（机械工程专业论文）低噪音对旋式轴流局部通风机的实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 本文在分析了普通轴流式通风机的气动力特征和结构的基础上，研究了对 旋式轴流通风机的气动力特性和结构特点，设计并制造出了一种风量大，风压 高，噪声低，效率高，气动性能好，体积小，结构新颖的2 3 0 k w 新型大功率对 旋式轴流局部通风机样机。该通风机可广泛应用于矿井大断面、长距离掘进巷道 和具有有害气体及需要大风量的工作场所通风。根据轴流式通风机空气动力学理 论，在分析了普通轴流式通风机的结构对气动力性能参数影响的基础上，对对旋 式轴流通风机的有关气动力参数和结构参数进行了综合优化分析研究。采用了综 合优化分析方法后，大大提高了对旋式轴流通风机的综合性能和可靠性，作者所 编制的计算机软件能自动完成气动力参数的设计计算，自动快速设计新型对旋式 轴流通风机。通过对样机的实验研究表明：综合应用现代优化设计方法，是种 非常有效的方法。 关键词：对旋式轴流局部通风机综合优化方法 计算机辅助设计 英文摘要 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea e r o d y n a m i c a lp r o p e r t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fu s u a l a x i a lf a n ，t h ea e r o d y n a m i c a lp r o p e r t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fc o n t r a r o t a t i n ga x i a ll o c a l f a na r es t u d i e di nt h ep a p e r m o r e o v e r ，a u t h o rh a sd e s i g n e dak i n do fc o n g a r o t a t i n g l o c a lf a n ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r so fl o wn o i s e ，h i g he f f i c i e n c y ，w e l la e r o d y n a m i c a l p e r f o r m a n c e ，o p t i m u ms t r u c t u r e ，a n dl a r g ep o w e r t h ec o n g a r o t a t i n ga x i a l l o c a lf a n c a nb eu s e de x t e n s i v e l yi nt h el a r g ed i g g i n gf a c ea n dl o n gd i s t a n c ev e n t i l a t i o ni nt h e m i n e i na d d i t i o n ，i ti su s e f u li ns o m ep l a c e st h a tc o n t a i nh a r m f u la i ra n da i ri sn e e d e di s n e e d e dt oi n p u t o nt h eo t h e rh a n d ，b a s e do nt h et h e o r yo fa e r o d y n a m i c s ，t h eo p t i m u ms t r u c t u r a l f a c t o r sf o rc o n t r a - r o t a t i n ga x i a ll o c a lf a na r es t u d i e d t h e n ，t h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m u m m e t h o dt oi m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v en a t u r ea n dr e l i a b i l i t yo fc o n t r a r o t a t i n ga x i a l l o c a lf a ni s p u tf o r w a r d a n d as e to fc o m p u t i n gs o f t w a r ea b o u ta e r o d y n a m i c a l p a r a m e t e r so fc o n t r a r o t a t i n ga x i a ll o c a lf a ni sd e s i g n e d ，w h i c hc a nb eu s e dt od e s i g na n e wk i n d o fc o n t r a r o t a t