智能抽油烟机系统设计.docx

第一章 绪论摘要 现代厨房一般都离不开煤气灶和抽油烟机(通风设备)，一旦使用煤气灶，则一定会产生油烟、水汽与乙烷等影响厨房空气环境的混合气体，为了健康生存的需要，往往用通风设备如抽油烟机来改善充满油烟气的厨房环境本论文即针对厨房产生的烟雾设计相应的抽油烟机. 论文首先介绍抽油烟机的概念、结构、工作原理等方面，对抽油烟机产品在日常生活所起到重要作用。 11 油烟的危害厨房是家庭中空气污染最严重的空间，其污染来源主要有两方面；一是以煤、煤气、液化气常用炊火中释放出的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体；二是烹饪菜肴时产生的油烟。现在时尚的厨房装修多采用开放式设计，但制作中餐的进程会产生较大的油烟，开放式的厨房，空气流动范围较大，油烟机不能很好地聚敛排放油烟，这就造成了餐厅和客厅的油烟废气污染。油烟是健康、环保的大敌 ，中餐一直以美味著称于世，然而厨房油烟成分复杂-含有200-300种有害物质，是家人健康的大敌。我国妇女很少吸烟、酗酒，可是她们却很容易衰老，这是什么原因呢？医学家发现，这与她们天天在厨房里炒菜时吸入的油烟有关。通过动物试验发现，厨房的油烟油雾中含有致癌物质，可导致细胞染色体畸变。这些物质通过口腔进入消化道，或通过呼吸进入肺部，都可引起相应部位的病变。油烟、醉油加上烯料的污染，可以说，厨房是家庭污染的“重灾区”，也是家庭的“化工厂”。作为“重灾区”的指挥员、“化工厂厂长”的家庭主妇，不可避免地要遭受到这睦来自厨房的污染物的袭击。这是家庭主妇容易衰老和多病的原因之一。油烟对人体的伤害：对妇女：油烟中含有致癌物苯并芘 ，长时间吸入油烟一是人体组织发生病变，长期接触油烟的40-60岁女性患病的比例将增加几倍。皮肤粗糙有皱纹、掉头发、色斑、发胖 油烟颗粒堵塞皮肤毛孔，导致女性皮肤粗糙干燥、出皱纹、色斑，使人更易发胖，油烟可损伤体内免疫系统，有5年下厨经历，便会有不同程度脱发。对儿童：对儿童的危害巨大 小孩吸入油烟则会引起眼、鼻、呼吸道病变、影响正常的生长发育，少年儿童正处在长身体的阶段，油烟的污染是少年儿童容易患上结膜炎、鼻炎、咽喉炎、气管炎、肺炎等疾病，严重危害孩子的健康成长。对老人：更易引发老年病，油烟中的脂肪氧化物会引发心血管、脑血管疾病，尤其是老年人长年累月的油烟熏呛，更易患病。 对家庭：油烟入侵呼吸道，可引起食欲减退、心烦、精神不振、疲乏无力等症状；医学上称为油烟综合症。油烟主要成分丙烯醛对眼、鼻、咽喉黏膜有强烈的刺激，可引起慢性角膜炎、鼻炎、咽喉炎、气管炎、肺炎等疾病，另外油烟中有74种化学物质，能使细胞发生变化，导致不育成为家庭杀手。厨房被油烟熏的脏兮兮、擦洗厨房成了极大的负担，一身的油烟味难闻死了。最好方法是去除油烟。1.2 油烟机、发展及评定抽油烟机简介抽油烟机又称吸油烟机，是一种净化厨房环境的厨房电器。它安装在厨房炉灶上方，能将炉灶燃烧的废物和烹饪过程中产生的对人体有害的油烟迅速抽走，排出室外，减少污染，净化空气，并有防毒、防爆的安全保障作用。抽油烟机已成为现代家庭必不可少的厨房设备。抽油烟机进入中国普通家庭厨房的时间还不是很长。早期的家庭厨房排烟工作都是由排风扇来完成的。排风扇虽然能排除掉厨房中的大部分油烟，但是它却无力解决烹饪中产生的油烟对整个厨房污染。烹饪中产生的油烟含有很多对人体有害的物质，如果人长期在充满油烟的房间内工作，可导致很多疾病的发生。 对于中国人来说，膳食结构与西方人不同，所以厨房中从厨具的品种、样式到布置，都与西方国家都有很大的不同。