（流体机械及工程专业论文）基于catia软件轴流风机设计初步研究.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 摘要 本文以三维工程设计软件c a t i a 为平台， 利用其强大的三维造型功能， 二、三维模型相关功能，通过计算机的智能化处理，实现轴流通风机的快捷 、方便设计。本文首先简要叙述了轴流通风机与相似设计的基本理论、特性 曲线 ( 或特性参数)、通风机空气动力学略图和c a d 系统的关键技术。通过 对轴流通风机性能特征 ( 压力、流量转数等)、几何特性以及相关约束关 系的分析，根据模型实验或使用实践得出的性能良 好的轴流通风机的空气动 力学略图和无因次特性参数 或特性曲线)库，应用相似理论进行风机的类 型判定与选型，快速、准确地选出满足用户要求，性能良 好的通风机;然后 在c a t i a 平台上，利用参数化方法、面向对象技术、尺寸驱动功能进行风机 零部件三维设计; 在v b 环境利用数据库技术、模块化的软件设计技术开发风 机设计程序，风机设计人机交互界面等，最后通过本系统可以直接输出所设 计风机的二维工程图纸，实现了从三维向二维的转化。 本文采用判定选型模块、设计模块、辅助功能模块来实现风机的计算 机参数化设计，使风机设计逐步实现自 动化，可大幅度的提高了风机的设计 效率，缩短轴流风机产品的开发周期，降低风机开发成本，增强企业的市场 竞争力。 关键词: 轴流风机 相似设计c a t i a数据库叶片 西北丁业大学硕士学位论文 ab s t ract i t c a n b e r e a l i z e d q u i c k l y , e x p e d i e n t l y a n d a c c u r a t e l y t h a t t h e d e s i g n s y s t e m o f a x i a l f a n s i n t h e e n v i r o n m e n t o f c a t i a ( c o m p u t e r a i d e d t h r e e d i m e n s i o n a l i n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n ) , a t th e s a m e t i m e i t c a n m a k e u s e o f t h r e e - d i m e n s i o n a l e n g i n e e r i n g s c u l p t i n g a n d c o r r e l a t i v i t y b e t w e e n t h e t w o - d i m e n s i o n a l m o d e l s a n d t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l s . i n t h e t h e s i s t h e a u t h o r f i r s t l y e x p o u n d s t h e a x i a l f a n s d e s i g n o f t h e b a s i c t h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c c u r v e ( c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ) . o u t l i n e o f a e r o d y n a m i c s a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f c a d s y s t e m . j u d g i n g a n d c l a s s i f y i n g f a n s b y a n a l o g i c a l t h e o r y . i t d e s i g n s f a n q u i c k l y b y a n a l y z i n g t h e f a n p r o d u c t c h a r a c t e r ( p r e s s u r e c u r r e n t r e v o l u t i o n a n d s o o n ) t h e g e o m e t r i c a l a n d t h e g e o m e t r i c a l r e s t r i c t i o n , a t t h e s a m e t i m e i t c a n g e t o u t l i n e o f a e r o d y n a m i c s a n d n o n - u n i t c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s ( c h a r a c t e r i s t i c c u r v e ) d a t a b a s e b y p r a c t i c i n g t o u s e m o d e s t d e s