（流体机械及工程专业论文）基于solidworks的离心通风机参数化设计及研究.pdf

摘要 摘要 离心通风机是在国民经济各领域中广泛应用的一种通用机械，产品已经形成 多个系列，设计和生产技术也在不断增强和改进。随着市场竞争的日益激烈化， 如何提高产品设计效率、快速响应用户的设计需求，降低成本，对于提高企业效 益和产品的市场竞争力具有重要的意义。目前在机械设计主流的手段仍停留在二 维阶段，其存在设计过程不直观、工作量大、设计中的错误不易发现等缺陷，因 而采用三维c a d 技术进行产品的设计是必然的发展趋势。目前在离心通风机的 设计过程中采用三维软件进行实体造型、出效果图等方面已经得到了一定的应用， 但是针对离心通风机设计的计算机辅助设计的系统的研究尚处于探索阶段。本文 开发的离心通风机c a d 系统，提高了离心通风机选型和变型设计的效率，缩短 了设计周期，提高了离心通风机三维参数化建模和向工程图纸转换的效率以及准 确度，实现了离心通风机快速、高效、准确的设计。 离心通风机的设计制造已形成标准系列化产品，相同系列的风机之间的零部 件结构和功能均相似，本文以系列化离心通风机为对象，以三维c a d 软件 s o l i d w o r k s 为平台，结合a c c e s s 数据库技术，采用面向对象的v i s u a lb a s i c6 0 语 言，对s o l i d w o r k s 进行二次开发，建立了离心通风机的c a d 系统。系统分为选 型与变型设计模块和参数化设计模块两大部分，主要研究了离心通风机的快速选 型、相似设计与气动力设计和基于s o l i d w o r k s 进行参数化设计的关键技术，建立 了有关离心通风机的各种模型库、数据库以及标准件库等。 离心通风机c a d 系统的功能主要包括以下几个方面：( 1 ) 对离心通风机快 速选型；( 2 ) 当没有选到合适风机型号时，通过变型设计模块可以快速设计出满 足要求的风机；( 3 ) 实现参数化建模和参数化装配；( 4 ) 自动生成工程图，并对 其进行调整，包括视图位置调整、视图比例调整、尺寸位置调整、明细表自动生 成与调整、技术要求预添加等方面，实现生成的图纸能够完全满足企业生产的要 求。 图 4 7 】表【1 】参 6 1 】 关键词：离心通风机；选型：变型；参数化设计；工程图；s o l i d w o r k s 分类号：t h 4 2 1 5 ： 安徽理一f 大学硕十学位论文 a b s t r ac t a sau n i v e r s a lm a c h i n e ，c e n t r i f u g a lf a ni su s e dw i d e l yi n f i e l d so fo u rn a t i o n a l e c o n o m y , t h ep r o d u c ta r ea b u n d a n ta n dc o m p o s e do fm a n ys e r i e s ，r e l a t e dd e s i g na n d m a n u f a c t u r et e c h n i q u ei sa l s og r o w i n ga n di m p r o v i n g w i t ht h ei n c r e a s i n g l yi n t e n s e c o m p e t i t i o n ，i no r d e rt oi m p r o v ee c o n o m i cp r o f i t so fe n t e r p r i s e sa n dp r o m o t em a r k e t c o m p e t i t i v ep o w e r , i m p r o v e dp r o d u c td e s i g ne f f i c i e n c y , t h eq u i c kf e e d b a c kf r o mu s e r s f o rd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dc o s tr e d u c t i o na r eo fv i t a ls i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，m a i n d e s i g nm e t h o di ss t i l ls t a y si n2 一ds t a g ei nt h ep r o c e s so fm e c h a n i c a ld e s i g ni no u r c o u n t r y , w h i c hi sn o to n l yh a v et h ef a u l to fw e e kd i r e c t - v i e w i n g ，h e a v yw o r k ，b u ta l s o d e s i g nm i s t a k e sa r en o te a s i l yf o u n d s o3 一dc a dt e c h n o l o g yf o rt h