中国是一个讲究美食的国度，在食品加工中，煎、炒、烹、炸占有很大的比例，因此中式厨房中的油烟很大，容易使厨房环境变得油腻而不好清洗，所以抽油烟机就成了改变厨房环境的一个“有力武器”。它改变了厨房的大环境，减少油烟对厨房环境和人体健康造成伤害。抽油烟机可谓是厨房的“肺”。 抽油烟机历史中国第一台抽油烟机是我国商务部在德国慕尼黑商品博览会上引进由帅康生产，当时引进的是技术和产品的外观。但没有结合中国人的自己的烹饪方式生产。外国家庭烹饪主要强调保持蔬菜的营养和原汁原味，基本采用蒸煮煎炸烹饪技巧不会产生多大的油烟。而中国人强调的猛火爆炒会产生大量的油烟。抽烟烟机是利用热气上升的原理设计。 通过油网过滤但不达到100%过滤油烟。一、我国吸油烟机发展的历史沿革在二十世纪七十年代末期，我国五金行业内的科技情报工作者根据掌握的国外信息就提出了在我国开发吸油烟机的建议。限于当时各方面条件的制约，国内无一厂家开发这种产品。直到1984年7月，上海桅灯厂根据掌握的实物情报（台湾产吸油烟机样机）试制成功了我国第一台外排式吸油烟机，同年12月投入生产，当年产量为629台。上海成为我国最早开发和生产吸油烟机的地区。杭州铰链厂也曾在1984年开始试制吸油烟机，但当年未投入生产，也是最早开发和生产吸油烟机的厂家之一。1985年，深圳沙头角粤海家电五金总厂、上海航海仪器厂、哈尔滨不锈钢制品厂、哈尔滨市炬光制灯厂、广州五金工具厂、武汉日用五金研究所等单位也开始试制吸油烟，但只有哈尔滨不锈钢制品厂当年投产。这样，1985年正式投产的有上海桅灯厂、杭州铰链厂、哈尔滨不锈钢制品厂，共计生产15900台，应该说是我国吸油烟机开始投入批量生产的第一年。1986年，杭州余杭红星五金厂（即现在的老板牌吸油机的诞生地），北京厨房设备厂、大连电风扇厂、上海新峰家用五金厂、东海微电机厂、广州洗衣机厂、广东开平三埠家用电器一厂等厂家也争相加入到开发吸油烟机的行列，但当年未投入批量生产。实际上，1986年只有6家企业批量生产，总计年产量为10.26万台，但发展势头之猛可见一斑。1987年，我国吸油烟机生产企业一跃发展到52家，年产量也增加到37.4万台。其中，广东省产量比1986年增长7倍，上海产量比1986年增长10.3倍，哈尔滨产量增长1.9倍。1988年，我国吸油烟生产企业发展到76家，年产量达134.81万台。1989年，仅上半年我国吸油烟机产量就达到86.1万台。但六月份之后，受国家经济形势的影响，吸油烟机的生产销售出现了突然下滑的局面。但是，吸油烟机的发展并未因此因而止步，重点生产企业转而调整产品结构，改进产品质量，从而促进了吸油烟机产品质量和功能的完善和提高。1990年，据对31个主要生产吸油烟机厂家的统计，年产量为152.2万台，据称，全国吸油烟机在1990年的产量约为400万台。1991年，仅据重点吸油烟机生产企业计划产量统计，为302万台，实际产量应该突破400万台大关。 选择抽油烟机首先要选择排烟率高的。厨房油烟对人体的呼吸系统会产生伤害，有资料显示，我国因呼吸系统疾病而死亡者占各类死亡原因的首位，煤烟型氟中毒，砷中毒已成为某些地区居民的地方病。安装抽油烟机的目的就是为了在烹饪中抽走油烟，减少室内污染，因此在选择机型时首先就要选择排烟效率高的。 其次，要选择负压大的。因为抽油烟机的负压越大，吸烟能力越强。如您所述，目前市场上的抽油烟机分为平板式、半深型、深型和柜式等类型，它们因结构的不同产生的“负压区”也不同，大多数深型抽油烟机的负压区域约为0.14立方米，其排烟效率为60左右，柜式抽油烟机的负压区域约为0.32立方米，排烟效率大于95。但由于柜式油烟机采用了三面封闭的形式，所以在外观上没有吊挂式显得豪华。 要选择各项技术指标符合国家标准的。