（化工过程机械专业论文）离心通风机cad参数化设计方法研究.pdf

摘要 本文对离心通风机参数化c a d 系统进行研究与开发，探讨利用现有的c a d 软 件s o i d w o r k s 在微机上开发离心通风机c a d 系统的方法，井对其中与软件开发有关 的几个关键问题作了较为深入的研究。文中介绍了离心通风机的理论设计和相似设 计原理，进行了离心通风机参数化c a d 系统的结构没计与研究。在s o l i d w o r k s 平台 上建立了离心通风机的三维模型图库并以文件的形式存储在磁盘上，在a c c e s s 上建 立了离心通风机标准系列参数库及无冈次性能曲线库。利用s o l i d w o r k s 的参数驱动、 模型与它的工程图及参考它的装配体的全相关功能，实现通风机结构尺寸的参数化 绘图。在v b 环境中，设计离心通风机参数化c a d 系统的入机交互界面，并利用s q l 查询语句及c o m 技术将离心通风机的标准参数库、性能曲线库和模型图库进行集成， 最终形成具有按设计参数进行离心通风机系列产品自动化设计并生成二维工程图纸 的c a d 系统。 关键词离心通风机 相似设计参数驱动s o l i d w o r k s计算机辅助设计 a b s t r a c t a f t e r t h ea n a l y s i s o f t h e m a i nd e s i g n t a s k so f c e n t r i f u g a l f a n ，a f r a m e t od e v e l o p c a ds y s t e m f o r t h ec e n t r i f u g a lf a ni sf o r m e do nt h eb a s i so fe x i s t i n gs o l i d w o r k ss o f t w a r e ，a n ds e v e r a lp r o b l e m s r e l a t i n gc l o s e l yt os o f t w a r ed e v e l o p i n ga r es t u d i e d t h ep r i n c i p l eo ft h e o r yd e s i g na n ds i m i l a r d e s i g n a l ei n t r o d u c e di n t h i sa r t i c l e ，a n dt h es t u d ya b o u tt h ec a dp a r a m e t e rs y s t e mf o rt h e c e n t r i f u g a lf a na r em a d e t h e3 dm o d a ls h a p el i b r a r ya r es u p p o r t e db yt h es o l i d w o r k sa n da r e s t o r e do nt h ed i s ki nt h ef o r mo fd o c u m e n t s t h es t a n d a r dp a r a m e t e ra n df u n c t i o n a lc h iv ed a t a b a s e o ft h ec e n t r i f u g a la r es u p p o r t e db yt h ea c c e s s b yu s eo fs o l i d w o r k s p a r a m e t e rd r i v i n ga n dt h e r e l e v a n c ea b i l i t yb e t w e e nm o d e la n de n g i n e e r i n gd r a w i n g ，a s s e m b l ep r o d u c t s ，t h ep a r a m e t e r d r a w i n go ft h ee e n t r i f u 酬f a n ss t r u c t u r ed i m e n s i o na r er e a l i z e d u s e rj n t e r f a c ef o rt h ed e s i g no f c e n t r i f u g a lf a ni sb u i l tb yv b ，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h es q li a n g u a g ea n dt h et e c h n o l o g yo f c o m ，a n di n t e g r a t et h o s el i b r a r i e si nt h e a s tt h ec a ds y s t e m ，w h i c hc a ns u p p l y2 de n g i n e e r i n g d r a w i n g sa n da u t o m a t i c a l l yd e s i g nc e n t r i f u g a lf a