i g n o f f a n s a n a l o g i c a l t h e o r y a n d g o o d p e r f o r m a n c e m o d e l . t h e n o n t h e p l a t f o r m o f c a t i a , i t c a n r e a l i z e t h r e e - d i m e n s i o n a l p r o d u c t s c h o o s i n g d e s i g n b y t h e t e c h n o l o g y o f f a c i n g o b j e c t a n d d i m e n s i o n - d r i v i n g f u n c t i o n . i n t h e d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t o f v b ( v i s u a l b a s i c ) , d a t a b a s e t e c h n o l o g y a n d m o d u l a r iz a t i o n s o f t w a r e p r o g r a m a r e u s e d t o d e v e l o p t h e s y s t e m o f f a n d e s i g n a n d t h e i n t e r f a c e b e t w e e n u s e r a n d c o m p u t e r . f i n a l l y t h e s y s t e m c a n o u t p u t t h e e n g i n e e r i n g d r a w i n g s o f t h e d e s i g n e d f a n , w h i c h f i n i s h e d t h e c h a n g i n g f r o m t h r e e - d i m e n s i o n a l p r o d u c t s t o t w o - d i m e n s i o n a l d r a w i n g s . i n t h e t h e s i s , t h e a x i a l f a n d e s i g n s y s t e m i n c l u d e s t y p e - c h o o s i n g m o d u l e , d e s i g n m o d u l e a n d a c c e s s o r i a l f u n c t i o n m o d u l e . i t c a n r e a l i z e a x i a l f a n t y p e - c h o o s i n g , p a r a m e t e r i z e d d e s i g n i n g o f t h e p a r t s a n d a s s e m b l i n g o f t h e c o m p o n e n t s . i t w i l l a c c e l e r a t e t h e a u t o m a t i s m o f f a n d e s i g n , r e d u c e t h e c o s t o f f a n d e s i g n e f f e c t i v e l y a n d s h o r t e n t h e d e v e l o p i n g c y c l e o f t h e f a n p r o d u c t s , w h i c h i s o b v i o u s f o r e n h a n c i n g t h e m a r k e t c o m p e t e n c e o f t h e c o r p o r a t i o n s u s i n g wi t h i t . k e y w o r d s : a x i a l f a n a n a l o g i c a l d e s i g n c a t i a da t a b a s e b l a d e 西 北工业人学硕上 论文 第 l 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1研究的背景及目的 风机在矿业石油、化工、冶金、建筑、空调制冷电力等工业部门以及 人们的日常生活中极其广泛的应用中。 从各种家用电器中的冷却、通风， 各 类建筑物中的换气、空气调节， 到各厂矿企业使用的气动动力或通风， 几乎 所有的工业生产和日常生活都离不开不同形式的风机。 常用的风机主要有轴 流风机、离心风机和混流风机。轴流风机结构简单、适用面广。本系统以轴 流风机为主要研究对象， 在三维设计软件c a t i a平台上， 利用面向对象的程 序设计语言v b 开发出一套专门用于轴流风机的快速设计系统软件。 轴流风机品种、 类型繁多， 但是在它们的设计过程中不乏许多相似之处， 在产品的设计过程中存在大量的变型设计， 其中最为突出的是风机系列产品 的相似设计。