i n ga x i a ll o c a lf a nw i t hh i g h e fe f f i c i e n c y w i t hm a n y e x p e r i m e n t s ，i th a sb e e ns h o w nt h a t , c o m p r e h e n s i v eo p t i m u mm e t h o di s ae f f e c t i v e m e t h o df o rd e s i g n i n ga d v a n c e dm a c h i n e k e yw o r d s ：1 c o n t r a r o t a t i n ga x i a ll o c a lf a n 2 c o m p r c h e n s i v eo p t i m u mm e t h o d 3 c o m p u t e rm d e dd e s i g n i l 重庆大学硕士学位论文 低噪声对旋式轴流局部通风机的实验研究 1 绪论 1 1 国外概况 矿用局部通风机是我国井下采矿掘进中必不可少的设备之一，目前，全国煤 炭系统在运行的局扇近3 0 万台左右，大多数都是五十年代仿苏联的j b t 型普通轴 流式通风机，其性能差，风压低，风量小。随着社会经济的发展和技术的进步， 我国煤矿井下高产高效综采工作面得到了快速发展，走向越来越长，已达到或超 过2 0 0 0 m ，长距离大断面掘进巷道随之诞生，巷道用风量逐渐加大，要求有大风 量、高风压的局部通风机来满足其需求；同时，随着煤矿开采深度的增加，地温 升高，瓦斯涌出量和其它有害气体不断增加，降温、排放瓦斯和有害气体所需风 量越来越大，通风距离越来越长：铁路、公路隧道掘进，金属与非金属矿山的开 采，均需要使用大风量、高风压的通风机提供长距离通风。现有的局部通风机不 能满足大断面掘进巷道对大风量、高风压通风的要求。而且效率不超过7 0 ，噪 声达1 1 0 - 1 2 0 d b ( a ) ，从满足矿井安全生产通风需要、节约能源和改善矿井井下工 作条件出发，开发新型局扇十分必要。 在国外，俄罗斯，波兰，英国，日本，美国，德国等都对矿用局部通风机进 行了大量的研究。俄罗斯目前多使用改进的c b m 型单级轴流式局部通风机。 从1 9 8 3 年开始，着力推广七十年代中期研制成功的b m 型局部通风机。该型通风 机具有的特点是，采用单级子午加速叶轮。通风机的压力得以大幅度提高； 在叶轮的前部，装置了分流器：安装了可调式前导叶；叶轮叶片用卡普纶树 脂和钢骨架制成。由螺栓将其固定在铸铝轮毂上。b m 1 2 的叶片为钢质空心铆焊 结构。俄罗斯煤矿装备的局部通风机最大功率已达1 1 0 k w 。英国k c i t h b l a c k m a n 是生产局部通风机的专业厂”1 。1 9 5 8 年第一次生产了混流式局部通风机。该公司 生产的6 8 系列混流式局部通风机最高静压效率可超过7 5 。局部通风机叶片用低 碳钢制成，焊接在锥形轮毂上。叶轮后部装有静止导叶。k c i t h b l a c k m a n 还生产 “c ”系列矿用局部通风机。这种局部通风机噪声比较低，c , o 噪声仅9 3 d b ( a ) 。 英国d a v i l s o n 公司目前生产“b ”系列和“a ”系列局部通风机。“b ”系列局部 通风机采用轴流式叶轮。机壳用低碳钢制造，流道为分叉形式，使电机与工作气 流隔离。“a ”系列局部通风机是最为普通的轴流式局部通风机，机壳沿纵向用槽 钢加固，电机用螺栓紧固在机架上。日本三井株式会社三池制所生产了一种“m f a 标准型无声对旋式局部通风机”1 ，”称为“f m a ”系列通风机。“f m a ”的特点在于该 风机能产生5 0 0 0 p a 以上的高风压，最大功率已达2 9 0 k w 。2 3 0 k w 以上的局部 绪论 通风机可通过内部安装的步进电机调整叶片安装角度，能满足长距离通风需要。 通风机的机壳由两层制成，中间充填特殊的吸声材料。在风机的进出气流的两端， 装有两个直径与叶轮轮毂直径大小相等的整流锥筒与扩散锥筒，其中也充填特殊 的吸声材料，这样使通风机的噪声降低到8 0 9 0 d b ( a ) ，吸声材料疲劳后可以方便 地更换。德国v o r t e x 生产“v t e x ”系列轴流式局部通风机“1 ，最大功率为2 3 0 k w 。 “v t e x ”结构是对旋式的，但配上标准的进风导叶便可单级运行，以便用于压力 较低的场合。德国也生产f s 单级系列局部通风机，最大功率为7 0 k w 。 1 2 国内概况 在国内，1 9 5 4 年我国开始参照苏联b 型通风机资料设计了第一代b y 型( 以 后改名为国为民7 0 b ：) 矿井轴流通风机，并在案1 9 5 5 年试制成功了第一台2 b y n 0 2 4 ， 继后又成批生产了各个机号“。1 9 5 9 年4 月试制成功了0 6 2 n q 2 4 矿井轴流通风机。 0 6 - 2 型通风机的主要特点是本身结构能够反风，反风量可达6 0 8 0 ，它为第二代 矿井轴流通风机。