nb yp a r a m e t e r , a l ef o r m e d k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lf a n s i m i l a rd e s i g n p a r a m e t e rd r i v i n g s o l i d w o r k s c o m p u t e ra i dd e s i g n 第一章概述 第一章概述 当今，在市场激烈竞争的压力f ，企业若想求得成功必须对市场做出快速响应 尤其是在企业的生产技术和组织形式由过去的单一品种大批量生产模式向多品种小 批量的柔性高效率生产模式转变的今天，需要设计者能够建立起一个既能反映产品 生命周期各阶段数据需求，又能反映各阶段数据关系的可变型产品模型，以快速响 应用户定单需求，因此产品建模理论和方法的研究近年来已经引起了企业界的极大 关注。产品模型是基于信息理论和计算机技术，以一定的数据模式定义和表达在产 品活动中的有关产品数据的内容、过程和联系的数字化信息模型。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s j g n 一一c a d ) 则在此过程中随着计算机软 硬件技术的迅速发展，已经日黼完善，从而在各个领域都得到了广泛的应用。在提 高产品质量，缩短生产周期，促进产品更新换代上起到了积极的作用。 1 1 离心通风机的应用及发展状况 通风机是用于输送气体的机械，从能量观点看，它是把原动机的机械能转变成 气体能量的一种机械。离心通风机是风机中的一大类型，广泛应用于电力、化工、 矿山及建筑领域。作为广泛应用的通用设备，离心通风机在各应用领域是心脏设备。 其性能的好坏，是否能安全稳定地运转对整个装置是至关重要的。随着生产和科学 技术的发展，通风机在国民经济领域的应用日益广泛，对整个工业经济有着重要的 影响。 我国离心式通风机制造行业的出现是从建国后开始的，1 9 4 9 新中国建立后，国 民经济建设得到了迅速的恢复和发展。作为需要量大而面r 1 的通用机械一一风机， 也随着各个经济部门在发展中的需要而得到了国家的重视，使之迅速发展起来。5 0 年代初期，由前苏联提供技术资料并派专家来华指导，我国开始制造生产离心式通 风机，但所生产的机型有限而且这类风机的最火缺点是效率低，综台效率仅为6 5 一7 5 ，运行效率更低，有的甚至在2 516 左右。6 0 年代开展了以提高风机效率为目的 的研制工作并取得了可喜成果。随着加一i ：设备和科学技术的不断发展，国内各风 机生产厂在设计方法、加工手段、制造工艺等方面进行不断的改进，离心通风机不 断更新换代。在风机三化( 标准化、通用化、系列化) 设计思想引导下，开始了我 国离心通风机独立设计的新时代，而且有的产品在世界上还处丁领先地位。 1 2 风机c a d 发展状况 早期通风机的设计方法是以人工为主，主要通过手t ：计算和绘图来完成。这种 手工设计方法效率低、周期睦且质量低。不仅严重制约了产品的开发周期，而且不 能有效地利用已经存在的产品信息资源，造成大量的资源浪费。2 0 世纪9 0 年代初， 原国家科委提出了摔掉图扳，利用c a d 技术实现绘图白动化的号召。全面采用c a d 技术必然会提高绘图效率、计算速度和分析复杂计算问题的能力，也便于修改设计， 能够促进设计i 作的规范化、系列化和标准化。 第一章概述 八十年代初，电子计算机在通风机设计制造方面的应用取得了引人注目的发展。 八十年代中期以来，国外应用计算机辅助设计( c a d ) 及辅助制造( c a m ) 已十分普遍， 如目前广泛使用的三维绘图软件s o l i d w o r k s 、p r o e 及a u t oc a d 等为用户提供了丰 富的三维空间造型，它使构造零件的实体模型及构成零件的几何元素一一点、线、 圆、曲线、曲面及实体均处于设计人员所构想的实体模型中，并能够通过系统的图 形处理功能在屏幕上显示清晰、真实感极强的零什实体模型，同时还可利用图形旋 转功能从各个不同的方向观察零件的设计情况。另外，用户还可以使用多种高级语 言如c 、b a s i c 和f o r t r a n 进行二次开发，以满足特定企业的特殊需求，形成企业 自己的特色，并使常用的或重复的任务自动化提高设计效率。同时设计人员还可 以利用a n s y s 、c f d 等专门的分析软件，对零什的强度、刚度及机器内部流场等进 行分析计算，从而获得意义明确的图形和量化分析结果，优化了产品设计。意大利 新比隆公司是最早推广通风机c a d 技术的企业之一，已经成功地开发出了轴流式通 风机叶轮设计、制造的自动化系统，初步实现了通风机的计算机辅助设计、柔性制 造，使通风机的设计、制造效率提高了5 一1 0 倍。 c a d 技术在我国起步较晚，我国机械行业的c a d 技术正处于普及阶段。浙江大 学沈天耀教授开发了一套前向通风机的c a d 技术，他与同事们利用该系统设计的一 系列节能风机已被列入国家推广产品；上海复旦大学忻孝康教授和上海柴油机厂合 作，利用c a d 技术，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 技术设计出的通风机、压缩机性能达到了甚至超过了美国同类产品：另外沈阳鼓风 机厂8 6 年开发的自由曲面创成软件，使通风机的设计周期由平均六个月缩短到两个 月，且产品设计合理，主、辅机覆盖率达到了9 0 和7 0 ，大大提高了产品的通用 程度：浙江上虞风机厂与上海交大合作建起的c a dj 【：作室，为钣金式轴流通风机叶 片进行辅助设计，从而节能1 0 一3 0 。