以往的设计多为基于二维工程图纸的手工设计， 不仅严重的制 约了产品的开发周期， 而且无法有效地利用己经存在的产品信息资源， 造成 大量的资源浪费。 本系统正是针对这些问题，进行轴流通风机系列产品c a d 系统的研制， 通过建立轴流通风机系列产品c a d 系统， 将轴流通风机系列产品的设计转化 为利用现有的先进的c a d 平台、 成熟的风机设计理论和现有的各种先进的计 算机技术 ( 如面向对象技术、数据库技术、c o m技术等) ，实现对风机系列 产品的快速设计， 加速风机设计的自动化， 有效地利用各种己有的产品信息 资源， 降低轴流通风机的生产成本，以提高轴流通风机的性能， 缩短风机的 开发周期 。 1 . 2国内外研究概况 现在，国家提出了向三维 c a d进军的号召，并积极的推广三维 c a d 软件。 国外的c a d发展尤其是发达国家， 由于起步早， 基础比较雄厚， c a d 技术与其国民生产总值息息相关，国外投入大量的人力和物力发展 c a d软 件，出现了如 g u i i , p r o / e , i d e a , md t等大型且功能比较齐全的 c a d 软件。国内虽然也有一些自主开发的c a d软件， 但由于其稳定性、 可靠性、 智能性以及其更新换代的能力都有一定的局限，并没有使其形成广泛的市 场，还需要进一步的开发和推广。 近年来，新一代微机平台c a d 软件普遍具有以下特点:采用 w i n d o w s 西 北工业人学硕上 论文 第 l 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1研究的背景及目的 风机在矿业石油、化工、冶金、建筑、空调制冷电力等工业部门以及 人们的日常生活中极其广泛的应用中。 从各种家用电器中的冷却、通风， 各 类建筑物中的换气、空气调节， 到各厂矿企业使用的气动动力或通风， 几乎 所有的工业生产和日常生活都离不开不同形式的风机。 常用的风机主要有轴 流风机、离心风机和混流风机。轴流风机结构简单、适用面广。本系统以轴 流风机为主要研究对象， 在三维设计软件c a t i a平台上， 利用面向对象的程 序设计语言v b 开发出一套专门用于轴流风机的快速设计系统软件。 轴流风机品种、 类型繁多， 但是在它们的设计过程中不乏许多相似之处， 在产品的设计过程中存在大量的变型设计， 其中最为突出的是风机系列产品 的相似设计。以往的设计多为基于二维工程图纸的手工设计， 不仅严重的制 约了产品的开发周期， 而且无法有效地利用己经存在的产品信息资源， 造成 大量的资源浪费。 本系统正是针对这些问题，进行轴流通风机系列产品c a d 系统的研制， 通过建立轴流通风机系列产品c a d 系统， 将轴流通风机系列产品的设计转化 为利用现有的先进的c a d 平台、 成熟的风机设计理论和现有的各种先进的计 算机技术 ( 如面向对象技术、数据库技术、c o m技术等) ，实现对风机系列 产品的快速设计， 加速风机设计的自动化， 有效地利用各种己有的产品信息 资源， 降低轴流通风机的生产成本，以提高轴流通风机的性能， 缩短风机的 开发周期 。 1 . 2国内外研究概况 现在，国家提出了向三维 c a d进军的号召，并积极的推广三维 c a d 软件。 国外的c a d发展尤其是发达国家， 由于起步早， 基础比较雄厚， c a d 技术与其国民生产总值息息相关，国外投入大量的人力和物力发展 c a d软 件，出现了如 g u i i , p r o / e , i d e a , md t等大型且功能比较齐全的 c a d 软件。国内虽然也有一些自主开发的c a d软件， 但由于其稳定性、 可靠性、 智能性以及其更新换代的能力都有一定的局限，并没有使其形成广泛的市 场，还需要进一步的开发和推广。 近年来，新一代微机平台c a d 软件普遍具有以下特点:采用 w i n d o w s 西北工业大学硕 七 论文 第 i 章 绪论 环境; 采用最新软件成果如软件组件技术， 提高其稳定性和开发效率; 在开发和调试的工具上用 v b . v c o p e n g l等，增强其维护性和可扩充性; 吸收 u n 工 x工作站的精华，如参数驱动、特征造型、二/ 三维相关、s t e p标 准和动态图形显示， 并具有动态导航、 特征树等; 使工程图的生成更高效。 目前国内参数化 c a d 系统， 大部分研究集中于二维参数化设计研究。 即 使是三维参数化研究也只限于标准件的三维库的建立， 以及实现三维参数化 设计的算法研究。 而真正的三维机械图的参数化研究与实现是很少见的。 其 原因在于二维和三维设计在基本设计单元、设计方式、几何建模等方面存 在本质区别，二维的方法不能直接应用于三维模型。 大型三 维设计软件 c a t i a ( c o m p u t e r a i d e d t h r e e d i m e n s i o n a l 工 n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n ) 系统， 主要用于计算机辅助设计和制造的三维几 何设计系统。它主要以交互式应用为主。c a t i a 首次从工作站平台移植到个 人电脑，大大震撼了c a d / c a m 市场。