目前全国生产抽油烟机的厂家400余家，其中有些是十几个人组成的小作坊式的生产厂，一些产品没有经过国家权威部门认证。因此消费者在选择时一定要注意选择产品质量有保证的产品。 抽油烟机分类分为三种：一是中式烟机，二是欧式烟机，三是侧吸式。中式烟机主要分为老式浅深吸式抽油烟机，尤其是浅吸式为主要淘汰的对象。就是普通排气扇，是直接把油烟排到室外。深吸式烟机最大的问题是占用空间，噪音大，容易碰头，滴油 油烟抽不干净，使用寿命短，清洗不方便，对环境污染大。品牌众多二种是欧式烟机，利用多层油网过滤5-7层，增加电机功率以达到最佳效果，一般功率都在300瓦以上。特点是：外观漂亮，价格昂贵，费电。油网清洗不方便，容易碰头，滴油。以老板方太为代表三是侧吸式油烟净化器。利用空气动力学和流体力学设计，先利用表面的油烟分离板把油烟分离再排出干净空气的原理。它的特点是抽油烟效果好抽油烟效果都在99%以上。不滴油不碰头，隐藏在橱柜里与橱柜融为一体，不占空间。电机不粘油使用寿命长，清洗方便。省电一般在160瓦。油烟不通过呼吸区保证主妇的身体健康。排出干净空气不污染环境。 抽油烟机评定评定油烟机的好坏应有以下四个标准： 1、能否把厨房油烟完全抽干净 2、能否把油和烟分离，让风机得到有效的保护 3、清洗是否轻松方便 4、是否省电并长期保持超强功效 用上面四个标准来审视传统抽油烟机自然就知道了这么多年来抽油烟机行业无法让人满意的原因了。 第一，传统抽油烟机都是吊顶设计，安装高度一般在700mm左右，而其主流机型的风机功率大都在200250W之间，故其有效抽吸半径大致在400mm 左右，因而锅面完全在它的风机抽吸范围之外，这样油烟从锅面一产生自然就会四处漫延。要想抽干净，从空气功力学的原理上讲，它只有把高度降下来，让其抽吸的有效半径将锅面覆盖住，自然也可实现99%的抽吸效果，但这显然又无法炒菜了，仔细剖析后不难发现，这种吊顶式设计就是传统烟机抽不干净的根本原因。 第二，传统油烟机在油烟过滤方面，都是采用滤油网方式。有一层、二层或多层，滤孔有方形、菱形、圆形等，目的是寄希望通过滤网把油烟挡住，但从这么多年的使用情况来看，这种解决方案的效果非常差，有一著名品牌宣传资料就坦诚告之：滤网即便小到0.01平方厘米时，仍有37%的油烟挡不住，而现在市面多数烟机的滤网孔均在0.04平方厘米左右，因而几乎就是直接排放了，其结果就是污染烟机内壁，造成风机叶轮大量不均匀积油，风机转动失去动平衡，故而抽吸效果自然就越来越差，其机械噪音也就越来越大。总之没有有效的净化功能是传统烟机功效快速下降直第三：由于其吊顶设计的缺陷及欠缺有效的净化手段，为保证短期内的抽吸效果，其功率一般都较高（主流机型均在200W250W之间），显然非常耗电。 第三，由于没有有效的净化手段，致使风机及机器内腔大量积油，清洗非常困难，一般需要专业人员才能完成，有时清洗后效果反而更差，费时又费力。 反观火能环保抽油烟机（油烟净化机），由于采用了专利的弧形简约外观设计及旋流技术，侧面进风，低位安装，巧妙地在不占用用户炒菜操作空间的前提下，将进风口大大降低，只抽油烟，不抽火苗，经广州日用电器检测所抽样签定，实现了99%的抽吸效果，同时专利的线型双面旋流分离器经二次油烟分离实现了90.5%的净化效果，从而风机得到有效保护，整机寿命自然大大延长（一般是传统烟机的两倍），高效节能，整机功耗大大降低，最大功率为 180W（弱档只有120W）比传统烟机省电20-30%，为此已获得“中国节能产品认证证书”。并且机器内壁及风机无需拆洗，左右分离器可方便的取下，清洗工作普通家庭人员都可胜任，方方便便，轻松自如 中国抽油烟机行业中国抽油烟机行业经过20多年的发展，已成为一个较成熟的产业。