而且近年来关于c a d 技术在通风机上的应 用研究的文献资料逐渐增加。 然而，由于通风机制造行业的专业性及复杂性，目前还很少有针对风机设计的 专门c a d 软件。国内采用的风机c a d 软件中，沈阳鼓风机厂国家七五重点科技攻 关项目一一透平压缩机c a d c a m 一体化是目前国内比较先进和完备的技术，该攻 关课题选择了m c l 型和d h 型两大系列风机作为研究对象，建立和开发出两大系列 压缩机c a d c a m 一体化系统，实现了透平压缩机设计设计的现代化和主要零部件 加工的自动化：其他个别厂家和研究机构也有用c a d d s 、a u t oc a d 等开发的软件， 但普遍采用d o s 平台，用t c 或f o r t r a n 语言进行编写。虽然上述软件自主性好， 但通用性、灵活性及智能性较低。因此，风机设计行业需要注入新技术以带来更大 的活力。进行通风机专用c a d 系统的研究与开发，能够使风机设计理论合理化、规 范化，解决目前风机行业中普遍存在的设计、生产周期长，效率低的问题。 1 3 论文主要工作 本文主要进行离心通风机参数化c a d 系统的研究与开发。由丁时间的局限，研 究的重点集中在通风机的自动选型，改型设计及参数化绘图。当改变原始设计参数 时，系统重新进行选型、结构设计，参数化绘图，实现绘图的自动化。 主要内容如下： ( 1 ) 通风机选型设计的程序化； ( 2 ) 通风机改型设计的程序化； 第一章概述 ( 3 ) 通风机主要零部件参数化绘图的程序设计； 参数化设计是对相似结构予以参数化，然后编制参数化程序，实现自动绘图设 计的一种高效率方法。利用相似原理，在s o l i d w o r k s 中对荇个零部件进行参数化处 理来实现零部件的参数化设计，从而可以方便地进行修改和形成系列产品。对通风 机的零部件进行整体参数化设计和相似计算并进行装配，生成装配图。利用 s o l i d w o r k s 的三维模型与二维一i ：程图纸相关联的功能，通过三维模型生成二维工程图 纸。 ( 4 ) 各程序模块之间的数据交换与人机交互界面的设计。 在先进的信息技术支持下进行有效的数据管理，通过v b 建立一个友好的人机界 面来引导操作人员，按照产品设计的过程进行有序设计，利用相似原理通过已有的 产品进行改型设计，并自动生成工程图。 ( 5 ) 通风机无因次性能曲线程序化。 1 4 本课题的意义 风机产品都是根据用户的不同要求进行设计，以满足不同的。j ：艺流程、介质和 操作工况。由于通风机的麻用领域，+ 泛、型号规格繁多、设计计算过释复杂、绘图 工作量大，因而传统的设计方法己难咀满足市场经济环境卜，在最短的时间内设计、 生产出满足用户各种使用要求的风机产品的需求。但是在它们的设计过程中不乏许 多相似之处，在其设计中存在大量的变型设计，尤其是风机系列产品的改型设计。 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已经存在的产品信息资源，造成大量的资源浪费。因此，开展 通风机设计理论和方法的研究，提出新的更加合理的设计方法使设计计算过程和工 程图纸的绘制过程都计算机程序化，是目前风机行业特别是中、小企业迫切需要解 决的问题。 计算机辅助设计技术的优越性，已越来越被人们所认识。它具有计算准确、修 改方便、设计效率高等优点。目前c a d 技术在风机行业已得到了一定的应用。本论 文进行离心通风机c a d 系统的研究与开发，将离心通风机产品的常规设计转化为利 用现有的先进c a d 平台、成熟的风机设计理论和各种先进的计算机技术( 如面向对 象、数据库和c o m 技术等) ，实现风机产品的快速、自动化设计，可将复杂、繁琐 的风机选型、设计计算及绘图1 1 作转化为计算机程序化过程，从而可以加快设计、 制图的速度，减少出现错误的可能，最大限度地满足用户要求，并能够有效地利用 已有的产品信息资源，减少资源浪费，缩短产品的生产周期，提高生产效率，降低 生产成本及提高风机性能。因而，进行通风机c a d 系统的开发与研究具有现实的必 要性及可行性。 第二章离心通风机技采摘介 第二章离心通风机技术简介 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 化为气体能量的一种机械。 2 1 离心通风机的基本理论 一、离心通风机的分类 通风机中最常用的离心通风机按其升压的大小可分为 高压离心通风机：升压为2 9 4 0 - j 4 7 0 0 n m e ； 中压离心通风机：升压为9 8 0 - 2 9 4 0 n m 2 ； 低压离心通风机：升压为9 8 0 n m e 以下； 二、离心通风机的工作原理 气体在离心通风机内的流动如图2 一l 所示，叶轮3 安装在蜗壳4 内。当叶轮旋 转时，气体经过进气口2 轴向吸入，然后气体约折转9 0 。