很久以来，全世界6 0 % 以上的航空及汽 车制造业， 都是c a t i a的市场。由于c a t i a 具有超强的自由曲面和全面的组 合分析功能， 所以现在已经引爆c a d / c a m 市场。 更值得称道的是c a t i a 个性 化的界面， 以及智能化的功能操作， 使得一切复杂的工作变的简单起来。 i b m 公司以 其产品及服务优势， 积极地推动个人电 脑平台c a t i a v 5 ， 使得c a t i a 的前景更为可观。 但是如果要充分发挥c a t i a 系统的强大功能， 就必须进行 二次开发。本课题就是对 c a t 工 a 进行充分的二次开发，利用它和 v b 接口来 实现一系列功能。 本轴流通风机系列产品 c a d系统的一个主要的特点就是在进行轴流通 风机设计之前，希望能够充分利用己有的资源， 尽量减少资源浪费， 而这些 资源主要就是对轴流通风机标准数据的管理， 因此数据的管理极为重要。 随 着信息处理技术的日益发展，计算机管理数据的方式也不断的改进。5 0年 代末出现了文件管理系统， 它把数据组织在一个独立的数据文件中， 按文件 名来访问， 按记录进行存取。 这种方式在数据较大的系统中不能适应信息处 理的要求。到了 6 0年代末，在美国诞生了第一个商品化的数据库系统 工 m s 系统。 美国的e . f . c c o d d 于工 9 7 0 年提出关系模型， 很快就成为最流行的一 种数据模型，在微机上应用最为广泛的数据库有 s q l s e v e r，p a r a d o x , i n f o r m i x，o r a c l e , a c c e s s , f o x p r o等，其中由于 a c c e s s操作方便，并 内镶v b a ，可以进行快速开发利用，在本研制中采用了它作为数据库的管理 操作工具。 1 . 3论文主要工作 本论文主要是针对现有轴流通风机系列产品设计中的不足，在现有先 西北工业大学硕 七 论文 第 i 章 绪论 环境; 采用最新软件成果如软件组件技术， 提高其稳定性和开发效率; 在开发和调试的工具上用 v b . v c o p e n g l等，增强其维护性和可扩充性; 吸收 u n 工 x工作站的精华，如参数驱动、特征造型、二/ 三维相关、s t e p标 准和动态图形显示， 并具有动态导航、 特征树等; 使工程图的生成更高效。 目前国内参数化 c a d 系统， 大部分研究集中于二维参数化设计研究。 即 使是三维参数化研究也只限于标准件的三维库的建立， 以及实现三维参数化 设计的算法研究。 而真正的三维机械图的参数化研究与实现是很少见的。 其 原因在于二维和三维设计在基本设计单元、设计方式、几何建模等方面存 在本质区别，二维的方法不能直接应用于三维模型。 大型三 维设计软件 c a t i a ( c o m p u t e r a i d e d t h r e e d i m e n s i o n a l 工 n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n ) 系统， 主要用于计算机辅助设计和制造的三维几 何设计系统。它主要以交互式应用为主。c a t i a 首次从工作站平台移植到个 人电脑，大大震撼了c a d / c a m 市场。很久以来，全世界6 0 % 以上的航空及汽 车制造业， 都是c a t i a的市场。由于c a t i a 具有超强的自由曲面和全面的组 合分析功能， 所以现在已经引爆c a d / c a m 市场。 更值得称道的是c a t i a 个性 化的界面， 以及智能化的功能操作， 使得一切复杂的工作变的简单起来。 i b m 公司以 其产品及服务优势， 积极地推动个人电 脑平台c a t i a v 5 ， 使得c a t i a 的前景更为可观。 但是如果要充分发挥c a t i a 系统的强大功能， 就必须进行 二次开发。本课题就是对 c a t 工 a 进行充分的二次开发，利用它和 v b 接口来 实现一系列功能。 本轴流通风机系列产品 c a d系统的一个主要的特点就是在进行轴流通 风机设计之前，希望能够充分利用己有的资源， 尽量减少资源浪费， 而这些 资源主要就是对轴流通风机标准数据的管理， 因此数据的管理极为重要。 随 着信息处理技术的日益发展，计算机管理数据的方式也不断的改进。5 0年 代末出现了文件管理系统， 它把数据组织在一个独立的数据文件中， 按文件 名来访问， 按记录进行存取。 这种方式在数据较大的系统中不能适应信息处 理的要求。到了 6 0年代末，在美国诞生了第一个商品化的数据库系统 工 m s 系统。 美国的e . f . c c o d d 于工 9 7 0 年提出关系模型， 很快就成为最流行的一 种数据模型，在微机上应用最为广泛的数据库有 s q l s e v e r，p a r a d o x , i n f o r m i x，o r a c l e , a c c e s s , f o x p r o等，其中由于 a c c e s s操作方便，并 内镶v b a ，可以进行快速开发利用，在本研制中采用了它作为数据库的管理 操作工具。 1 . 