第三代国产矿井轴流通风机是6 2 a 1 4 1 1 和2 k 6 0 型。6 2 a 1 4 - 1 1 型矿井轴流通风机是代替2 b y ( 7 0 b 。) 型而于1 9 7 5 年设计并试制成功的产品，其 叶型采用扭曲机翼型单级叶轮，最高效率达8 4 5 ，使用范围广。2 k 6 0 型矿井轴流 通风机是1 9 8 0 年为代替2 b y ( 7 0 b 。) 型的又一研制成果。 国产矿井局部轴流通风机的发展较为缓慢，六十年代以前，根据外国资料设 计制了j b t 和j b t l 系矿井局部通风机。之后，我国矿用局部通风机大部分使用b t 系局部通风机。由于其能耗高，噪声大，国家已命令将其予以淘汰。但是，由于 新型局部通风机型号、数量、使用范围极为有限，更新速度极慢。6 0 年代末冶金 工业部安全技术研究所首次研究成功了j f d j 对旋式轴流局部通风机，直径5 0 0 m m ， 流量2 6 m 3 s ，全压2 1 5 8 p a ，电动机功率5 5 2 k w ，最高全压效率8 0 。该系列局 部通风机曾在全国金属矿山推广应用“3 。之后，冶金工业部安全技术研究所又研制 了j f d - 6 型局部通风机，流量约5 m 3 s ，全压3 2 3 6 p a ，电动机功率l l 2 k w ，全压 效率8 2 。此后，山东矿业学院和沈阳鼓风机厂合作研制成功我国第一台子午加速 型局部通风机b k j 6 6 ，用来代替煤矿中使用的j b t 局部通风机。这种b k j 6 6 局部通 风机的噪声比j b t 系列低6 8 d b ( a ) 。东北工学院与北票矿山机械合作，用子午加 速叶轮对j 1 3 t 局部通风机进行了改造，并首次在国产局部通风机上采用了消除通 风机性能不稳定区的分流器装置。它为改造j b t ，节约能源打下了基础。华中工学 院和韶关冶金机械厂于1 9 8 5 年设计制造了g k j 6 7 一z 。型局部通风机，采用单级子午 加速叶轮，装置后导叶结构，叶轮设计上采用了准三元流动理论设计方法。该局 部通风机叶轮用z l l 0 4 铝合金整浇铸成型。电机整体装置在机壳的内筒中。4 5 型 局部通风机叶轮直径4 5 0 m m ，流量3 m 3 s ，全压1 5 6 9 p a ，电动机功率7 5 k w ，全压效 2 重庆大学硕士学位论文 率8 6 ，噪声8 9 ，l d b ( a ) 。浙江大学也研制了一种具有一级子午加速叶轮的局部通 风机，定名为i k f 一4 8 。其叶轮直径4 8 0 m m ，流量3 1 m 3 s ，全压9 5 1 p a ，电动机功率 5 5 k w ，全压效率8 1 5 。湖南郴州煤矿机械厂研制出的b k y 6 3 一ll 型2 2 k w 斜流式 矿用局部通风机，其噪声较低，为8 8 7 d b ( a ) ，但功率、流量、压力都较小，只适 用于短距离通风，而且其比噪声级并不低。 由上分析可知，虽然近年来我国的矿用局部通风机正在向大流量，高风压， 高效率，低噪声方向发展，但现有的通风机流量和压力都偏低，噪声都普遍偏较 高，都未能达到国家规定的8 5 d b ( a ) 。因此，有必要研制一种新型的局部风机，提 高风量和压力，进一步降低其噪声。 1 3 本文研究的主要内容 现有局部通风机风量小，风压低，不能满足井下大断面长距离掘进巷道通风 的要求。而且效率低，能耗大。噪声大，染环境。设计一种新型的大功率低噪声 对旋式局部通风机用于长距离大断面掘进巷道通风具有重要的工程实际意义。本 文根据通风机空气动力设计计算理论，在分析研究现有轴流式通风机的设计理论 的基础上，优化分析研究了轴流式通风机的主要气动参数、几何参数、轴向间隙、 径向间隙等对轴流式通风机的噪声和气动性能的影响。通过对对旋式轴流通风机 的噪声、气动性能和结构参数等的综合优化分析，确定出叶轮气动力参数、几何 参数的选取、轴向间隙以及径向间隙等的优化选取方法。在以上研究的基础上， 总结过去研究小型对旋式局部通风机的实践经验，结合煤矿的生产实际需要，针 对对旋式轴流通风机的特点，以效率为目标函数，对对旋式通风机的气动参数进 行优化设计，并设计出相应的气动参数优化设计程序软件，该软件可阻根据用户 选择的不同参数，快速、方便、准确地计算出对旋式轴流通风机叶轮的气动参数。 在此基础上，对叶栅参数和结构进行优化设计，并对效率进行验证。根据优化设 计计算结果，结合计算机c a d 机械制图软件技术，能快速可靠地开发设计出新型 的低噪声对旋式轴流通风机。并且，在这些参数和结构优化基础上设计并制造出 了新型2 3 0 k w 低噪声对旋式轴流式局部通风机。最后对低噪声对旋式轴流局部 通风机作了噪声和气动性能的测试及分析。结果表明，样机具有风量大( 5 8 1 4 0 5 m 3 m i n ) 、风压高( 2 0 4 0 5 8 3 7 p a ) 、噪声低( j b t 一6 2 的声压级为1 0 8 d b ( a ) ) ， 而样机仅为7 7d b ( a ) 一8 2 d b ( a ) ，节能( 最高效率为8 0 9 8 ) ，结构简单等优点。 本文的主要内容安排如下： 1 绪论，综述轴流局部通风机的当前国内外研究成果，以及本文的主要研究内容。 