ed e s i g no ft h e p r o d u c ti sa ni n e x o r a b l et r e n d c u r r e n t l y , i nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g no fc e n t r i f u g a lf a n ， 3 - ds o f t w a r ei su s e df o rt h ee n t i t i e sm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ，b u tt h er e s e a r c ho fc a d s y s t e mf o rc e n t r i f u g a lf a nd e s i g ni ss t i l li nt h es t a g eo fe x p l o r a t i o n i nt h i sp a p e rt h e d e v e l o p m e n to fc e n t r i f u g a lf a nc a ds y s t e mw h i c hc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e s e l e c t i o na n dv a r i a n td e s i g nf o rc e n t r i f u g a lf a n ，s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，i m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f3 一dm o d e l i n ga n dt h es w i t c hb e t w e e n2 一da n d3 - dm o d e l a n dr e a l i z er a p i d ，e f f i c i e n ta n da c c u r a t ed e s i g no ft h ec e n t r i f u g a lf a ni sd e t a i l e d s t a n d a r d i z a t i o na n ds e d a t i o nf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fc e n t r i f u g a lf a n h a sa l r e a d yb e e nf o r m e d ，t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so fp a r t si nh o m o l o g o u ss e r i e sf a n a r es i m i l a r i nt h i sp a p e r , t a k i n gs e d a t i o nc e n t r i f u g a lf a nf o re x a m p l e ，b y3 dc a d s o f t w a r es o l i d w o r k sa st h ep l a t f o r m ，c o m b i n e dw i t ht h ea c c e s sd a t a b a s et e c h n o l o g y , u s i n go b j e c t - o r i e n t e dv i s u a lb a s i c 6 0 l a n g u a g e ，f o rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，t o e s t a b l i s hc e n t r i f u g a lf a nc a ds y s t e m s y s t e mi sd i v i d e di n t ot y p es e l e c t i o na n dv a r i a n t d e s i g nm o d u l ea n dp a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l eo ft w op a r t s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rf a s t s e l e c t i o n ，s i m i l a rd e s i g n ，a e r o d y n a m i cd e s i g na n dp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do n s o l i d w o r k sf o rc e n t r i f u g a lf a na r em a i n l ys t u d i e dt oe s t a b l i s hs o m er e l a t e dm o d e l s t o r e