流经叶轮叶片构成的流道( 叶 道) ，而蜗壳将叶轮甩出的气体集中、导流，从通风机出气口6 或出口扩压器7 排出。 2 7 4 图2 一l 离心通风机简图 l 一进气室 2 一进气口 3 一叶轮 4 一蜗壳5 一主轴 6 一出气口 7 一出口扩压器 工作原理：气体在离心通风机中的流动先为轴向，后转变为垂直与通风机轴的 径向运动，当气体通过旋转叶轮的叶道时，叶轮对气体作功，使气体获得能量，气 体的压力能和动能增加。气体流经扩压器将部分动能转变为压力能，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。 三、离心通风机的驱动 离心通风机最常用的驱动方式是选用交流电动机带动。根据使用要求，如排尘、 4 第= 章蔫心通风抚技术简介 高温、防爆等，则应选用不同类型的电动机。 目前，其传动方式有下列几类： a 一一表示离心通风机无轴承，与电动机直联传动： b 一一表示离心通风机悬臂，皮带轮在轴承之间传动； c 一一表示离心通风机悬臂，皮带轮在轴承外侧传动： d 一一表示离心通风机悬臂，有支撑，联轴节传动； e 一一表示离心通风机双支撑，皮带轮悬臂传动； f 一一表示离心通风机双支撑，联轴节传动。 其中a 、d 、f 三类传动方式的通风机转速等于电动机转速，且随所选电动机而 各异。其余传动方式b 、c 、e 通过调节皮带轮传动比的大小，设计中则可灵活地选 择离心通风机转速。 四、离心通风机的结构 离心通风机主要由叶轮、机壳、迸风口、调节门及传动部分组成。 1 、叶轮是离心通风机的主要部件。通风机叶轮对气体做功使其获得能量，它一 般由前盘、后盘、叶片和轮盘所构成。它们的尺寸和几何形状对通风机性能有重大 影响。离心通风机中叶片与前后盘的联接一般采用焊接或铆接。 2 、机壳由蜗壳、进气口、出气口或出口扩压器、迸气室等组成。蜗壳的作用是 将叶轮流出的气体集中导流，并将气体的部分动能扩压转变为气体的静压能。机壳 通常由普通钢板焊接而成。 3 、进风口是气体进入通风机的接口。气体平稳均匀地充满进口截面，可减少损 失和获得平稳的性能曲线。离心通风机般均应装设进气口，其作用是保证气流能 均匀地充满叶轮进口截面，降低流动损失。评定进气口的好坏，主要是看它使叶轮 进口截面上气流充满的程度而定，其形状设计应尽可能符合叶轮进口附近气流的流 动状况，避免涡流及起其引起的损失。 4 、调节门用来调节通风机进口流量，以满足实际工作的需要。 5 、传动部分是指电动机与通风机传动轴相连接的部分，将电动机的能量传递给 通风机。 五、离心通风机的安装与调节 通风机牢固地安装在坚实的基础上，才能保证运行时稳定可靠。因此基础需要 有足够的重量和适当的尺寸。电动机与通风机晟好安装在同一底架或同一基础上。 否则两者的变形差异，会导致两轴偏心或歪斜，恶化轴承工作或引起振动。足够坚 实的基础能够稳定或缓和机器的振动，维持安全运转。 通风机在使用时，常常发生流量过多或过少的现象。产生这种现象的原因很多， 如果是在使用的过程中发生这种现象，主要是由于使用时管网中阻力时大时小，或 通风机在飞动区( 或称喘振区) 工作的缘故；如果在使用过程中，经过较长时间逐 渐减少，或短时间内突然减少，主要是由于管网阻力。 通风机新安装后，运转时发生流量过多或过少现象，其主要原因有以下几点： 1 、管网阻力实际值与计算值相差过大。 2 、选择时未考虑风机本身全压值偏差影响，当风机全压为正偏差时，则流量增 大；为负偏差时，则流量减少。 风机新安装后，开始运转时或在使用过程中发生流量过大或过小时，可采用下 莓二章毒心通崴执技术简奔 列方法之一消除： ( 1 ) 利用调节门的开闭程度调节流量： ( 2 ) 改变风机的转速调节流量； ( 3 ) 改变管网阻力系数调节流量。 一般都采用节流装置调节流量，但当实际流量比需要流量大很多时，这种方法 浪费电力过多，很不经济。如条件允许，通常采用减低风机转速或调节压力较低的 风机。当调节门全开时，流量仍嫌过小，此时应设法改变管网阻力系数，减小它以 增加流量，也可以增加风机转速和调节压力较高的风机，但风机的最大转速不可超 过性能表上的最高转速。 2 2 离心通风机设计计算 通风机设计分相似设计和理论设计两种方法。相似设计方法简单、可靠，被广 泛采用。若遇到特殊使用要求或设计新系列通风机，需使用理论设计的计算方法。 2 2 1 离心通风机的理论设计 一、方案选择 设计时给定的条件主要有：容积流量q 、全压p 、工作介质及其密度p ( 或工 作介质温度) ，以及结构上的要求和特殊要求等。 对通风机设计的要求大都是： 1 、满足所需流量和压力的工况点应在最高效率点附近； 2 、最高效率值要高效率曲线平坦； 3 、压力曲线的稳定工作区间要宽； 4 、结构简单，工艺性好： 5 、足够的强度、刚度，工作安全可靠； 6 、噪声低； 7 、调节性能好； 8 、通风机尺寸尽可能小，重量轻： 9 、维护方便。 同时满足上述全部要求，一般是不可能的。在气动性能与结构( 强度、工艺) 之间往往也有矛盾，应抓住主要矛盾协调解决。例如： 对大型通风机，一般力求高效率，兼顾结构和： 艺。对小型通风机的要求则相 反。随着通风机的用途不同，要求也不一样，如锅炉用引风机要求有良好的耐磨性； 公共建筑用通风机则要求低噪声，多翼式离心通风机具有此特点。 大流量时采用双吸气，可使通风机尺寸小、重量轻、平衡性好。 