2 轴流通风机的空气动力设计，介绍了轴流式通风机气动设计的基本理论，分析 了轴流式通风机的空气动力设计的基本方法。 绪论 3 低噪声对旋式轴流通风机的设计研究，介绍了低噪声对旋轴流式通风机气动设 计计算的基本理论和基本方法，气动参数和结构参数的综合优化分析设计方 法，以及气动设计特点。 4 低噪声对旋式通风机气动参数的优化设计软件，在轴流通风机气动设计计算理 论基础上，结合对旋式轴流通风机的气动参数和结构参数设计特点，经过综合 优化分析研究，设计出对旋式轴流通风机的气动设计计算实用软件。 5 对旋式轴流局部通风机的气动设计计算与结构设计，根据气动设计计算软件优 化设计出的气动力和叶型参数，应用c a d 软件技术，结合综合优化分析方法， 设计并加工制造出了新型的对旋式轴流局部通风机。 6 对旋式轴流局部通风机样机的性能测试和分析，按照国家标准，对样机的气动 性能进行测试，并对结果进行分析。 7 结论，本文所做工作的总结和取得的研究成果。 d 重庆大学硕士学位论文 2 车由流通风机的空气动力设计 2 1 轴流通风机级的工作过程 图2 1 是轴流通风机的典型结构图。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3 ，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变为静压能，然后从扩散筒流出。 l 一集风器2 叶轮3 一导叶4 一扩散筒 图2 1 轴流通风机结构图 f i g2 1s t r u c t u r a ld r a w i n go f a x i a l f l o wf a n 2 1 1 基元级及速度三角形 在研究轴流通风机内的流动现象时，一般只对级进行分析。级是由叶轮和导 叶组成。由于其不同半径上轴向流动面均处于离心力场的作用下，气流参数是变 化的，因而其动叶片一般沿叶高方向呈扭曲状。为了便于研究其不同半径流面上 的气体流动，习惯上是把同一半径上的环形叶栅展开成平面叶栅来研究，这种平 面叶栅包括动叶和导叶叶栅的组合，称为基元级。可以看出，气流流经同一 环形叶栅所有叶片时，其流动条件是相同的。而级可以看成是由无穷多个基元级 组成p l 。 必， ! 互觥柏 ： ： j 二 二 a ) 幽2 2 基元级速度三角形 b ) f i g2 2b a s e - e l e m e n tv e l o c i t yt r i a n g l e 现在来看任意半径上基元级的气体流动情况。在叶轮进口i - 1 截面处，气流以 绝对速度c ，流入叶轮，由于叶轮以圆周速度u t 旋转，相对于叶轮而言，气体以相 对速度w l 进入叶轮叶栅。因而在1 1 截面由c l 、u l 、w l 三个速度向量组成了进口 速度三角形。同样，在叶轮叶栅出口，气体以相对速度w 2 流出，出口圆周速度u 2 也为已知，则叶轮叶栅出口绝对速度c 2 也随之而定。这样在2 - 2 截面，由w 2 、u 2 、 轴流通风机的空气动力设计 c 2 组成了叶轮叶栅出口速度三角形。为了研究方便起见，习惯上将进、出口速度 三角形画在一起，如图2 2 ，b ) 所示。其中c 1 。和c 2 。为c i 和c 2 之轴向分速度，d 、 p 分别表示气体绝对速度和相对速度方向与旋转方向之夹角，即气流角。 对于圆柱体级的基元级的流动，u l = u 2 = u 。另外，由于轴流通风机中迂升很小， 气体的密度看成不变p 1 = p 2 = p ，故有c i 。= 。2 。= c 。 在导叶中，因无牵连速度的影响，故气流以1 2 2 ，方向角流入导叶叶栅，并 以c 3 ，a 。流出之，它不存在速度三角形。在多级通风机中，一般取c 3 _ c l ，f a ，。 由叶轮进、出口速度三角形的几何关系可得气流的平均相对速度w 。及其方向 角b 。 ：c q _ 2w 2 一 2 1 以= 辔旦 ( 2 2 ) w m h 式中w 。w 。在圆周方向上的投影 可以看出，当u l = u 2 = u 时， a w u2 ”i u w 2 “= a c “2c 2 n c 1 。= 一半_ 。；。：w l u 一2 。(23w l d a ww )。= 一i 生一c h ；。=一2 。 ( 2 ) 式中c l 。和c 2 。为c i 和c 2 在圆周方向的投影。 w u 或c 。称为扭速，它表征气流在叶栅中的偏绕现象。 w m 、0 。和c 。是通风机计算中的重要参数。 2 1 2 叶轮对气体做的功 在分析了级中气体流动情况以后，就可以研究叶轮对气体做功的大小。由欧拉 曩= 二心。2 一c i 。“。) g 方程式知道，叶轮叶栅传给每公斤气体之功或理论能量头为 考虑到u l = u 2 ，则有 h ，= 兰( c ：。一c 。) g 通风机的理论全压力为( 不考虑损失) 哆2 砷- 。台“( c ：”一c l u ) 。p u ( 。：u c ”) 2p “。” 式中，旷一气体密度。 通风机的实际全压力为( 考虑流动损失) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 重庆大学硕士学位论文 p = y h i t 1 = p u a c 。