h o u s e ，d a t a b a s ea n ds t a n d a r dp a r tl i b r a r y t h em a i nf u n c t i o no fc e n t r i f u g a lf a nc a d s y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：( 1 ) q u i c ks e l e c t i o nf o rc e n t r i f u g a lf a n ，( 2 ) t h r o u g ht h ev a r i a n td e s i g nm o d u l e q u i c k l yd e v i s e dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ff a n s ，w h e nt h e r ei sn o ta p p r o p r i a t ef a nm o d e l t oc h o o s e ( 3 ) t oi m p l e m e n to fp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n ga n dp a r a m e t e ra s s e m b l y , ( 4 ) 1 1 摘要 a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g ，a n dc a r r i e so nt h ea d j u s t m e n t ，i n c l u d i n g v i e w sp o s i t i o na d j u s t m e n t ，v i e wp r o p o r t i o na d j u s t m e n t ，s i z ep o s i t i o n a d j u s t m e n t ， s c h e d u l ea u t o m a t i cg e n e r a t i o na n da d j u s t m e n t ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，e t c ，t om a k et h e g e n e r a t e dd r a w i n g sc a r ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e f i g u r e 4 7 】t a b l e 【1 】r e f e r e n c el i t e r a t u r e 61 】 k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lf a n ；l e c t o t y p e ；v a r i a n t ；p a r a m e t r i cd e s i g n ； e n g i n e e r i n g d r a w i n g s ；s o l i d w o r k s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 4 21 5 第1 章绪论 1 绪论 1 1 离心通风机概述 离心通风机是应用面广泛的一种通用机械，大至矿井通风、锅炉引送风和化 工流程，小至工业炉鼓风机以及空调、建筑物通风等无不采用通风机。精心设计 制造和合理选用通风机，对节能和减小噪声污染具有重要意义。 1 1 1 离心通风机的结构及主要部件 如图1 1 所示，为常见的单吸离心式通风机的结构示意图( 双吸主要结构类 似) ，其主要部件如下： ( 1 ) 叶轮由前盘4 、叶片5 、后盘7 和轴盘8 组成。 叶轮是通风机的心脏。它由原动机直接驱动。叶轮是通j x l 机将原动机的机械 能转换为气体能量的唯一部件，它的尺寸、几何形状以及转速等基本参数制约着 气体在叶轮中的流动特征，决定着通风机的流量、压强升，以及流量与压强升之 间的关系。 ( 2 ) 机壳 由出风口2 、进风口3 和蜗壳6 组成。 蜗壳是由蜗板和左右两块侧板咬口或者焊接而成。其作用是收集从叶轮中出 来的气体，并引导至蜗壳的出口处，从而将气体输送到管道中或者排到大气中去。 有的通风机的蜗壳还可以将气体的部分动能转变为压力。为了制造方便，蜗壳一 般都设计成等宽度截面。 集流器的作用是将气体导入叶轮，其形状要精心的设计和制作，以保证叶轮 入口的气流状态良好。 ( 3 ) 前导器 有的离心通风机还装有前导器，它是由可调节的叶片制成，其作用是用改变 叶片角度的方法，获得不同的性能曲线，从而扩大通风机的使用范围。 ( 4 ) 扩散器 有的离心通风机出口处装有扩散器，其作用是将出口气流的部分动能转变为 压力，从而减少出口处的动压损失。扩散器一般是紧接蜗壳的出口，截面一般为 方形或者圆形。 除此以外，离心式通风机一般还由传动部件( 如带轮1 、主轴9 等) 和支撑部 件( 底板1 、轴承座1 0 等) 组成。 安徽理工人学硕士学位论文 1 一底板2 一出风口3 进风口( 集流器) 4 前盘5 一叶片 蝴壳7 二后盘枷盘卜主轴1 蝴承座 1 1 一带轮 图i - ! 