3论文主要工作 本论文主要是针对现有轴流通风机系列产品设计中的不足，在现有先 西北工业大学硕士论文第 i 章 绪论 进、通用的 c a d软件平台上，进一步开发轴流通风机系列产品设计的专用 c a d 软件系统。它依靠目前国内领先的风机设计技术为基础，从而实现快速 准确、方便地设计与计算。由于时间的局限， 研究的重点集中在同类轴流 风机的相似设计c a d 建模和工程图形自动化处理上， 使其基本实现三维设计 相关的参数化处理以及二维工程出图的自动化生成， 为今后在此基础上实 现c a d / c a e / c a m 奠定坚实的基础。 本论文对轴流风机的性能特征 ( 压力、流量等) ，几何形状特征、几何 约束关系等进行分析。 根据模型试验和使用实践得出的空气动力学略图和无 因次特征参数库， 应用相似理论进行风机的判定与选型， 快速准确的选出满 足设计要求，性能良好，制造简便的风机，进而在c a t i a 平台上，进行零部 件的三维造型，利用参数化方法提取风机的重要特征参数。在 v b环境下利 用数据库技术、面向对象的技术开发轴流风机设计程序， 轴流风机设计人机 交互界面等， 充分利用有效资源使轴流风机系列产品设计能够基本实现自动 化，提高风机设计的效率。主要内容如下: 1 .进行软件需求分析以及概念设计 本软件的设计目的是能方便、 快捷的进行轴流风机设计以及对风机零部 件进行管理。考虑到目前国内的生产制造水平，一般需要得到二维工程图， 然后按照图纸加工制造; 但随着制造技术的飞速发展， 现代的c a m技术要求 得到零件的三维实体图， 进而可以进行仿真加工生成数控代码。 经过认真的 调研和比较， 并结合实际情况， 综合考虑将来的扩展兼容， 最后确定本软件 选用 i b m 公司的c a t 工 a 作为今后开展工作的基本平台。 它特有的二、三维模 型全相关方式可以使设计者直接面对三维模型进行设计开发， 进而由系统本 身自动生成二维工程图。要实现风机设计功能还必须要用程序开发语言在 c a t i a基础上进行二次开发，基于c a t i a对 v b强大的接口模块，我们选用 v b 开发语言。要实现这些功能，少不了数据库的支持，本系统选用 a c c e s s 和e x c e l 来存储必要的数据。 在分析用户需求的基础上， 分三大模块来进行 开发， 即轴流风机类型判定与选型模块， 轴流风机设计模块， 辅助功能模块。 2 .风机类型判定与选型模块开发 风机类型规格繁多， 按压力大小可分为通风机、鼓风机和压缩机。 通风 机又可分为离心式、轴流式和混流式。 本系统仅以轴流式为研究对象。 轴流 式风机还可按压力高低分为高、中、低风机， 用于不同场合， 又分为各种不 同用途的风机类型。 本模块根据风机的无因次特性参数， 对设计给出的条件 ( p .q 等) ， 首先计算无因次特性参数， 进行类型、规格判定， 然后进入设 计阶段。一般风机设计任务给出的条件是p . q等主要性能参数以及类型， 或给出p . q以及类型和规格。 不管哪种情况， 设计者首先要根据给出的p . q 等 主 要 性能 参 数， 计 算 其 无因 次 性 能 参 数p , q . 。 、 等， 然 后 根 据 上 述 无 西北工业大学硕士论文 第 1 章 绪论 因次性能参数，判定 ( 或校核)风机类型。确定 ( 或校核)风机规格，最后 进入设计模块。本模块的主要工作为: 用a c c e s s 创建模型风机无因次特性参数 ( 或特性曲线) 信息数据库。 这 些数据库给出了经过实验或者使用实践证明性能良好的各类轴流风机的无 因次性能曲线或特性参数，可供风机类型判定与选型之用。 用 v b 编写风机智能类型判定和选型程序。利用 v b 语言面向对象的技术 等诸多优点， 根据设计比输入的设计条件， 进行计算查找判定， 给出推荐的 风机系列。 3 .风机设计模块开发 由类型判定与选型模块可以得到人们希望得到的风机类型及规格， 然后 进入本模块相应的模型风机空气动力学略图库，设计比可以根据提示，输 入要设计风机的各零件参数值或参数变化因子， 然后在c a t 工 a 平台上， 通过 尺寸驱动， 生成所要设计风机各零部件的三维模型图。 本模块的主要工作包 括: 空气动力学略图库建立。通风机空气动力学略图是通风机通流部分的特 征和参数总和:级数，即工作轮数目;型式， 有无导流器装置及其与工作轮 的相应位置; 轮毅相对直径; 工作轮与导流器的叶片数目 和安装角;叶片各 截面翼型弦长、安装角、拱度和最大厚度沿叶片长的分布，翼型中线及其 对称部分的形状。本数据库包括以下子库:通流部分特征子库 ( 包含级数 、型式、轮毅相对直径、工作轮与导流器叶片数目等) ;基本翼型子库 ( 用 于不同类型风机的各种基本翼型) :叶片参数子库 本子库包含两部分:一 是叶片剖面采用基本翼型时，给出不同截面相对半径: 所对应的相对弦长b 以 及剖面安装角等; 二是给出不同截面相对半径， 所对应的相对曲 率半径p 所确定的翼型中 心线， 用做图的方 法构成翼型以 及安 装角几等) 。 设计比 根 据用户提出的不同要求条件和本空气动力学略图，用相似设计的方法就可 以方便地设计出满足用户要求且性能良 好的风机叶轮。 模型风机各零部件的三维造型。