r l 式中_ n 通风机的全压效率； p 通风机的全压。 式( 2 6 ) 是计算风机之基本方程。 ( 2 7 ) 2 2 轴流通风机空气动力基本方程 2 ，2 1 轴流通风机基元级的理论全压方程 假设通过轴流通风机的气体流动为不可压缩、稳定的理想气体，即气流流过 通风机级时没有任何能量损失，单级轴流通风机基元级的理论全压p t 方程式( 2 6 ) 还可写成另一形式，由基元级速度三角形知： p t _ p u c u = p u ( c 2 u - c 1 , o = p u ( c 2 c o s a 2 一c 1 c o s g t l ) ( 2 8 ) 当c l 。= c 2 。= c a 时 c 2 c o s a 2 = m c a c t g p 2 c 1 c o s ( 1 , i t m c a c t 9 1 3 1 p t = p u c 。( c t g 一c l g l 5 2 ) ( 2 9 ) 由儒考夫斯基定理，基元级的理论全压还可写成： n ：昙删贮， 1 0 ) z 由上述理论全压方程可知，可采用下列几种途径来提高通风机基元级的理论 全压p t e 6 】： 增加圆周速度u 。但是，增加叶轮的园周速度u ，受到叶片材质的强度和噪 声等其他条件的限制。 要使p ， o ，必须p 2 p l 。a # = 1 3 2 一p l 称为气流转折角。增大气流转折角p 可 以增加p 。，但是增加气流转折角卢太大，将引起效率的急剧下降，一般卢丑。等 于4 0 。4 5 。 增加升力系数c ，但升力系数太大，将会引起叶片附面层脱流，阻力急剧 上升，风机性能变坏。 增加叶栅稠度t 。但叶栅稠度增加，将引起升力系数的下降，并使得流道 内的流动损失迅速上升。 增加轴向速度c 。，但这主要是增加动压头，一般的轴流通风机c 。3 0 4 0 m s ，最大可达6 0r l l s 。 因此，上述参数的增加都会受到一定限制。另外，也可以用减少前导流器出1 2 1 旋绕速度c 1 一甚至使其变为负值的方法来增加p 。同样，它的减少也要受到限制， 否则将会影响到通风机性能。由上述分析可以看出，由于各种条件的限制，单级 轴流通风机的空气动力设计 轴流通风机的增压是不大的，一般很少超过2 1 5 0 p a 。 2 2 2 空气动力基本方程 粘性气流流过平面直列叶栅时，空气动力负荷系数tc 。为 7 】【8 1 1 2 蚊：坐型：2 a w ：2 鱼：2 s i 暇( c 硝一锻) ( 2 11 ) 上式为用于轴流通风机空气动力计算的空气动力基本方程。 2 2 3 轴流通风机的径向平衡方程 在下列假设条件下：流过通风机的气流是理想流体、稳定流，在圆柱面上流 动及气流参数是轴对称的，则在图2 1 的2 - 2 截面半径r 处的简单径向平衡方程为： 盟：垒量( 2 1 2 ) 咖 r 式中p 2 - - 2 2 截面半径r 处的气流静压( p a ) 。 上式可以变换成 8 】 ”1 ( u - - c 2 u ) ( 等+ 孥) _ c z 。等 ( 2 1 3 j 解上列微分方程，可得气流的简单径向平衡( 即气流沿圆柱面上流动) ( 1 ) ”2 。= 常数，或r 2 ( r ) = 2 t r r c 2 。= 常数 式中r 2 ( r ) = 五一围绕叶轮基元叶栅的环量。 当叶轮入口存在旋绕速度，即c 1 。0 时，则 f 2 ( r ) = 2 r c r a c 。= 常数 的条件： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 同理，对于固定叶栅后面气流流动的径向平衡条件仍然是5 ( r ) = 常数，其中i _ 1 ， 3 。 上述流型称为等环量流型或自由涡流型。凡是建立在l ( r ) = 常数基础上的轴 流通风机叶片环的空气动力计算方法，称为等环量计算方法。按这种方法所设计 的级为等环量级。 ( 2 ) c 。r ：凹= 常数，或r 2 ( r ) = 2 舢，2 称上述流型为固体涡流型， 但 l ( ，) 常数。这种流型通常n n - 7 ：轴流通风机设计中。凡是r f ( ，) 常数的流型统 称为变环量流型。 在等环量级中，某些参数及叶片安装角度沿径向的变化规律是： 气流参数沿径向的变化在r ( r ) = 常数的条件下，由式( 2 1 ) 、( 2 ，2 ) 可得出 w 、屈、：及玩沿径向的变化规律，如图2 3 所示。c 2 u n c 。沿径向变化曲 线亦绘于图上。 叶片安装角0 沿径向的变化由图2 3 可知，随着r 的减少，卢。是增加的， 重庆大学硕士学位论文 而0 2 p 地，因此叶片安装角0 随r 的减少而增加，即叶片是扭盛的。在叶片 根部扭曲最大。毂比孑越小，叶片扭曲得越严重。 p 。( ，) = p j ( ，) = 常数等环量级时， 基元级的理论全压p 。等于通风机理论 全压p ，且p a r ) = p ，( ，) = 常数( 2 1 6 ) 负荷系数贮，沿径向的变化由式 ( 2 1 0 ) 及式( 2 1 6 ) 可得： p ，( ，) = 甜酊。= 常数( 2 1 7 ) 由于w 随r 的减少而减少，于是在叶 片根部叶轮叶片负荷系数t c 。