离心式通风机结构示意图 f i g u r el 一1c e n t r i f u g a lf a ns t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 1 1 2 离心通风机的工作原理 当叶轮旋转时，离心通风机叶片之间的气体受到离心力作用获得动能( 动压 头) ，从叶轮周边排出，再经过蜗壳的导向，使之流向通风机出口，这样在叶轮中 心部位就会形成负压，外部气流在压力的作用就会源源不断流入补充，从而使风 机能排出气体。电动机通过轴把机械能传递给风机的叶轮，叶轮通过旋转把能量 传递给空气，在旋转的作用下空气产生离心力，空气延风机叶轮的叶片向周围扩 散，此时，风机叶轮越大，空气所接受的能量越大，也就是风机的压头( 风压) 第l 章绪论 越大。当气体获得的能量足以克服其阻力时，则可将气体输送到高处或远处。 1 2 风机c a d 技术国内外的研究现状i s s 】 f s l 】 1 2 1 国外研究现状 通风机的早期设计方法是以人工为主，通过手工计算以及绘图来完成。手工 设计方法周期长、效率低。而且质量不能得到很好的保证，严重限制了新产品的 设计周期，造成资源的大量浪费。 上个世纪八十年代，计算机在通风机设计与制造领域的应用取得了很大的进 步。八十年代中期，计算机辅助设计( c a d ) 及制造( c a m ) 已经应用得十分普遍。除 了广泛使用的a u t o c a d 等二维绘图软件以外，三维软件s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 以 及c a t i a 等还能够为用户提供丰富的三维空间造型，其优势主要有：从物体形状 上看，建立三维模型后，可以方便地产生任意方向的平面投影和透视投影视图， 通过剖切形体自动获得剖视、断面图；从物体观察上看，可从任意方向和角度观 察物体的各个局部；从渲染效果表达上看，能上色，可通过材料赋值、设置灯光 和场景得到十分逼真的渲染效果图；从物理分析上看：三维实体具有质量、重心 等物理特性，可用专门软件进行受力、运动、热效应等分析。此外，用户还可以 使用多种高级计算机语言如c 拌，v c ，v b 和c + + 等进行二次开发，提高产品的设计 效率。同时设计人员还可以通过c f d 、a n s y s 等专门分析软件，来对零件的刚度、 强度以及内部流场等进行分析和计算，从而可以获得量化分析结果和意义明确的 图形，进而优化产品结构设计。 许多国外风机制造商从应用c a d 系统，提升到采用c a d 技术进行模块化参数 化设计，使整个风机行业的设计、生产和管理水平得以大幅的提高，也大大加快 新产品的研发速度。 最早推广通风机c a d 技术的企业是意大利新比隆公司，他们已经成功地研发 出了轴流式通风机叶轮设计与制造的自动化系统，初步实现了通风机的c a d 和 f m s ，不但使通风机的设计、制造效率提高了5 1 0 倍，而且也使得风机设计的质 量提高很多。 德国的德马格公司通过在压缩机的气动分部设置一个计算机网络，建立一个 c a m 、计算机管理和生产控制的综合数据库，进行数据的管理及沟通，这样就可 以将通风机的设计计算、强度分析、叶片型线绘制及数控程序编制和测试数据的 采集及处理一体化，使得通风机的气动性能大幅改善。 安徽理丁大学硕十学位论文 德国t l t 公司利用计算机技术，结合公司多年的液压式动叶调节技术的经验， 设计了使用该种调节方式的轴流通风机，其各方面的综合性能都是十分的优良， 运行效率可达8 3 - - 8 8 。此外该公司还研究了用于报价投标和设计选型方面的 c a d 系统，并取得了较好的实用效果。 此外，美国的西屋研究与发展中心、美国n a s a 的刘易斯研究中心利用c a d 技术设计了许多型号的轴流通风机。 1 2 2 国内研究现状 近年来，国内在c a d 系统的开发和应用方面也取得了一定的成绩，二维c a d 软件已形成了商品化市场，c a d 系统已经被很多企业引进，并取得一些效益。但 较之国外仍有很大的差距。国内的很多企业仅仅将c a d 系统作为绘图工具，设计 理论和设计方法缺乏指导，导致企业创新产品少，在市场竞争力不足。 目前，在c a d 技术方面的研究，我国也取得了定的成果。上海复旦大学忻 孝康教授和上海柴油机厂合作，改进了通风机叶轮的特性；西安交通大学王尚锦教 授利用c a d 技术设计出的压缩机、通风机性能达到了甚至超过了美国同类产品： 浙江大学的沈天耀教授开发了一套前向通风机的c a d 技术，利用该系统设计的一 系列节能风机现已被列入国家推广产品；上海交大与浙江上虞风机厂合作建起的 c a d 工作室，建立了钣金式轴流通风机叶片设计的辅助系统，从而节能l o 3 0 。 专门针对风机设计的c a d 软件很少。其中国内较成功的典型就是沈阳鼓风机 厂研发的透平压缩机c a d c a m 一体化系统，建立和开发出了m c l 型和d h 型两 大系列风机的c a d c a m 一体化系统，实现了透平压缩机主要零部件加工的自动 化和设计现代化。 