叶片型式的合理选择。在一定转速下，后向叶轮的压力系数p 较小，则叶轮直 径较大，而其效率较高。对前向叶轮则相反。 对低比转数通风机，其泄漏损失的相对比例一般较大，应引起注意。 通风机传动方式的选择。传动方式a 、d 、f 三种，通风机转速与电动机转速相 同：而b 、c 、e 三种均为变速，设计时可灵活选择通风机转速。一般对小型通风机 广泛采用与电动机直联传动方式a ，对大型通风机，因皮带传动不适，多以传动方式 d 、f 传动之。对高温、多尘条件下，传动方式还要考虑电动机、轴承的防护和冷却 6 第= 章离心逯最机技术裁夼 问题。 蜗壳外形尺寸应尽可能小。对高比转数通风机，可采用缩短的蜗形，对低比转 数通风机一般选用标准蜗形。有时为了缩小蜗壳尺寸，可选用蜗壳出口速度大于通 风机进口速度方案，此时采用出口扩压器以提高其静压值。 二、设计步骤 1 、根据给定的设计参数，如流量q ，压力p ，介质及其进口状态等要求，依式( 2 - 1 ) 求其比转数n ，： 一翌： 5 d 2 p ) - ； 9 ( 2 1 ) n 一一叶轮转数( 转分) ，设计时如未给出要求，可初步选定。依比转数之值可 大致确定通风机类型及叶片型式。一般有： n ，= 2 7 1 2前向叶片离心通风机 以= 3 6 1 6后向叶片离心通风机 n 1 6 1 7双吸入或并联离心通风机 刀= 1 8 3 6轴流通风机 2 、初步选定叶片出口安装角履。据沈阳鼓风机研究所实验统计资料：机翼型 叶片，反。= 4 5 4 7 。时效率最高；压力系数p 与叶片出1 2 1 角屈成线形关系，如图 2 2 所示。 图2 - 2f f , j 7 系数p 与叶片出口角厦的关系 3 、以所选2 值由图查得p 值，依式 妒岳，眺 般有： p = o 3 - o 4 强后向叶片 p = o 4 o 6 后向叶片 ( 2 - 2 ) 计算叶轮圆周速度“2 大小 ( 2 2 ) 7 繁二章离心适飘机技术简舟 p = 0 6 0 7 径向叶片 = 0 7 1 2前向叶片 4 、确定叶轮外径d 2 及圆周速度“2 大小 d 2 - 6 0 u 2 ，m ( 2 3 ) 删 2 菁，州5 ( 2 - 4 ) n - - - - 叶轮转数 5 、根据叶道中损失为最小的原则，依式( 2 - 5 ) 计算叶片进口直径d 1 大小 鲁_ 1 1 9 43 、= q s ， 舯卜一繇热驴去 4 d 2 一一叶轮外径。 上式适用于后向、径向和西 。3 的前向叶轮，鲁值 可直接在0 8 0 0 9 5 范围内选取。 6 、确定通风机进口直径d o 大小 考虑分离影响，一般要求叶片进口稍有加速，常取： d 1 = ( 1 o 1 0 5 ) d o ，m 7 、决定叶片数z ，并合理圆整之 z 8 5 巷 ( 1 一 ) 8 、确定叶片进出口宽度b l 、b 2 对于后向叶轮，大都采用锥形或弧形前盘，一般以，。值大小依经验公式选取 垒值，计算出叶片出口阻塞系数f ，依下式求b ，值大小 “2 而其叶片宽度为 b 2 一q d 2 4 f 堕 “ 6 1 。b 2 d 2 一 d 纂二章离心通风机技术德彳卜 取 对于前向叶轮，其叶片进口宽度，当其比转数n s = 4 5 1 1 7 时，按下述范围选 旦：o 2 5 o 3 5 时，l = 0 2 5 o _ 3 5 时， d 2 拿砘3 5 0 5 时 l = 0 3 5 0 时 d ， 6 ，：( 1 2 1 5 ) 旦 4 6 ：( 1 5 2 o ) 旦 4 旦) o 5 时，五：( 2 o 2 5 ) 堕。 d ，4 若是采用平直前盘，则 b 2 = b l ，m 若是采用锥形前盘在一定的? ：一f 其前盘倾斜角p 不宜过大，根据下表选取 口值，求得b 2 值。 日a 2 o 3 0 4 5 0 4 5 o 5 5 o 5 0 目 2 0 2 5 1 6 6 17 6 单级双进气或并联离心通风机 n 。= 18 3 6 轴流式通风机 在设计参数给定时，可先计算比转数，再根据比转数的大小决定采用哪种类型 的通风机( 离心式、轴流式或回转式等) 。 ( 二) 比转数的大小可以反映叶轮的几何形状 比转数是压力系数及流量系数的函数，一般讲，在同一类型的通风机中，比转 数 ，越大叶轮的出口宽度b 2 与直径d 2 之比就越大，即叶轮出口相对宽度b 2 d 2 大： 比转数越小，流量系数愈小，则相应叶轮的出口宽度与其直径d ，之比就愈小。 鳊了彤 i i 酽了 胛 第二章毒心通a 机技术简舟 2 2 2 4 相似设计 一、相似设计原理 所谓相似设计是根据两个相似的通风机，其比转数必然相等的原理进行设计的 方法。若用户以给定设计参数：流量q 、全压p 、工质等，首先计算出比转数的大小， 然后在已有经过试验或长期运行考验的性能良好的通风机中，选择一个比转数相同 或接近的通风机作为模型机器，再将模型机器的几何尺寸放大或缩小得到新机器的 几何尺寸。 二、设计步骤 ( 一) 根据用户给定的流量压力气体状态，将它换算为标准状态下 ( p 27 6 0 m m h g 2 1 0 1 3 2 5 n m 2 ，t = 2 9 3 k ，p 2 1 2 k g m 3 ) 的流量及全压。 ( 二) 比转数的确定，可分为以下几种情况： 1 、首先选取转数，如通风机与电动机为赢联传动，那么通风机的转数只能根据 电动机的转数选取，由选取的转数n 及换算好的流量q 、全压p 来计算转数n 。