最大，如图2 3 所示。 2 2 ：4 轴流通风机的损失与效率 p 、c 2 u 、x c y 、c a 、w 。 图2 3 气流参数及负荷系数t c ，沿径向变化 爬2 3v a r i a t i o no f a i r s t r e a r np a r a m e t e ra n dl o a d c o e f f i c i e n tt c ya l o n gr a d i a ld i r e c t i o n 在轴流通风机中，气流经过叶片环时的损失很复杂，它沿叶片高度的分布很 不均匀9 1 。这种损失的不均匀性可由试验数据或通过计算得到【l o 】【1 2 】。目前在轴流 通风机设计中，有的已经考虑了损失分布的不均匀性。为便于计算，通常把分布 很不均匀的损失沿叶片高度均摊。这样，只需计算平均半径处的损失就可以了。 通风机的损失大小可用效率来衡量。单级轴流通风机的流力效率可通过下式 计算： 仇：旦：丛兰堕兰生竺堕坐坠些堕：玎。一竺也 ( 2 1 8 ) p fp f?pf 式中p ，一轴流通风机的理论全压( p a ) ； 卸。、卸扩卸。、卸；一分别为通风机入口集流器、流线罩、前导流器、叶轮 后导流器的压力损失( p a ) ： 以，一级中最后一个叶片环出口的旋绕能量损失( p a ) ： 玑一级效率。 在轴流通风机的气动计算中，有时把级效率仉做为通风机的全压效率q 。【7 】 1 2 。 上述公式中有关损失可以通过相应的损失系数计算【l i 】 1 2 】。在轴流通风机气动设计 中所需的通风机全压效率t 1 。，可以通过两种途径得到。一是参考已有轴流通风机的 t 1 。n 。曲线得出；另一种是通过计算得出。应当指出，气流经过叶片环的总损失系 数c 。与叶栅稠度t 、叶片数z 、毂比孑、升力系数c ，、相对径向间隙互等有关。 因此，在轴流通风机设计时，对于这些参数的选择给予充分的重视。 在通风机中还有一些辅助部件，例如进气箱、进气变道、扩散器及轴承支座 轴流通风机的空气动力设计 等。考虑这些损失所计算出来的效率， 1 2 j ： r ，= r t ( 1 一乞盯) 称为通风机装置效率。它可出下式计算 ( 2 1 9 ) 式中 乞一通风机装置损失系数； 盯一通风机动压p d 与通风机装置的压力p 口之比，即盯= p 。p 。； p p 一通风机全压p f 与通风机装置的压力损失卸，之差，即p ，= p ，一印，。 2 3 轴流通风机的空气动力设计 轴流通风机的空气动力设计的目的是在满足设计参数的前提下，根据获得高 效率或低噪声的原则，计算出轴流通风机有关部件在流道中的几何尺寸，并绘制 其图形。 在进行轴流通风机气动设计时，已知的主要设计参数有通风机的全压p 。及流 量q 。如果所给的参数不是对应于标准状态的，应将其换算成标准状态下的设计参 数。有时，还可能对设计提出一些诸如调节、耐磨、耐锈及防爆等方面的其它要 求。 在气动计算以后，必须对叶轮等旋转部件进行强度校核。若强度不够。应当 更换材料或增加板材厚度，而不应随意更改叶片尺寸，否则将会改变通风机的气 动性能。 目前，轴流通风机的空气动力设计方法有两种。一种是孤立翼型设计方法，另 一种是叶栅设计方法。迄今，孤立翼型的升力理论和实验数据，仍然是轴流通风 机设计的主要依据之一。而平面叶栅实验数据，是设计轴流式压缩机或高压轴流 式通风机的主要依据。 2 3 1轴流通风机叶轮级的几种方案 单独叶轮级( r 级) 这种级中只有叶轮，其特点是：压力低，单级全压系数v 。，= o 0 5 2 0 2 5 0 1 3 ， 效率低，全压效率n 。一o 7 3 0 8 2 ，静压效率一般为n 。= o 4 0 5 5 ：其比转数变化范 围通常为n s = 2 0 5 4 9 0 。这种级型式的通风机虽全压效率低，但结构简单、制造方 便，所以它常用于功率不大的低压轴流通风机中。它的毂比d 一般都比较小。这 种级的轴流通风机可以采用改变叶轮叶片安装角0 的方法进行工况的调节。 叶轮加后导流器级( r + s 级) 这种方案气流轴向进入叶轮，从叶轮流出的气流绝对速度存在有一定的旋转， 经过后导叶扩压整流后，使气流轴向流出。 这种级的特点是：单级全压系数较大，一般_ l i r 一0 1 5 4 0 7 2 ；效率较高，一般 重庆大学硕士学位论文 全压效率nt _ o 8 0 - 0 9 0 ，因而这种级在轴流通风机中获得较广泛的应用。这种级通 风机的比转数n s = 9 5 3 0 5 ，其中n s = 1 7 0 2 7 0 时通风机的全压效率要高些。这种级 可以在停转或运转的情况下，用改变叶轮叶片安装角e 的方法进行通风机的工况 调节。 前导流器加叶轮级( p + r 级) 这种级可分为前导流器叶片安装角0 ，可调的和不可调的两种。试验研究表明， 前导流器叶片安装角不可调的p + r 级全压效率比r + s 级的低4 l o 【“ ，因此， 目前在设计中以不采用这种型式的级，前导流器叶片安装角0 ，可调的p + r 级在设 计中还有应用。它的全压系数1 l r 。虽然比r + s 级的高，但全压效率要低些。 前导流器加叶轮加后导流器的级( p + r + s 级) 这种级的前导流器叶片安装角e ，都设计成可调的。