此外，安徽理工大学硕士生桂艳在导师潘地林教授的指导下进行了离心通风 机的c a d 系统的研究与开发1 1 6 】；西北工业大学硕士生柴永生在导师赵宁教授的指 导下进行了离心通风机系列产品c a d 系统的研究1 1 9 】；在兰州理工大学教授李超的 指导下，其硕士生贺杰高和陈晗分别进行了三维机械c a d 系统的二次开发技术及 在风机设计中的应用和离心通风机c a d 参数化设计方法研究【 1 ；机械工业学院硕 士生李伟国在导师王建华教授的指导下进行了通风机选型及优化设计系统研究 【2 3 1 ；中山大学硕士生戴宏明在导师常会友教授的指导下进行了通风机选型软件的 设计与实现研究1 2 4 】；西安交通大学流体机械研究所也开发了风机在线选型系统、 m g s 风机电子样本软件和m g s 通风机选型系统等。 4 第1 章绪论 综上所述，关于参数化设计的理论、方法同趋成熟，利用c a d 系统进行参数 化设计开发的较多，并且取得了一定的成效，但是它们都是针对整个设计过程的 某一部分，并没有真正利用c a d 系统进行整机的参数化设计，没有一套完善的c a d 系统，而且开发的系统实际应用情况并不理想。因此，时代的进步要求各行业的 技术必须不断的改进和创新，尤其在风机设计行业，更需要新技术的注入。 1 3 课题的研究意义 迄今为止，有关风机的设计计算还没有一套完全成熟理论。目前存在的的设 计计算的方法也都有差异，风机参数的选取也存在很大的随意性，因而高性能通 风机设计的关键完全取决于设计者的经验。此外通风机型号规格繁多，设计计算 的过程十分复杂，绘图工作量非常大，传统的设计理念已经不能满足现在的市场 经济的要求，因此进行通风机设计方法和理论的研究，找出更加合理的设计思路， 并且使设计计算过程程序化，绘图参数化，实现高效率、高准确率的风机设计目 前在风机行业需要迫切解决的问题。 目前关于离心通风机c a d 系统的研究，主要有基于二维平面绘图软件 a u t o c a d ，但是存在明显的弊端，比如只能生成平面图，而且功能单一，不能真 正实现参数绘图，而且对于风机进行c a e 、c f d 等方面的工程技术人员没有帮助。 也有人基于三维软件关于离心通风机的c a d 系统的研究，但是目前只是做了针对 个别型号的风机的参数化设计，而且还不能生成真正实用的能用于指导生产的工 程图。 本文在w i n d o w s 系统中，以三维绘图软件s o l i d w o r k s 为平台，使用面向对象 的v i s u a lb a s i c 可视化编程工具，开发离心式通风机计算机辅助设计系统。该系统 主要实现风机的选型、设计计算与参数化绘图功能的计算机程序化过程，具有良 好的用户界面，操作方便、迅捷。开发一套真正对c a e 、c f d 等后处理的工程技 术人员实用，对实际生产有指导作用的离心通风机的c a d 系统。 1 4 本论文的主要研究内容 本课题主要研究内容就是基于s o l i d w o r k s 平台，开发一套适用于离心通风机的 计算机辅助设计软件。这套软件主要实现离心通风机的选型、模型优化、改型设 计及参数化设计。 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 离心通风机设计理论的研究； 安徽理r 大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立各类标准离心通风机的性能参数和几何参数的数据库； ( 3 ) 对离心通风机选型设计和变型设计进行程序化处理； ( 4 ) 离心通风机的选型及改型设计模块的开发； ( 5 ) 离心通风机零部件参数化建模关键技术的研究； ( 6 ) 离心通风机工程图自动生成及调优技术的研究； ( 7 ) 完成离心通风机c a d 系统的开发。 第2 章离心通风机的漫计方法 2 离心通风机的设计方法 有关离心通风机的设计方法目前主要有两种：一种方法是相似设计法，另外 一种是理论设计法。本章将对这两种设计方法做较详细的介绍。 2 1 离心通风机的相似设计 通风机的相似设计就是利用相似理论，在已有模型或者产品基础上进行新产 品设计的方法。相似设计可以利用现有的空气动力学略图和无因次性能曲线进行 新产品设计；也可以利用已有的通风机将其尺寸按比例放大或者缩小，而性能则 可按有因次性能之间的换算公式进行换算即可。 2 1 1 通风机的相似理论 两个通风机相似是指叶轮和气体之间的能量传递过程以及气体在通风机内流 动过程相似，或者它们的同名物理量在任一对应点之比保持常数，这些常数称为 相似常数( 或者比例常数) 5 1 。 一、相似理论所能解决的问题 通风机的研究，从本质上讲就是研究通风机流道内的流体流动过程，其最大 的特点是可以利用相似原理来解决以下的重要问题： ( 1 ) 在一定转速下的指定通风机的特性曲线，可以利用相似原理绘制出用无因 次系数表示的特性曲线。这种特性曲线适用于在不同转速下工作的同类型的通风 机，即几何形状相似、尺寸大小不同的一系列风机。 ( 2 ) 当进行通风机的气动力设计时，理论计算往往与实际结果有较大的误差。 利用相似原理我们可以选用已有的经过实验的高效率通风机或者模型来进行相似 设计，以保证所需要的结果。 ( 3 ) 如无适当的高效率风机可选用，必须进行新的设计时，可以利用相似原理 先制造模型，再根据模型试验结果，准确地换算出实际机器的结果。 