与其他家电产品相比较，这一产业处于一个相对激烈的竞争环境里，以珠江三角洲和长江三角洲为代表的各大抽油烟机生产企业占据了国内抽油烟机市场上的主要份额。2006年1-12月全国抽油烟机累计产量为10,898,703台，与2005年同期相比增长了45.74%。2007年1-12月中国抽油烟机企业继续保持稳定的增长势头，2007年1-12月全国抽油烟机累计产量为10,898,703台，与2006年同期相比增长了45.74%。2008年上半年，尽管受到雪灾、地震、洪涝等自然灾害影响，但我国抽油烟机市场仍然出现了价格、销量双双上涨的形势。 中国抽油烟机工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是抽油烟机行业标准不规范，科研开发能力弱，技术提升缓慢，环保能效低，安全问题和污染问题严重等制约了行业的进一步发展和品质的提高。因此，中国抽油烟机企业必须抓住新的发展形势，加大科技创新，提高技术含量，加强售后服务水平，打造有效推广策略，对抽油烟机行业的国家标准进行统一规划，注重环保要求，这也是行业未来发展的必然选择。而在全球金融危机和经济增速放缓的背景下，小家电却在整体增速下滑的国内家电业中独树一帜。08年国内从事小家电的企业前三季度销售额均出现大幅增长。 多翼离心风机的设计设计原理：根据给定的设计要求和数据，通过空气动力学计算确定出结构上的各种数据。然后进行校验。此种方法需经过复杂的计算，需掌握较多的空气动力学知识，并借鉴大量的经验公式。可以得到较为精确的设计数据，有利于减少设计误差。但耗时较长，与设计人员的能力与相关知识有很大关联，所以不用在同类风机的设计中。而是在设计新型号的风机中使用。要求：风机转速n=1200r/min，流量qv=480m3/h,风机全压ptf=242Pa，标准进气状况=1.2kgm3。采用双吸入。1. 叶轮气动设计（1） 确定比转速ns与通风机类型通风机设计流量Q Q=qv3600=4803600=0.133m3/s初取转速n=1200r/min，要求双吸入则比转速ns为： ns=5.54n（Q2）1/2ptf3/4=5.5412000.25861.37=27.94查通风机实用技术手册商景泰主编（如未说明以下均查此书）查得ns=27.94属于前向叶轮离心通风机，设计成双吸多翼式叶轮是合理可行的。（2） 估计圆周速度2查书多翼离风机的全压系数t=23，选择t=2u2=2ptFt=22421.22=14.2 m/s（3）确定叶轮外径D2及圆周速度2D2=60u2n=6074.452900=0.49 m取D2=0.5m，则u2nD260=29000.560=75.9m/st=ptF12u22=5300121.2575.92=1.7参考“全压系数与出口角推荐范围” t=1.61.8，2A=110135；所选t=1.7，2A=126合适（3） 确定叶轮进口直径D0和叶片进口直径D1前向叶轮应尽量充分考虑各项损失D0=3.256i+r+imp2imp3QV0n0（1-d2）根据13-5【1】，轴向自由进气，选择进气装置损失系数i=0，拐弯处损失系数为r=0.2叶道损失系数imp=0.4。对于前向叶轮，叶轮进口速度的变化系数 （叶道入口前子午线速度与叶轮入口轴向速度之比）应取较大值，选取 =0.65；采用锥弧形集流器，叶轮入口截面气流充满系数0=1；取容积效率v=0.93；叶轮入口为无阻碍结构，故轮轴比d=0。