这种级的特点是：压力高， 其单级全压系数 q l 。产o 3 3 0 8 4 ；前导流器的调节机构简单、调节方便、容易实现 自动化；可以改变叶轮叶片安装角0 结合起柬进行调节，以提高通风机的运转经 济性。其缺点是：级的轴向尺寸有些增加，噪声也大些。这种级的轴流通风机全 压效率为r t 。= o 8 1 - 0 8 8 ，比转数为n 。= 9 0 一一1 6 5 叫。 多级轴流通风机一般为2 级，个别的可达3 4 级。多级轴流通风机的型式实 质上是不同型式单级轴流通风机的组合。例如，二级轴流通风机的型式可以是： r + s + r + s 级、p + r + s + r + s 级和r + r 等。r + r 级为对旋式轴流通风机。这种通风 机具有一些优良特点，是近来国内外开展大量研究的新型轴流通风机。 2 3 2 有关参数的优化分析研究 转速n 的选择 目前轴流通风机多由电动机直接驱动。对于同步电机，其转速可选为6 0 0 、7 5 0 、 1 0 0 0 、1 5 0 0 及3 0 0 0 r r a i n 等；对于异步电机，其转速可选为5 8 0 、7 2 0 、9 6 0 、1 4 5 0 、 2 9 5 0 r m i n 等。此外，也有采用v 带、齿轮和液力祸合器等间接驱动的。提高转速 可减少叶轮直径及机器尺寸，并有利于提高风机效率。但转速的提高也受到一定 的限制。如提高转速使比转数1 1 s 增加，有可能得不到合理的级型式，而且增加了 圆周速度u t ，从而使噪声增加。 圆周速度u 的选择 圆周速度u t 是轴流通风机设计中的重要参数之一。由于旋转噪声与u t ”成正 比、涡流噪声与t l 。6 成正比 1 5 ，因而降低u 是通风机降噪的有效途径。使轴流通风 机能保持安静运转时的圆周速度u t 。 7 1 m s 1 1 6 ”】，也有的推荐u t 、 6 7 r r d s 【1 8 】。低噪 声轴流通风机一股为u l = 1 6 4 0 m s 。另外，提高圆周速度u 会降低通风机运转的可 靠性 1 8 。基于这两点考虑，英国的轴流通风机一般为u t = 7 0 7 5 m s f l 外。但应指出， 轴流通风机的空气动力设计 目前国内外所生产的轴流通风机，有的圆周速度高达1 5 0 1 8 0 m s 。对于高圆周速 度的轴流通风机，要对叶轮进行动平衡试验，防止因振动而损坏电机和风机。要 注意其降噪的处理，同时对回转部件须采用优质材料，要对轴承和联轴器的设计 给以充分重视。 由于圆周速度u t 的限制，使单级轴流通风机所产生的全压受到一定影响，表 2 1 给出了不同用途的轴流通风机每级所产生的全压 2 0 1 。 表2 1 不同用途的轴流通风机每级所产生的全压 t a b l e2 1t o t a lp r e s s u r ep r o d u c eb ye a c hs t a g eo fd i f f e r e n t - p u r p o s ea x i a l - f l o wf a n s 用途单级时所产生的全压用途单级时所产生的全压 ( p a )( p a ) 建筑用 1 9 6 - 2 4 5 工厂用 4 9 1 - 7 8 5 船舶用 2 9 4 4 9 l 矿山用 9 8 l 1 4 7 2 由于上述原因，有时把高压轴流通风机设计成3 , - - 4 级。 叶轮直径的确定 在通风机转数给定的情况下，对于所要求拍 的全压，通风机的直径也基本上定下来了。因“ 为在轴流通风机的压力系数范围内，确定叶轮， 直径关系到圆周速度的大小，进而关系到能否 实现所要求的全压。如果把d 取得过大或过 小，都会导致通风机的全压过大或过小，都不一 能获得满意的设计性能。而过大或过小的d 使。 得圆周速度也相应地大或小，计算所得的c 。 也相应地大或小，甚至有些在实际上是根本不 可能的。由试验和统计得出的k l 厂弋l ；图线， 基本上反映了实际情况，确定通风机外径时可 作参考。 ， r n 4 05 06 d7 0日。 图2 4 比转数n s 和系数k i l 关系图 f i g2 4r e l a t i o n a ld r a w i n go fs p e c i f i c r e v o l u t i o nn ba n df a c t o rk u 对于多级轴流通风机，叶轮直径d 与通风机级数和级型式密切相关，并影响 到通风机效率和噪声等，必须通过全面的技术经济分析和比较才能合理地决定。 具体确定方法如下： 当给定风机在标准状态下的计算全压p 小流量q 。时，可预选几种不同转速n 和级数r 。；由下式求出单级风机全压p 正i 及其比转数t l 。； p t f l = p t r r ( 2 2 0 ) n ：5 5 4 乓( 2 2 1 ) p t fi j 2 重庆大学硕士学位论文 式中r 。轴流通风机的级数。 再由相应的图表确定单级风机的型式、全压系数1 l r 。，及相应的效率； 由下式求得叶轮直径d 1 3 ： 庀 d t ：丝堕：三l( 2 2 2 ) n v 妒 并根据风机标准化和系列化要求将d 圆整到标准直径d ，进而求出叶轮外缘圆周 速度u t ： u t = d n 6 0 ( 2 2 3 ) 再通过技术经济比较，最后决定出合理的叶轮直径d 、风机级数和级型式。 