二、相似条件 要保证两个通风机的流动过程的相似，必须满足下列条件1 3 】： ( 1 ) 几何相似 几何相似是现象相似的先决条件，这是因为只有在几何相似的体系中，相似 的现象才能发生。就离心通风机而言，所谓的几何相似是指： 安徽理j r 火学硕士学位论文 尝= 罟= 鲁= 百b l 一甜数 一= 一= = 一= = 芾硷y d 2d l6 26 1 殷爿= 2 _岛月= 2 式中不带“。是相对实物而言，带的是相对模型而言( 以下相同) 。 严格的说，几何相似还应包括通风机的叶轮和进风口间的间隙，叶片厚度和 表面粗糙镀等，但是这些尺寸是否相似对通风机的性能影响较小，故可忽略不计。 ( 2 ) 运动相似 实物和模型内同类速度的方向在各对应点的相同，大小的比值等于常数，叫 做运动相似。对于通风机叶轮内的流动过程而言，运动相似是指： 堕：垒堕：一w 2 一c 1 ：c _ _ z 2 “l2mw 2q巳 “wc _ _ = ? = _ “wc 即对应点的速度三角形相似，且所有对应点的两速度三角形相差的倍数相同。 ( 3 ) 动力相拟 实物和模型内同类力的方向在各对应点相同，大小比值等于常数时，叫做动 力相拟。就通风机流动而言，作用在基元流体上的主要力有惯性力i ，粘性力r 合 总压力b ，动力相似是指： 量：量 i i1 2 足尼 = ： 墨r 2 一p , 1 ：丝 p t l p , 2 ir p t i j r j p t 即对应点的力多边彤相似，且所有对应点的两力多边形的大小相差的倍数相i 司。 根据理论力学 ，m 口p l y ( l ) p 寥c 2 = 一= ：一= = 二- 一 ，聊口 p z 3 ( 害) p 。z c 2 第2 章离心通风机的设计方法 式中p 一气体密度； 三一尺寸； c 一速度 根据理论力学 且 因为 所以 变换后，得： 或 式中 旦：生：笙：坐 r 彳_ d c l 2 9 2 a v喜l k 。 旦：丝 p tp j0 ir 一= 一 lr p r c 2l d l c 一= 一p c 2三c p l c pl c 一= 一 hh l c 厶 一= 一 yy y 运动粘度系数。 令 则 尼叫做雷诺数， 相似准数。 同理，因为 所以 变换后，得 咒：一l c y 咒= r 是一个无因次项。 ( 2 1 ) 因为他是用来表征动力相似的，所以称为 三：盟 一= - i p t 卫丝：生 p z c 2 2 p 卫：j ，- p c p c 2p c 2 1 p c q 安徽理1 ：大学硕士学位论文 令 e 。= 二 ( 2 2 ) p c 则 e = e 邑叫作欧拉数，是通风机相似中的另一个相似准数。 两个通风机的流动过程相似的条件可以归结为：几何相似、入口速度三角形 相似( 流量系数相等) 和雷诺数相等。 三、通风机的主要无因次参数 一些能够代表通风机特性的无因次量，被称做通风机的无因次参数【4 】。主要有： 压力系数p 、流量系数q 、功率系数、比转数亿、效率叩等。下面就对这些参 数做详细的介绍，并且论证若两个通风机相似，则他们的无因次参数相等。 ( 1 ) 压力系数尸 若两个通风机相似，则他们位于对应点的欧拉数相等，速度三角形相似。设l 、 2 分别位于通风机的进、出口截面，根据欧拉数相等可得： 变换后得： 1 p t ：上牛和 p c ；p m c ；m 且：上牟和且：上旱 p l mp m c i mp 2 mp m c ； 由运动相似可知： 再者根据： 土：旦：旦 _ = - = 一= ：_ c l mc 2 mu 2 m 旦：竺l ：堡二旦：尘生 p 、mp 2 mp 2 m p l m p m 式中卸m 、, a p 分别是指模型和实物进、出口截面的静压差。 由上可得：冬：耸 p u i砌u 2 m 位于对应点的动压也成比例： 立：兰生：上生：生立：2：坐：2 堡 盟r2 砌2p m u 2 m 2 2 。m 则有：乓：上屿 p u ；p m l l 2 m 第2 章离心通风机的设计方法 综合以上，可以得到通风机的迸、出口全压差，即全压关系为： 尸= 专= = 岛 ( 2 3 ) p 甜；p u u 2 m “ 尸称之为通风机的全压系数。 同理可得，通风机的静压系数为： 巧= 乓p u ；= 上p m 与2 m = 石 。 可见，两个通风机若是相似的话，其全压系数和静压系数巧必然相等。 ( 2 ) 流量系数g 对于离心通风机，由流量公式可得： q = 刀d l6 l q和9 0 = 万d l m6 l m c l m 从而有： 又因运动相似： 则有： 综上得： 一q ：竺垒堑：且且丘 q 0万d l 肘岛肘c l mq m6 1 mc l m 立：旦：旦 - - = - = - = 一 e l mu i m2 m q 鹾材2 一= = ；一 甜：m 虿：兰：7 盟一：万 ( 2 - 4 ) 。；明“：三刮 一 q 称为流量系数，易见，两通风机相似，其流量系数q 相等。 ( 3 ) 功率系数万 风机的轴功率n 为： = l ? u u q u r i , k w 当采用流量系数蚕和压力系数时： n：擎翻远上孬0000n 4 1 0 0 0 n = j l 一= 兰鹰“：二l 22 一 安徽理： 人学硕十学位论文 则有： 旦：丝兰盏 m - p m 7 23 m 溉 若两通风机相似，则有：p = 匕，q = 既，r = r m ，从而上式可变为： 10 0 0 i 7 p 2 甜2 3 1 0 0 0 了7 砌2 肘甜2 3 m 综合以e 有： 万：塑：j 盟：瓦 ( 2 5 ) 百7 p 2 “；i 砌2 m “：3 m 丙称为功率系数，显见，两通风机相似，其功率系数也相等。 ( 4 ) 比转数以 除了采用压力系数、流量系数百、功率系数丙外，为了充分反应风机的性 能，还常采用比转数来表征类型不同的通风机的主要性能参数压力、流量、转速 之间的综合特性。 如果两个通风机相似，则由它们的压力、流量的关系式可知： 瓦p = 号c 去) 2 ( 毒，2 以及苦2c 去，3 砉 变化后则有： 纽=(丝去声百n及石nd2 p = ( 堕0 2 ) 3 蚤、p m ? n mn m 、 q m 综合两式整理可得： 三三 刀簧p = 告p 刀鲁= ，z ，二 三 朋 三 ( 二_ ) 4( 二丝) 4 pp m 当两个通风机相似且进口状态相同时，即p = p u 时，则有： 三三 船一2 ：n mg 船了。 ，兰j ! ( 尸) 4 ( 兄) 4 第2 章离心通风机的设计方法 令 g s ：k n 壁3 ( 2 6 ) 尸i 式中，k 为常数，玩称为通风机的比转数，显而易见，相似的两个通风机比转 数必然相等。对于k ，各国视式中的单位不同而取值不同，通风机我国规定k 取5 5 4 ，即： 三 琢：5 5 4 ，z 譬 p - 综上所述，若两个通风机相似，则他们的无因次参数p 、q 、n 、只s 必然相 等，这也为在通风机的设计中相似理论的应用提供了理论依据。 2 1 2 通风机的相似设计 1 相似设计的原理【1 1 ，【2 】 所谓的相似设计其实就是依据两个通风机相似，其比转数必然相等的原理来 进行设计的一种方法。假如设计参数( 如压力p 、流量q 、工作介质等) 用户已经 给定，则首先应该计算出比转数聆。的值，然后在各方面技术成熟的已有的性能良 好的通风机中，寻找一个比转数相同或者接近的作为模型机器，再依据该模型机 器的无因次特性曲线和空气动力学略图，将模型机器的几何尺寸应用相似理论按 比例放大或者缩小，从而就可以得到与该模型机器相似的新通风机的几何尺寸。 2 相似设计的步骤 ( 1 ) 非标准进气状态下，将给定的压力换算成标准状态下的压力。 ( 2 ) 确定比转数刀。根据比转速式( 2 - 6 ) 决定转速和比转速。一般选取1 1 再决定，7 。选取较高的1 1 时，? 。也较高，通风机的效率也就较高。但此时压力系 数较低，较大，不利于降低噪声和增加强度。选取较低的转速n 时，情况刚好 相反。此外，如果要求通风机通过联轴器由电机直接驱动或者叶轮装在电机悬臂 轴上，此时所选取的n 必须为电机的转速。 ( 3 ) 根据已决定的通风机的比转速s ，选取比转速与玎。相等或者接近的某一 类型的通风机。如果模型通风机的船：恰好等于刀。，那么新通风机的工况点即为模 型通风机的无因次性能曲线上的最高效率点。如果不相等，则应在比转速曲线上 找到与聆。相等的点，则该点就是新通风机的工况点。 找出新通风机工况点的全压系数q ，根据所要求的全压计算出周速度啦。由 安徽理工人学硕士学位论文 于转速n 已经确定，因而叶轮的直径口也就确定了。 ( 4 ) d 确定后，根据空气动力学略图决定通流部分的其他尺寸，包括叶片安 装角孱。和尾：以及叶片数z 。 ( 5 ) 如果计算出的比转速过大，无适当的通风机用作模型时，可考虑采用双 吸离心通风机或轴流通风机。如计算出的比转速过小，无适当通风机可选取时， 可采用两级离心通风机，但机器结构复杂化了。在上述两种情况下，也可采用两 台通风机并联运行或串联运行以满足要求。 ( 6 ) 通流部分的形状和尺寸决定以后，进行新通风机的结构设计。必要时验 算部件的强度。 ( 7 ) 如果通风机的全压大于2 5 0 0 p a ，需要考虑气体的压缩性。 ( 8 ) 如果设计的新通风机与模型的r 。相差超过2 - - 3 倍，则要对压力和效率 进行修正。 ( 9 ) 如果拟选取的工况点离模型通风机的最高点太远，为了提高设计工况点 的效率，可以适当改变叶片的宽度，使工况点移至最高效率点。 相似设计方法比较简单、可靠。可以缩短风机的设计周期，提高风机性能的 可靠性，因而这种方法被广泛使用。 2 2 离心通风机的理论设计 2 2 1 设计方案的选择 设计风机时给定的条件主要有：全压p 、容积流量q 、- v 作介质及其密度p ( 或 介质的温度) ，还有就是结构上的要求以及工作场合的特殊要求。 通风机的设计大致有以下几个方面的要求： ( 1 ) 要满足所需的压力和流量，且工况点应保证在最高效率点附近； ( 2 ) 效率曲线应平坦，且最高效率点要尽快的高； ( 3 ) 压力曲线的稳定工作区间要宽； ( 4 ) 结构不能复杂，工艺性要好； ( 5 ) 要有足够的强度和刚度，确保工作安全可靠； ( 6 ) 调节性能好； ( 7 ) 噪声低； ( 8 ) 通风机体积尽可能小，重量轻； ( 9 ) 保养维护方便。 第2 章离心通风机的设计方法 当然一般情况下不可能同时满足上述全部的设计要求。往往在结构设计( 强 度、工艺等) 和气动性能之间存在矛盾，设计时应该抓住主要矛盾来协调解决。 