，最后 找出比转数相等或接近的模型机器。 2 、先选择模型通风机，由模型通风机的比转数t , t 。及换算好的流量q 全压p 计算 出所需要的转数。 3 、当遇到比转数过小而又不能用回转式风机时，或者比转数过大又不能用轴流 式风机时，可用单进气取级离心式通风机或单级双进气离心式风机，其比转数分别 按下式计算： 单进气双级离心通风机的通风机： 单级双进气离心通风机： 小。譬：2 、3 。：o 5 9 5 r p - ( 三) 确定比转数后，根据模型的无因次性能曲线找到最高效率点的压力系 数p 、流量系数q 、全压效率r l 值。 ( 四) 由p 、j p 及p 值，根据下式确定圆周速度 ( 2 1 ) ( 五) 确定几何比例常数m ， 由圆周速度“：及转速n 可求得叶轮外径d 2 ( 或d f ) 2 叫压 ，学 卸 压 1 1 第二章离心通观执技术镄奔 d ，：堕 册 设模型风机的叶轮外径为d 2 ，则实物与模型的几何比例肌，为 ( 2 3 ) 将模型机器的几何尺寸乘以m ，就得到实物机器的几何尺寸。 ( 六) 进行通风机的结构设计，并验算零部件的强度。 ( 七) r 。修正 当实物的雷诺数与模型数相差两倍以上时，可按下面的近似公式对实物的全压 进行修正： p = p + r 1 一 ) 置( 盈坠一1 ) p ，7 ， 式中p 一一不考虑r 。数影响时由相似换算得到的实物全压 p 一一考虑r 。数影响时由相似换算得到的实物全压j m ，一一实物与模型的直径比； m 。一一实物与模型的转速比； r 一一模型的内效率： r 。一一模型的容积效率，反映泄露损失 7 7 。一一模型的轮盘摩擦效率，反映轮阻损失的大小； k 一一系数，在0 3 0 6 范围内，后弯型叶轮k 比前弯型大，高比转数风机k 比低比转数的大。 用相似设计法设计通风机，其方法比较简单可靠，在新通风机的设计过程中， 不需要重新进行性能试验，而且机器能在满足设计要求的高效率运行。因此相似设 计在通风机设计中被广泛采用。 生 = m 工帆 第三章离心通孔枫c a d 系统曲彗掬 3 1 概述 第三章离，b 通风机c a d 系统的结构 目前已有的离心通风机c a d 系统软件都存在一些不足之处，有的是在以前d o s 环境中开发的，使用不方便；有的虽然是在w i n d o w s 环境中开发，但功能较为单一， 尚存在这样或那样的问题，如不能参数化绘图、人机交互性不强及不能解决风机曲 线图的程序化问题等。因此开发一套功能齐全、操作方便、界面友好的风机选型、 设计及绘图的通风机c a d 系统是很有必要的。 该系统在w i n d o w s 操作系统中，利用功能强大、面向对象的v i s u a lb a s i c ( 简称 v b ) 可视化编程软件，开发了离心通风机的计算机辅助设计及选型软件系统。以目前 广泛使用的计算机绘图软件s o l i d w o r k s 为基本平台，开发了通风机主要零部件( 蜗 壳、叶轮、轮轴、进风口等) 的参数化设计绘图软件，实现了风机的选型、设计计 算与参数化绘图功能为一体的通风机c a d 系统。 根据系统的特点，程序采用模块化设计，总体结构是由五大模块构成。各模块 相互独立，整个系统由参数初始化模块、通风机选型模块、通风机改型设计模块、 参数化绘图模块及无因次性能曲线程序化模块几个部分组成，每个模块又包括若干 个子模块。每一模块都可以独立地被调用，使程序结构清晰、易读性强和便于扩展， 提高了程序的质量和效率。 3 2 离心通风机c a d 系统的基本功雒和要求 在开展离心通风机c a d 系统的具体研究工作之前，必须明确该系统具有的功能 和要求，这样才能为后续工作指明方向。离心通风机c a d 系统应该包括从原始参数 输入到离心通风机装配图和零部件图输出的全过程，主要有以下几部分： ( 1 ) 根据原始参数选型； ( 2 ) 选择设计方法并进行计算； ( 3 ) 查询数据库； ( 4 ) 离心通风机结构的参数驱动： ( 5 ) 无因次性能曲线程序。 3 3 离心通风机c a d 系统中的软件系统 离心通风机c a d 系统中软件系统包括系统软竹、支撑平台和应用软件三大类： 一、系统软件 包括计算机操作系统软件、高级语言编程软件、运行管理软件等。 在设计中编程环境的选择并不很重要，在w i n d o w s 平台下，v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c 、b o r l a n dc + + 等可视化编程软件都可以很方便地调用s o l i d w o r k s 的功能，并 第三章离心适风抵c a d 系统曲结搀 且设计出友好的程序界面。在这里选择v i s u a lb a s i c 作为编程语言，因为v b 相对 简单，易于掌握和应用，编程轻松，程序理解也容易。 二、支撑平台 它是建立在系统软件基础之上，支撑离心通风机c a d 系统所需的基本虑用软件。 它是建立开发离心通风机c a d 系统所需的应用软件平台，可以缩短应用软件的开发 周期，减少应用软件开发的工作量，使应用软件更加靠近国际标准，提高应用软件 的水平。它主要包括绘图软件和数据库管理软件等。 ( 一) 绘图软件 在众多的三维机械设计软件中，本系统采用了s o l i d w o r k s ，这是因为s o l i d w o r k s 公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理开发和营销的跨国公司， 其软件产品s o l i d w o r k s 自1 9 9 5 年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极 大地提高了机械设计工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它 的市场地位，成为三维机械设计软件的标准，在全球拥有近3 0 万用户。 s o l i d w o r k s 可充分发挥用三维工具进行产品开发的威力，它提供从现有二维数据 建立三维模型的强大转换工具。s o l i d o r k s 能够直接读取d w g 格式的文件，在人工干 预下，将a u t o c a d 的图形转换成s o l i d w o r k s 三维实体模型。另一方面，s o l i d w o r k s 软件对于熟悉w i n d o w s 的用户特别易懂易用，它的开放性体现在符合w i n d o w s 标准 的应用软件，可以集成到s o l i d w o r k s 软件中，从而为用户提供一体化的解决方案。 s o l i w o r k s 功能概述 s o l i d w o r k s 机械设计自动化软件是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，该 软件完全采用w i n d o w s 图形用户界面，易学易用。利用s o l i d w o r k s ，可以创建完全 相关的三维实体模型，设计过程中，实体之间可以存在约束关系，也可以不存在约 束关系：同时，可以利用自动的或用户定义的约束关系来体现设计意图。 s o l i d w o r k s 的主要特点： 口基于特征 正如装配体是由许多单独的零件组成一样，s o l i d w o r k s 中的模型是由许多单独 的元素组成，这些元素被称为特征。 在进行零件或装配体建模时，s o l i d w o r k s 软件使用智能化的易于理解的几何体 ( 例如凸台、切除、孔、筋、圆角、倒角和拔模斜度) 建立特征，特征建立后就可 以直接应用到零件中。 s o l i d w r k s 中的特征可以分为草图特征和麻用特征。 草图特征：基于二维草图的特征。通常该草图可以通过拉伸、旋转、扫描或 放样转换为实体。 应用特征：直接创建在实体模型上的特征。例如圆角和倒角，这两种特征就 是直接使用现有模型的边或面而建立的特征。 s o l i d w o r k s 软件在一个被称为f e a t u r e m a n a g e r 设计树( 特征管理器设计树) 的特殊窗口中显示模型的基于特征的结构。f e a t u r e m a n a g e r 设计树不仅可以显示特 征创建的顺序，而且还可以使用户很容易地得到所有特征的相关信息。 口参数化 用于创见特征的尺寸与约束关系可以被s o l i d w o r ks 记录存于设计模型中。这不 仅可以使模型充分体现设计人员的设计意图，而且还能够快速而容易地修改模型。 2 4 第三章高心遵飘帆c 怕系统曲结拽 驱动尺寸：驱动尺寸是指创建特征时所用的尺寸，包括与草图几何相关的尺 寸和与特征自身相关的尺寸。 几何相关：几何关系是指草图几何体之间的平行相切同心等信息，以前这类 信息是通过特征控制符号在工程图中表示的。通过草图中的几何关系，s o l i d w o r k s 可以在模型设计中完全体现设计意图。 口实体建模 实体模型是c a d 系统中所使用的最完全的几何模型类型。它包括了完整描述模 型的边和表面所必需的所有线框和表面几何信息，除了几何信息外，它还包扩了把 这些几何体关联到一起的拓扑信息。一个拓扑的例子是：哪些面相交于哪些边( 曲 线) 。这种关系使一些操作变得很简单，例如圆角过渡，只需选一条边并指定圆角的 半径值就可以完成。 口全相关 s o l i d w o r k s 模型与它的一：挥图及参考它的装配体是全相关的。对模型的修改会 自动反映到与之相关的工程图和装配体中。同样，设计人员也可以在工程图和装配 体中进行修改，这些修改也会自动反映到模型中。 口约束 s o l i d w o r k s 支持约束，例如平行垂直水平竖直同心和重合这样的几何关系。此 外，还可以使用方程式来建立参数之间的数学关系。通过使用约束关系和方程式， 设计人员可以保证设计过程中的设计意图。 口设计意图 在s o l i d w o r k s 中，关于模型被改变之后如何表现的计划称为设计意图或设计思 路，也可以认为设计意图是实际工作的设计要求。设计过程中，使用什么方法来建 立模型，决定于设计人员将如何体现设计意图，以及体现什么类型的设计意图。 口自底向上的装配体建模 自底向上的装配体建模是通过加入已有零件并调整其方向来建立的。零件在装 配体中以零部件形式加入，在零部件之间建立配台关系可以调整它们在装配体中的 方和位置，配合关系是零部件的表面或边与平面、其它平面或边的约束关系。 