利用c a t i a 强大的c a d 功能，根据现有 的一套成熟完整的轴流风机的工程图纸建立轴流风机的三维模型事例库， 这 对于本文的工作来说是极其重要的一步， 因为后续所有的工作都将在此基础 上进行， 因此它的建立极为重要， 其中在进行该项工作时， 一定要为后续工 作考虑其可实现性，否则会带来难以预料的后果，尤其是建立三维模型时， 三维模型端面的选取， 主要尺寸的确定， 以及在构造模型时构建特征的先后 顺序都对后续工作很重要， 否则有可能会造成整个零件的重建以及部件组装 的困难和参数驱动中的逻辑错误等，影响后续工作的进行。 风机模型特征参数提取与处理。参数化设计是对相似结构予以参数化， 西北工业大学硕士论文 第 1 章 绪论 然后编制参数化c a d 应用软件以自动绘图设计的一种高效率方法。 对于相似 模块， 完全可以采用参数化设计， 对于其中的相似部件或单元也可以应用参 数化方法进行设计。 在模型风机的零部件三维模型建立以后， 利用c a t i a 的 数据提取功能， 把所建立的模型风机几何参数进行提取， 转入e x c e l 表格存 储起来。 当用户选定风机系列进入模型风机参数设计后， 调出该参数表进行 修改并存储。 所设计风机三维模型生成。当用户选定所设计风机的零件后，通过本程 序的智能计算与推理模块可以给出所推荐的本零件各参数值， 用户可以检查 修改某些参数并存储，使之成为自己所要获得的风机零件，然后可以调用 c a t 工 a 根据该参数表利用尺寸驱动功能生成所要获得的风机零件，进而可以 生成整机的各零部件。 4 。辅助功能模块开发 在设计模块对所要求风机的各零部件进行实体造型后， 我们还要分析各 零部件是否能够协调装配， 这时就要对风机各零部件在计算机上进行虚拟装 配。 虚拟装配是零件模型按约束关系进行重新定位的过程， 它根据产品设计 的形状特性及精度特性， 真实的进行产品的三维装配。 此外考虑到目前国内 机械制造行业的现状， 需要得到各零部件的二维工程图。 本模块的主要工作 包括: 所设计轴流风机各零部件的装配，通过对c a t i a中各个零部件对应的数 值利用相似原理对模型进行参数化处理后，可以方便的修改和形成系列产 品， 充分利用有效资源， 对轴流风机的零部件进行整体参数化设计和相似形 计算处理并进行装配，生成产品装配图。 利用生成的三维零部件自动生成相应的二维工程图并对二维工程图进行 管理。 本程序帮助文件的制作，编写一个简单方便的用户帮助和提示，对于现 代软件是必不可少的。 5 通过v b 将上述的各个模块进行有效的集成 在先进的信息技术支持下进行有效的数据管理 ( p d m )和过程管理，最 后， 通过一个友好的人机界面引导操作人员， 按照产品设计的过程模型进行 有序的设计， 利用已有的产品通过相似设计进行快速变型设计， 并使图形处 理可以自动生成零部件以及产品整体工程图。 通过本研究， 基本实现轴流风机c a d 系统的集成， 对于轴流风机设计基 本实现自动化，提高了风机设计的效率，但对于一些结构方面的问题还需 要作进一步的工作。 西北工业人学硕士论文 第2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 第 2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 通风机是用于输送气体的机械，从能量的角度来看，它是把原动机的机 械能转变为气体能量的一种机械。 通风机中最常用的是轴流通风机和离心通 风机， 通风机广泛用于各个工业部门，一般情况下， 轴流式通风机常用于大 流量、 低压力的情况，离心通风机则适用于小流量、高压力的场所。 本系统 主要研究轴流通风机。 同时要实现系统的功能必须有一定的软硬件支持才是 可行的。 2 . 1轴流通风机基本理论 2 . 1 . 1 2 . 1 . 1 . 1 轴流风机简介 定义 轴流通风机是最常用的一种风机形式。 按照我国风机的分类， 一般风压 在4 9 0 0 p a 以下，气体沿轴向流动的通风机为轴流通风机。 2 . 1 . 1 . 2分类 根据排气压力 ( 以绝对压力计算)的高低， 输送气体机械又可分为: 通风机: 排气压力低于1 1 . 2 7 x 1 0 4 n / m z ( 牛顿/ 米z ) 鼓风机:排气压力在 ( 1 1 . 2 7 3 4 . 3 ) x1 0 0 n / m 范围内 压缩机:排气压力高于3 4 . 3 x 1 0 n / m 以上 各种用途的通风机基本上都己系列化，主要有如下类形的通风机 1 . 锅炉用 通风机2 . 通风换气用通风机 3 . 工业 炉用通风机4 . 矿井用通风机( 主 通风机 和局部通风机) 5 . 特殊用途通风机包括( 高温通风机隔爆通风机耐腐 蚀通风机) 6 . 煤粉通风机。 2 . 1 . 1 . 3原理和特点概况 轴流通风机的气体从集风器进入， 通过叶轮使气流获得能量， 然后流入 导叶， 导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能， 最后， 气体通过扩散筒将 西北工业人学硕士论文 第2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 第 2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 通风机是用于输送气体的机械，从能量的角度来看，它是把原动机的机 械能转变为气体能量的一种机械。 