例如：对于小型通风机，一般结构和工艺性要求较高，兼顾效率。对于大型通风 机的要求则相反。伴随着通风机的用途越来越广，对通风机的要求也越来越高， 如公用建筑用通风机要求噪音要小，锅炉引风机则要求耐磨性要好。 大流量时可采用双吸气，这样可以减小通风机的尺寸、重量轻、平衡性也好。 合理选择叶片的形式。转速一定的情况下，前向叶轮的压力系数尸较大，则 效率较低，但其叶轮直径较小。对于后向叶轮则相反。 如果通风机的比转数较低，则一般其泄漏损失的相对比例较大，需要引起注 意。 蜗壳的外形尺寸应设计的尽可能小一些。对于比转数较低的通风机可选用标 准蜗形，而对于比转数较高的通风机可采用缩短的蜗形。有时候为了减小蜗壳的 尺寸，可选用通风机的进口速度小于蜗壳出口速度的方案，这种情况下，可采用 出口扩压器来提升静压值。 2 2 2 理论设计的具体方法及步骤【1 2 1 ，【1 3 ，1 1 6 1 1 据给定的设计参数，如压力p 、流量q ，介质以及其进i s 状态等条件，依据 式( 2 6 ) ，可计算出比转数 。 三 璩：5 5 4 ，2 譬 正 式中r l 为叶轮转速( 转分) ，如果设计时没有给出要求，可进行初步的选定。 然后根据比转数的值来大致的确定通风机类型及叶片型式。如下： 甩。= 2 7 1 2离心通风机( 前向叶片) 刀。= 3 6 1 2离心通风机( 后向叶片) 。= 1 6 1 7离心通风机( 双吸入或并联) 刀。= 1 8 3 6轴流通风机 2 初选叶片的出口安装角屈爿。据目前的实验统计资料知，对于机翼形叶片， 当殷一2 4 5 4 7 。时效率比较高；叶片出口角屈爿与压力系数p 成线性关系，如图2 - 1 所示。 3 根据n n n 屐一值由上图可查的f 值，按下式计算叶轮的圆周速度“：的大小： 安徽理 人学硕十学位论文 一般有： 驴岳一 亿7 ， f = 0 3 0 6强后向叶片 f = 0 6 0 7径向叶片 f = o 7 1 2前向叶片 图2 - 1 叶片出口角厦爿和压力系数p 的关系 f i g u r e2 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a d eo u t l e ta n g l e 履一a n dt h ep r e s s u r ec o e f f i c i e n tp 4 按式( 2 8 ) 确定叶轮外径d ：，然后进行圆整，再计算周速u ：的大小。 d ，：坐王，m( 2 8 ) 万刀 巧d 、n u ，= 。，i l l s 。 6 u 5 按照叶道中损失为最小的原则，据式( 2 9 ) 确定叶片进口直径d l 大小。 鲁 1 1 9 43 x 屉( 2 - 9 ) 6 通风机叶轮进口直径哦的确定。因为叶片进口一般要求稍有加速，所以常 第2 章离心通风机的设计方法 7 确定叶片数z 。根据式( 2 1 0 ) 计算，然后进行圆整。 蒯5 嚣 协1 0 ) 8 确定叶片进口和出口的宽度2 j 1 、6 2 。 对于前向叶轮，就研究表明：当其比转数恢- - 4 5 11 7 时，叶片的进口宽度 可按下面的范围选取： 当是地2 5 o 3 sc q ，6 l = ( 1 2 1 5 ) 导； 当旦d 2 - o 3 5 o 5 时，6 l = ( ” 2 o ) 等； 当务o 5 时，6 l = ( 2 m 5 ) 导。 假如采用平直前盘，则如= 岛，m 假如采用锥形前盘， d d 三1 一定时，前盘倾斜角臼不易过大，可参考下表，来 求的6 值。 q d 2 o 3 0 0 4 50 4 5 0 5 5 o 5 p 2 0 。 2 5 。 o 一，一一 j；巨一鸟二 i ；_ 三三丰 f 一臃 瞥一 l 剧 i 月 ( a ) 尺寸调整前 。- l - ( b ) 尺寸调整后 图5 - 5 尺寸布局位置调整前后对比图 f i g u r e5 - 5b e f cr ea n da f t ers i 2el a y o u tp o s i t i o na d j u s t m e n tc o n t r a s td i a g r a m 5 3 5 明细表的自动生成及调整 工程图明细表的自动生成与调整技术就是基于v b 以及s o l i d w o r k sa p i 函数实 现明细表模板调用、行数统计、零件序号的添加与调整、列宽及高度的调整，以 及明细表内容的修改及补充。使得明细表内容准确、布局合理，解决传统填写明 细表工作量大、繁琐的缺点。2 9 h 3 3 1 ，4 7 1 明细表的自动生成和调整过程中使用的主要 5 8 怜 第5 章工程图的自动生成及布局调优技术 a p i 函数及相应的功能如图5 6 所示。 新 图5 6 明细表调整a p l 函数图 f i g u r e5 - 6b o ma a j u s t m e n to f a p lf u n c t i o nd i a g r a m 实现的具体步骤及其中的关键程序如下： ( 1 ) 装配体中各零部件相关属性的设置 工程图中明细表中各零部件的相关属性都是通过表相应的列属性进行自动链 接的，因此，要想明细表内的信息正确、无缺失，必须要设置好各零部件的属性， 具体