带入上式，得：D0=3.2560.2+0.4+0.6520.430.94429000.93=0.267m确定D0=0.25m 取D1=D0=0.25m，（4） 确定b1与进口叶片角2Au1=D1n60=0.25290060=37.96 m/s根据式（3-15a），自由进气b=0，取叶道入口界面气流充满系数1=0.91b1=1o1-d21DO4=10.6510.910.254=0.1056 m由式（13-7b），进入叶道前的子午速度c1m=Qv1D1B1V=0.9440.910.250.10560.93=13.44 m选择冲角i9，估算进口叶片角1A=arctanc1mu1+i=arctan13.4437.96+9=36.5取1A=38（5） 确定叶片数Z Z=8.5sin2A1-D1D2=8.5sin381-0.250.5=10.4高压离心风机一般叶片数Z=1016，所以确定Z=10（6） 确定叶片出口宽度b2根据（13-28）b2=b1kcmD1D212取kcm=0.64，2=0.91，则b2=0.10560.640.250.50.910.91=0.08 m取b2=0.8（7） 验算全压ptF有限叶片数理论全压pth：叶片无穷多时，根据欧拉方程，计算通风机理论全压pth=u22（1-C2mu2cot2A）其中C2m=QVb2D2=0.9440.80.5=7.51 m则pth=1.275.921-7.5175.9cot126=7409.9 m/s按B.Eck公式计算滑移系数=1+11.5+1.12A90Z1-D1D22=1+11.5+1.13890101-0.250.52=0.8593考虑有限叶片数影响，理论全压为pth=pth=7409.90.8593=6367 Pa泄漏量Qf与容积效率v：集流器与前盘的间隙r=0.0005，间隙边缘系数=0.7，根据（4-26）估算泄漏量Qf=D1ru22t31/2=0.250.000575.921.7312=0.0168 m2/s考虑泄漏量后的理论流量Qth=Qv+Qf=0.944+0.0168=0.9608v=QvQth=0.9440.9608=0.978叶道入口及出口速度：叶道入口前速度c1m=QthD1b11=0.96080.250.10560.91=12.73 m/s叶片厚度1=2=0.0025m，计算阻塞系数1=1-1sin1AD1z=1-0.0025sin380.2510=0.832=1-2sin1AD2z1-0.0025sin1260.510=0.98叶道入口后度C1m=C1m1=12.730.914.14 m/s1=C1msin1A=14.14sin38=22.9m/s叶道出口前速度C2m=QthD2b222=0.96080.50.0450.980.91=15.24 m/s2=C2msinA2=15.24sin126=18.83 m/s叶道出口后速度C2m=2c2m=0.9815.24=14.93 m/sC2u=u2-C2mcot2A=75.9-14.93cot126=86.74 m/sC2u=c2u=0.859383.74=71.95 m/sC2=C2m2+C2u2=14.932+71.952=73.48 m/s估算流动损失：估算风机的流动总损失数，即phf=pr+ps+pimp+pV计算各项流动损失，选择各项流动损失系数r=0.15, imp=0.2,V=0.2进弯转损失pr=r2c1m2=0.21.2214.142=23.99 Pa叶道内的损失pimp=imp212=0.21.2222.92=62.9Pa蜗壳内流动损失pV=v2c22=0.21.2273.48=647.9 Pa冲击损失psr2c1m2额定工况下冲击损失ps=0则总流动损失为phf=23.99+62.9+647.9=734.79 Pa验算全压实际全压 