轮毂直径d 在轴流通风机中，轮毅直径通常用它的相对值一轮毂比d 一( d 一= d d ) 表示。轮 毂比孑与通风机全压p f 、一级风机的压力系数1 l r 一无因次轴向速度己( c o = c a u t ) 、 效率n t 及叶片根部负荷系数( tc y ) h 等有关【8 1 。此外，孑对压力曲线形状及工作 区域的大小都有影响。 轴流通风机的毂比孑在给定的全压、流一器 量、转数下，是不能随意设取的，它对风机的d 。0 , 8 性能影响很大，是风机性能能否满意地实现的： l 、 l ， 、 、- i 1 、 、f川 、卜、l 、_ 、i 、1 l 、，入、卜、l 、f 、0r 、 、吨、 卜、 、n n 轴流通风机的空气动力设计 表2 2 轮毅比选择表 1 曲l e2 2s e l e c t i o no f h u br a t i o 1 i r 。， 0 4 孑 0 3 5 0 4 50 5 0 6 o 6 0 7 在确定轮毂直径时，还应考虑下列问题： 在保持所需的流量条件下，应力求采用较小的毂比，以减少叶轮直径，从而 减小机器的径向尺寸及噪声： 毂比的减小受到叶片根部负荷系数( tq ) h 的限制。过大的根部负荷系数在叶 轮根部会产生附面层分离。为防止动叶中的这种分离，就要限制叶根处负荷系数 值。通常应小于等于1 5 1 6 ，但其上限有时可以达到2 o 【1 2 【2 2 i 。 当采用同时旋转机构来改变叶片安装角b 时，必须考虑到同时旋转机构能装迸 轮毂里： 当电机置于通风机内部时，轮毂直径还要受到电机外壳尺寸的限制。 当按等环量进行叶片环气动计算时，在叶片根部气流是否分离还可以用最小 毂比瓦。来验算，最小毂比孑二可由下述方法求得屹1 。 在所设计的级中，除了最后一个叶片环以外的其它各叶片环的最小允许毂比 d 可通过函数中，计算，即 屯洫= 1 睥 ( 2 2 4 ) 最后一个叶片环的最小允许毂比瓦。可通过函数中f 计算： l = 4 1 孑 2 i 匾n d ( 2 2 5 ) 不同级型式的函数中，及o f 可从表2 3 求得。 表2 3 不同级型式的o 。及中f t a b l e2 3 由，a n d 击f o f d i f f e r e n t t y p eo f s t a g e 锻型式 函爪 rr + sp + rp + r + s 中r 2 c a v t ( 1 - n 2 ) 2 c a n i l l ，t 2 c j n l1 l r t ；2 c a ( 1 - n z ) ( 1 + n 1 ) 1 l r t 中f2 c j l l r t2 c j n 2 1 l ，t2 c j ( 1 + n 2 ) 1 l rt2 c a n 2 ( 1 + n t ) vt 表中，1 l r 。= 1 i r t i t 1 r 单级通风机的理论全压系数； n l = c l u ，( c 2 。一0 1 u ) 计算参数；n 2 = 0 3 。c 2 u 一计算参数。 在气动计算中，上述计算参数1 1 1 及1 1 2 的最佳值n l o p t 及n 2 。可通过计算得出 1 “， 也可近似的用文献 2 1 中的图表。 叶栅稠度 在轴流通风机气动计算中，通常是在计算( 或选择) 出升力系数c 。以后，利 用负荷系数t c 。来计算叶栅稠度t 。叶栅稠度t 也是重要参数之一，它关系到通风机 1 4 重庆大学硕士学位论文 的效率、噪声及c a 曲线的形状。 最佳叶栅稠度应与最大叶栅效率相对应。而翼型的阻升比接近最小值时， 平面扩压叶栅的效率最高。从这个意义上讲，应在最小附近来确定扩压式叶栅 的升力系数。一般在轴流通风机中t = o 3 2 0 。在高压轴流通风机中，平均半径处 的叶栅稠度f 1 1 1 4 可以得到满意的效果。 减少升力系数c ，及增加叶栅稠度t 可以降低旋涡噪声。用叶栅法进行气动 计算时，基于最小噪声条件下可得至l j x = 1 0 - 1 5 2 6 i 。如果不能保证各计算截面的值 都在上述范围内时，应首先保证叶项附近截面的t 值在上述范围内。 叶轮叶片数目z 叶片数z 对于通风机全压、全压效率、噪声、性能曲线形状及工作区域等都 有影响。叶轮叶片数目z 可用下式计算或近似的用表2 4 来选择m 1 。 z ：以。等f 。( 2 2 6 ) l 一“ 式中一平均半径处的叶栅稠度； 。= 协。一平均半径处叶片的展弦比。 k 值可在下述范围内选取： 当d = o 5 - 0 7 时，0 9 - k - 1 5 当孑= o 3 。0 4 时，k 可达到2 0 或更多些t 2 ”。 表2 4 口1 片数目与轮毂间的关系 1 h b l e2 4r e l a t i o nb e t w e e nb l a d en u m b e ra n dh u b 孑 0 3o - 40 50 60 7 z2 - 6轴86 1 28 1 6o 2 0 径向间隙6 f 叶片顶端与机壳间的径向间隙通常用它与叶片长度1 的比值相对径向间 隙f ( 五= 6 1 ) 表示