通风机中最常用的是轴流通风机和离心通 风机， 通风机广泛用于各个工业部门，一般情况下， 轴流式通风机常用于大 流量、 低压力的情况，离心通风机则适用于小流量、高压力的场所。 本系统 主要研究轴流通风机。 同时要实现系统的功能必须有一定的软硬件支持才是 可行的。 2 . 1轴流通风机基本理论 2 . 1 . 1 2 . 1 . 1 . 1 轴流风机简介 定义 轴流通风机是最常用的一种风机形式。 按照我国风机的分类， 一般风压 在4 9 0 0 p a 以下，气体沿轴向流动的通风机为轴流通风机。 2 . 1 . 1 . 2分类 根据排气压力 ( 以绝对压力计算)的高低， 输送气体机械又可分为: 通风机: 排气压力低于1 1 . 2 7 x 1 0 4 n / m z ( 牛顿/ 米z ) 鼓风机:排气压力在 ( 1 1 . 2 7 3 4 . 3 ) x1 0 0 n / m 范围内 压缩机:排气压力高于3 4 . 3 x 1 0 n / m 以上 各种用途的通风机基本上都己系列化，主要有如下类形的通风机 1 . 锅炉用 通风机2 . 通风换气用通风机 3 . 工业 炉用通风机4 . 矿井用通风机( 主 通风机 和局部通风机) 5 . 特殊用途通风机包括( 高温通风机隔爆通风机耐腐 蚀通风机) 6 . 煤粉通风机。 2 . 1 . 1 . 3原理和特点概况 轴流通风机的气体从集风器进入， 通过叶轮使气流获得能量， 然后流入 导叶， 导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能， 最后， 气体通过扩散筒将 西北工业人学硕士论文第2 章 系统设 计的基本理论及支撑软硬件 一部分轴向气流能转变为静压能， 然后从扩散筒流出， 输入管路。 叶轮和导 叶组成级、轴流风机因压力较低，一般情况下都采用单级。 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。风机部置形式有立式、卧式和倾斜式三种。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 径的圆周速度一般不大于 1 3 0 米/ 秒，当周速度高时，将产生比离心风机大 的噪声 。 2 . 1 . 2轴流风机相似设计 在通风机中， 相似理论的应用是非常重要的， 它主要应用于通城机的相 似设计及性能的相似换算。 所谓相似设计， 即根据实验研究出来的性能良好、 运行可靠的模型来设计与模型相似的新通风机: 性能相似换算是用于试验条 件不同于设计条件时， 将试验条件下的性能利用相似原理换算到设计条件下 的性能。 两个通风机相似是指叶轮与气体的能量传递过程以及气体在通风机内 流动过程相似， 或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数， 这些 常数叫相似常数 ( 或比例常数) 。 2 . 1 . 2 . 1相似条件 根据相似理论， 要保证气体流动过程相似必须满足几何相似、 运动相似、 动力相似。 ( 一)几何相似 几何相似是指模型 ( 以 “ m”注角表示模型)与实物的几何形状相同， 对应的线性长度比为一定值。 一 d o =止 5 1=- b 2二一 竺 = d o b 1 m b ? m d 2 m 对应的面积之比为线性长度比的平方， mi 如轴流通风机叶轮出口面积比 f 2 = nd2 b 2 f 2 材n d2 m b 2 h ld2 m b 2 a l 二m2 几何相似严格来说还应该保证流道表面的相对粗糙度、叶片厚度以及 叶轮与机壳的间隙相似， 因为粗糙度以及间隙都会影响损失的大小， 但是， 由于加工精度的限制，在尺寸小的情况下，这些尺寸都成比例缩小是很困 难的，即 西北工业人学硕士论文第2 章 系统设 计的基本理论及支撑软硬件 一部分轴向气流能转变为静压能， 然后从扩散筒流出， 输入管路。 叶轮和导 叶组成级、轴流风机因压力较低，一般情况下都采用单级。 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。风机部置形式有立式、卧式和倾斜式三种。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 径的圆周速度一般不大于 1 3 0 米/ 秒，当周速度高时，将产生比离心风机大 的噪声 。 2 . 1 . 2轴流风机相似设计 在通风机中， 相似理论的应用是非常重要的， 它主要应用于通城机的相 似设计及性能的相似换算。 所谓相似设计， 即根据实验研究出来的性能良好、 运行可靠的模型来设计与模型相似的新通风机: 性能相似换算是用于试验条 件不同于设计条件时， 将试验条件下的性能利用相似原理换算到设计条件下 的性能。 两个通风机相似是指叶轮与气体的能量传递过程以及气体在通风机内 流动过程相似， 或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数， 这些 常数叫相似常数 ( 或比例常数) 。 2 . 1 . 2 . 1相似条件 根据相似理论， 要保证气体流动过程相似必须满足几何相似、 运动相似、 动力相似。 ( 一)几何相似 几何相似是指模型 ( 以 “ m”注角表示模型)与实物的几何形状相同， 对应的线性长度比为一定值。 