在装配体文件中，同样使用f e a t u r e m a n a g e r 设计树来控制和管理零部件，但装 配体的f e a t u r e m a n a g e r 设计树比零件的f e a t u r e m a n a g e r 设计树具有更多的符号、 前缀和后缀，它们提供关于装配体和其中部件的信息。用配合来使零部件相对与其 它部件定位，配合关系限制了零部件的自由度。就像在装配中添加零件一样，可以 在装配体中加入其它的装配体，作为当前装配体文件的子装配，系统把子装配当作 一个几何来处理。可以对整个装配体进行质量特性计算，也可以进行静态和动态干 涉检查；可以在装配体中编辑单独的零件，也就是说可以在装配体中改变零件的尺 寸值。通过选择部件并移动其方向和距离，可以建立装配体的爆炸视图。装配体可 在正常视图和爆炸视图之间切换。建立爆炸视图后可以对其进行编辑，还可以将 其引入二维工程图中。 口绘图智能帮助 s o i d w o r k s 的智能绘图工具，在l ：作时间内提供极大的帮助。智能草图在绘草 图时，通过自动推理设计意图，并应用儿何关系简化绘图。移动光标时，自动反馈 标注元素的几何关系。若需准确值，草图相关点将以动态的方式测量距离和角度。 口c o s m o s x p r e s s 设计分析，1 二具 s o l i d w o r k s 为用户提供了初步的应力分析_ 1 ：具- - c o s m o s x p r e s s ，利用它可以帮 第三章离心适a 机c a d 系统的结擒 助用户判断目前设计的零件是否能够承受工作环境下的载荷。c o s m o s x p r e s s 是 c o s m o s w o r k s 产品的一部分。 c o s m o s x p r e s s 利用设计分析向导为用户提供了一个易用的、一步一步的设计分 析方法。向导要求用户提供用与零件分析的信息，如材料、约束和载荷，这些信息 代表了零件的实际应用情况。 为了对模型进行分析c o s m o s x p r e s s 会自动对模型进行网格划分，既将整个模 型细分成更小的、更易于分析的块，这些块称为元素。尽管用户看不到模型中划分 的元素，但可以在分析零件之前设置网格划分的精细程度。可以指定不同的方式查 看分析的结果，如安全系数、应力分布和变形形状。 口渲染 s o l i d w o r k s 的渲染工具，为你与你的设计之间的有效交流提供了方便而真实的 写照。你可以快速的完成高品质的s o l i d w o r k s 零件和装配体渲染功能，用于演示、 设计、查询、销售或其它目的。s o l i d w o r ks 具有特殊效果的渲染造型包括彩色、光 源、阴影、背景图片、透明、反走样、反射和纹理。三种渲染选项包括隐藏线和真 正的光线追踪。虚拟工作室同样也提供了漫游效果的生成。只需产生追踪路径，并 以a v i 格式保存。 口s o l i d w o r k s 用户界面 s o l i d w o r k s 应用程序包括多种用户界面工具和功能，以帮助你高效率地创建和 编辑模型。这些工具和功能包括： w i n d o w s 功能 s o l i d w o r k s 应用程序包括熟悉的w i n d o w s 功能。例如拖动窗口大小等等。许多 相同的图标，例如打印、打开和保存、减切和粘贴等，也都是s o l i d w o r k s 应用程序 的一部分。 s o l i d w o r k s 文档窗口 功能选择和反馈 s o l i w o r k s 应用程序允许你使用不同方法执行任务。当你执行绘制实体的草图或 应用特征时，s 0 1 i d o r k s 应用程序还包括提供反馈。反馈包括指针、推理线和预览 等。 ( 二) 数据库管理软件 离心通风机c a d 系统是一个信息分析、处理和传递的过程。在离心通风机的设 计过程中，需要对大量的数据进行处理和操作。其中有静态数据和动态数据，静态 数据主要有标准的设计数据、状态参量、图形文件的存储位置以及重要的风机几何 形状尺寸。动态数据主要是指设计结果以及各个系统之间的数据信息交换。数据管 理是离心通风机c a d 系统中的一个非常重要的问题。有些c a d 系统利用利用操作系 统的文件管理功能来管理设计过程中的数据。各种标准数据均以数据文件的形式存 放在磁盘上。各模块之间的数据交换也利用数据文件。 使用文件系统管理信息的优点是简单易行，只要利用操作系统的功能就可以实 现，不需要附加的管理软件。但是文件系统的缺点是不能一一记录以数据项为单位 的共享数据，增加了添加新数据和删除旧数据的困难。为了克服这些不足，人们开 发了数据库技术。 采用数据库技术进行管理设计时，数据按一定的结构存放在数据库中，并且采 用数据管理系统进行统一管理。数据管理系统提供了各种管理功能，例如存放、删 第三章离心通风规? c a d 系统酶雏扮 除、查找数据等，还可以完成各种数据操作。 数据库系统有如下优点： 编制应用程序时不需要考虑各种标准数据的管理； 数据独立于程序，数据存储的结构变化不会影响应用程序； 减少数据的冗余，提高了共享程度； 保证了数据的致性； 便于维护、修改和扩充， 数据库按数据的组织方法分为三个大类：( 1 ) 层次模型；( 2 )