PtF=Pth-phf=6367-734.8=5633 PaPtF-PtF0PtF0100%=5633-53005300=6%计算风机效率h=PtFPth=56336367=0.88（8） 计算风机功率轮阻损失，取=0.85Pdf=u23D22103=1.20.8575.930.5310-6=0.055 KW内部功率Ni=Pdf+PtFQth1000vh=0.055+56330.96010000.9780.88=6.3KW取摩擦效率m=99%，则风机轴功率Ns=Nim=6.30.99=6.36 KW取安全系数K=1.15，所需电机功率N=KNS=1.156.36=7.314 KW(10)确定叶轮前型线令气流子午速度Cm由叶道入口C1m=14.14 m/s，线性变化至叶道出口C2m=15.24 m/s;忽略叶片厚度影响，可近似认为Cm也由叶道入口的C1m线性变化至叶道出口C2m，叶轮宽度为：b=QthDcm取=0.91，将R1R1之间均等分为十等分计算结果如下R0.1250.13750.1500.16250.1750.18750.20.21250.2250.23750.25Cm15.2414.98914.73814.48714.23613.98513.73413.48313.23212.98112.73B0.8120.07910.07390.07020.06680.06370.05410.05210.04640.04580.0451（11）叶形型线确定前向叶轮气流平均相对速度由叶道入口至出口的变化规律为先减速，后增速，推荐拐点处折算半径R90=0.550.70。取R90=0.60，平均相对速度拐点处的半径R=RR2-R1+R1=0.60.25-0.125+0.1=0.175 m根据减速初始段快速减速的原则，绘出截面上平均相对速度及子午速度cm变化曲线，(其中cm按线性减速)，如图所示根据上图按下面步骤绘制叶片型线。将R1R2分为10等分，得到11个点;由上图读出每个分点Ri处对应的与cm值。根据下式计算各分点处叶片角iA。i=arcsincimi取径向步长，R=0.0125 m,计算叶片中心角增量i，进而计算出各分点的中心角i：i+1=901Ritani+1Ri+tani+1Ri将上述计算结果，根据-R，取点后光滑连接各点，得到叶片曲线，下图所示2.确定蜗壳尺寸及轮廓（1） 计算蜗壳厚度BB=1.32.2b2=1.32.20.045=0.05850.099 m取B=0.080 m（2） 计算蜗壳截面张开度AA=QnBc2u=0.9440.0871.95=0.164 则基变长度a为a=A4=0.1644=0.041 m按等基元发法绘制蜗壳型线，叶轮外径R2=0.5 m，蜗壳型线半径分别为Ra=R2+3.5a=0.6435Rb=R2+2.5a=0.6025Rc=R2+1.5a=0.5615Rd=R2+0.5a=0.5205绘制蜗壳内壁型线如下图所示（3） 确定蜗舌尺寸前向叶轮，估算蜗舌间隙=0.070.15D2=0.070.150.5=0.0350.075 m由于风机的压力较高，取=0.056估算蜗壳顶端的圆弧角rr=0.030.06D2=0.030.060.5=0.0150.03 m取r=0.015 m3.集流器设计采用锥弧形集流器。主题为锥形，取当量收缩角=60，喉部为圆弧形，如下图所示。集流器的出口端必须与轮盖的入口紧密配合，取间隙为0.5mm。集流器喉部直径取148mm略小于叶轮入口直径，为了保持叶轮入口状态良好，集流器末端的型线与轮盖入口段的型线一致。集流器喉部圆弧半径取31.5mm，与轮盖入口相差不大。集流器扩压段不宜过长，取90mm。七.