截面坐标单位翼型尺寸x6.6713.3426.6740.0153.3566.6980.0293.36106.7120.03y7.910.512.813.3413.212.811.610.07.64.9x5.8511.7023.4035.1046.8058.5070.2181.9193.61105.31y6.58.610.610.9910.910.69.68.26.34.1x5.5011.022.033.044.0155.0166.0277.0288.0299.03y5.77.69.39.689.69.38.57.25.53.6x5.2610.5221.0331.5542.0752.5863.1073.6284.2494.65y5.26.98.58.838.78.57.76.65.13.3x4.969.9319.8529.7839.749.6359.5649.4879.4189.33y4.76.27.67.947.87.66.95.94.52.92.5第二级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算2.5.1第二级叶轮叶片环的气流参数计算 1确定叶片计算截面及截面半径本次设计将第二级叶轮的整个叶片按等圆环面积原则分成5个计算截面.各计算截面的半径可按式(2-13)计算得: (2-13)则各计算截面的半径为:; ; =0.306m; ; 式中: 第个计算半径; 从轮毂截面算起的计算截面符号,; 计算截面数,去; 叶轮直径,已求得; 叶轮轮毂比,取为.在所取的截面中,需要包括平均半径所在截面,因为通常所说的叶片安装角指的就是平均半径所在截面的数值. 2各截面的相对半径各计算截面的相对半径可按式(2-14)计算: (2-14); ; ; ; 式中: 各计算截面半径已求得; 叶轮半径,由式(2-2)可知: 3各截面上气流的圆周速度由式(2-15)计算得 (2-15)式中: r 各计算截面半径已求得; n 电机转速,选取为 4各截面上气流的扭速第二