一 d o =止 5 1=- b 2二一 竺 = d o b 1 m b ? m d 2 m 对应的面积之比为线性长度比的平方， mi 如轴流通风机叶轮出口面积比 f 2 = nd2 b 2 f 2 材n d2 m b 2 h ld2 m b 2 a l 二m2 几何相似严格来说还应该保证流道表面的相对粗糙度、叶片厚度以及 叶轮与机壳的间隙相似， 因为粗糙度以及间隙都会影响损失的大小， 但是， 由于加工精度的限制，在尺寸小的情况下，这些尺寸都成比例缩小是很困 难的，即 西北工业大学硕士论文第z 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 mi = 材-材 r( r m 八 -天 s 才 s m r r m 式中， 八 一表面粗糙度 s 一叶轮与机壳之间的间隙 然而，对通风机来讲，这些尺寸的相似与否影响不大，故一般不予考虑。 ( 二) 运动相似 当流体流经几何相似的模型与实物时， 其对应点的速度方向相同比值保 持常数，称为运动相似，即 =w=-u 甲 mu 肘 二 m e 即对应点的速度三角形相似，对应气流角相等 pi =日1 m 日 2 = 日 2 m a 1 =a 1 m 几何相似是运动相似的先决条件。 ( 三) 动力相似 动力相似是指作用于运动相似的流体各对应点的力相似， 即作用于对应 点上的外力方向相同， 大小之比保持常数。 对于通风机内的流体， 作用于流 体上的力主要有惯性力1 1粘性力r及总压力p 。动力相似时: 1 ,_1 2 i i m一1 2 m r i= r i m 尸 l_ 尸 ， r 2 r 尸 ， p 并且 即力的多边形相似。 1 =mr 尸一氏 一rm i , , 根据理论力学、惯性力为: i = m a 0 c 月 3 c i i i = p i z c z 式中p 一一流体的密度; 西北工业大学硕十论文 第z 音 系统设计的基本理论及支撑软硬件 1 一一表示长度尺寸; c 一一流体的速度。 粘性力 r即内摩擦力由牛顿内摩擦定律得: 式中: 总压力 r 一 。 “ 奇 a x112 号 = 。 77 一一流体的动力粘度; a一一内摩擦力作用的面积; d o、一一 。 一 d l 一 速 度 梯 度 p=p a a p 尸 因为: 所以 i尸 i m岛 户 1 2 c 2n l c p m 1 忌 c 鑫17 ,w 1 ., c m 经变换后得: p m 1 m c m 刁 。 或 lc 1 , , c -_ n 一= 生 竺 = r 从e e m vvi ， 艺 月 上式中r 。 是雷诺数，它表示作用在流体上的惯性力与粘性力之比。模型与 实物的雷诺数相等保证了粘性力的相似。 又因 p一凡 了一编 故 有之 2 c 2_p l , p , 1 , c a一 p . .万 经变换后得: 西北工业大学硕士论文第2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 fu= p m p 、 zp m i l , = e u m e u 称欧拉数，它表示压力与惯性力之比，模型与实物的欧拉数相等保证了 压力相似。 在气体流动中可以不计重力的作用，又因气体的压力低，而且变化又 小，故可以不考虑弹性力的影响 ( 即不考虑气体的可压缩性) ，若保证了内 摩擦力、压力相似也就使外力相似，又因外力与内摩擦力、压力组成封闭 的力三角形，而运动相似必然要求外力方向相同，大小成比例，所以只要 r e数对应相等，即内摩擦力成比例，且方向相同，在力三角形中，其中两 边成比例，方向对应相同，两个力三角形必然相似，则代表压力的一边就 一定成比例，故欧拉数相等，在流动相似时亦随之满足，因此通风机的动 力相似就是雷诺数相等。 根据气体流动的气动热力过程及能量传递过程的相似要求， 两个通风机 的气流过程相似条件可归纳为:几何相似、叶片进口的速度三角形相似、 雷诺数相等。 根据气体流动的气动热力过程及能量传递过程的相似要求， 两个风机气 流过程相似可归纳为:几何相似、叶片进口的速度三角相似、雷诺数相等。 2 . 1 . 2 . 2通风机的无因次参数 一)压力系数p 由于两个通风机相似，对应点的速度三角形相似，欧拉数相等。设 1 . 2 分别表示通风机的进出口截面，则: pt_ p t m pm c12i m p z_ p c zc z 2 、 经变换得: pi_ p。 ， p c 1 p m c iz m p z . = p , z2 八 。 瓜 2p l . p m c 2 m 因运动相似 西北t业大学硕士论文第2 章 系统设计的基本理论及支撑软硬件 一丝一 = -c 2= 一 止 1 2 c1m c2m u2m 又因 p i 峭 _ 月 p 2 二 一进 又 卫 几 一_ ap p i m p 2 m p 2 m - p i m 式中:a p , o p m 分别为实物和模型进、 如m 出口截面的静压差。故有: ap_ 下 2 /1 j一 ap. p m u 22 m 对应点上的动压也成比例: p r! 已fz 二 pc 一 = p u 2t = - 一 午 c b p 、 u 罗 pd m f ，。 22 、 最后得出进出口全压之差即通风机的全压关系为: = ，p ,y 2一 一= pm 梦2 m p m p 称为通风机的全压系数。同理可知，静压系数为: 刀。22 m =p m 两个相似的通风机其全压系数