离心风机的强度校验离心鼓风机的叶轮主要由叶片、前盘、后（中）盘和盘轴等零件组成。其中，除轴盘用铸铁或铸钢制成外，其它件一般都是钢板制成。叶片有平板、圆弧和中空机翼型等形状；前盘有平的、圆锥的和圆弧等形状；后（中）盘则是平的圆盘。 在叶轮的各组成零件中，叶片是最为主要的承受载荷的部分，叶片的结构和强度对风机的可靠性起重要作用，所以对叶片进行强度计算是十分必要的。在计算叶片强度时，首先采用传统的设计理论和刚性传动方法进行计算，然后再利用有限元法进行验证分析。由材料力学理论可知，如果叶片与前后（中）盘的连接为铆钉结构，则假定叶片为一简支梁；如为焊接结构，则假定叶片为一固定梁。叶片因本身质量产生的离心力，则假定为均布在梁上的载荷。1.叶轮零部件强度分析的传统计算方法该离心通风机叶轮后盘为钢板制成的等厚圆盘，材料为Q345，其弹性模量，泊松比，屈服强度，拉压许用应力，密度2 。叶轮零部件的主要尺寸：轮盘厚度，轮盘外径，轮盘内径，叶轮最大转速，角速度，单个叶片质量，叶轮中心至叶片重心的半径，叶片数量，轴盘的最大直径 1.1叶片的强度计算 平板叶片在强度计算时，把整个叶片看作承受均布载荷的梁。当叶轮以角速度旋转时，单个叶片因本身质量产生的离心力F(N)。 式中， b为叶片长度，m；l为叶片平均宽度，m；为叶片厚度，m； C为补助计算系数，C=2；钢的补助计算系数C=86.08n2；。 如图1，叶片重心近似假定在叶片工作面的O点上，将F分解成沿叶片法向力F1和切向力F2。平板叶片的离心力及其分力图叶片在F1和F2力的作用下，在相应的方向产生弯曲。由F2产生的弯曲应力，因叶片的抗弯截面模量较大，实际上，可以忽略不计。面只计算有F1产生的弯曲应力F=2blR=CblR (1)式中F1为弯曲应力，N；e为叶轮中心至叶片工作面的垂直距离e=Rsin，m；为F方向与F2方向之夹角，()。F1=FsinblRsin=Cble 2页片的抗弯截面模量W=B26 (3) 按简支梁计算时，叶片最大弯曲应力max(N/m2或Pa)max=MmaxW=34Cl2e 4 其中，叶片最大弯矩Mmax(Nm)Mmax=F1l8 5按固定梁计算时，叶片最大弯曲应力max=MmaxW=12Cl2e 9其中，叶片最大弯矩(Nm)Mmax=F112 (7)1.2 圆弧窄叶片的强度计算 对于圆弧窄叶片的强度计算，这种叶片的特点是叶片的径向尺寸大于轴向尺寸。计算叶片最大弯曲应力的方法是假设在叶片上沿轴向截取一长度为l，宽度b为一单位长度的一个小窄条（取b=1mm），将这个小窄条看作是承受均布载荷的梁，叶片重心近似假定在叶片工作面的O点上。由此，这个小窄条就相当于一个平板叶片。因而其最大弯曲应力可根据叶片与前、后盘的连接是铆钉结构还是焊接结构，按简支梁或固定梁采用式(4)或式(6)计算。 由式(4)和式(6)可知，最大弯曲应力max与l2e成正比例，而l2e值随截取小窄条的位置不同而改变。由此，在强度计算时，应视具体情况选定小窄条的位置，使计算的弯曲应力为最大。或取几个不同位置进行验算，而取其较大者（一般情况下，叶轮进口处叶片受弯曲应力最大）。 由于所设计风机叶片为圆弧窄叶片，叶片与前后盘的连接为焊接结构，叶轮中心至小窄条的最大垂直距离e=0.1m，叶片厚度=0.0025m，叶片宽度b=0.082m，叶轮直径为500mm，前后盘的厚度分别为3mm和4mm，叶轮的最大转速为n=2900r/min。在叶片进口处取一小窄条，叶片的最大弯曲应力，按式(6)计算。max=12Cb2e =120.002586.08290020.04920.1=3.4107Pa 安全系数ns=smax=2.31083.4107=6.72.1叶轮前的强度计算在离心风机轮盘的强度设计中，对叶轮的前盘、圆弧前盘、锥形前盘、后（中）盘均按照等厚圆环盘处理，如下图所示。 轮盘强度计算时，忽略气动力等影响，只考虑离心力惯性载荷的作用，即：圆盘自身离心力产生的应力和叶片离心力产生的附加应力。（1）无附加载荷等厚圆盘自身离心力引起的切向应力由圆板理论可知，圆环形薄板可以认为仅受切向和径向两个方向的应力。一个内径为D1外径为D2的等厚圆盘，当角速度旋转时，因自身离心力而产生切向应力t和径向应力r，应力分布如下图所示。圆盘所受最大应力为出现在内圆直径D1处的最大切向应力t1，故圆盘强度计算时按照最大切向应力计算。t1=u223+41+1-3+D1D22由于所选材料为Q345，泊松比为=0.28。对于该前盘将=7.85103Kg/m2，=0.28带入上式，得到t1=7.8510375.923+0.2841+1-0.283+0.280.1940.552 =38.09 MP(2)叶片离心力载荷产生的附加切向应力t2固定在轮盘上的叶片，同样受离心力的作用，由该离心力引起的轮盘附加应力用t2表示，对半个圆盘进行受力分析，如下叶片离心力载荷产生的附加切向应力t2下式进行计算t2=t1FtFf式中，Ff为半圆盘自身的离心力；Ft为半圆盘上叶片离心力的总和。半圆盘自身离心力Ff，按下式计算Ff=mRc2其中m=8D22-D12RC=23D23-D13D22-D12式中，m为半圆盘质量；Rc为半圆盘中心所在半径将m、Rc带入式子，则半圆盘离心力Ff=212D23-D13对于钢制前盘Ff=6542D23-D13半圆盘上叶总离心力Ft：单个叶片的离心力为F=m1Rc2式中，m1为一个叶片的质量；RC为叶片重心所在半径。单个叶片产生的离心力垂直分力随圆盘转动位置转动位置变化而变化，平均垂直分力Fm为Fm=202Fsind=2F半圆盘上Z/2个叶片离心力的总垂直分力为Ft=kz2Fm=kzF式中，k为叶片离心力的分配系数，前盘取k=0.5，后盘取k=1，中盘取k=2,z为叶片数。叶片离心力引起的轮盘附加应力t2为t2=t1FzkFf2.2叶轮后盘强度的校验 (1）后盘因本身离心力产生的最大切向应力（在内孔处）计算公式为 （1）得到 。(2）考虑叶片影响时，后盘附加的切向应力由于叶片离心力的影响，将使得轮盘中的应力增加。通过附加应力法，把叶片离心力对轮盘应力的影响进行折算，引入一个分配系数，对后盘取1.0，对于前盘取0.5。叶片离心力使轮盘内圈应力增加，可用下面公式估算： （2）得到。(3）后盘最大切向应力安全系数 ，满足要求。3.1叶轮用铆钉强度计算（1）叶轮后盘与轴盘连接铆钉强度计算通风机的轴功率通过叶轮后盘与轴盘连接铆钉传递给叶轮，因此，铆钉承受叶轮后盘和轴盘作用力而产生剪切应力。铆钉传递的转矩为Mn=9551Nn式中，Mn为转矩，Nm;n为离心风机的叶轮转速，r/min；N为通风机功率，KW。则连接后盘与轴盘的所有铆钉所受合力F=MnR=9551NnRR为铆钉所在圆周半径,m单个铆钉所受的平均剪应力=F4d2Z=1261Nd2ZnR式中，z为铆钉个数，d为铆钉直径，m所以代入数据得：=F4d2Z=126111828290075103 =1.2106 Pa4.1叶轮轴盘的设计计算通风机叶轮轴盘（轮毂）一般不进行强度计算，而是通过合理选择材料来保证强度条件。由于轴盘主要承受惯性载荷，所以，在设计轴盘时，按外轴盘最大外径处圆周速度uh的大小选用材料。常用的轴盘材料是铸铁或铸钢，根据uh可参考下表根据轴盘圆周速度的计算公式： ，得到。当，选用铸钢或球墨铸铁。所以，轴盘材料选用球墨铸铁HT250，强度是足够的。 经验分享九.通风机的降噪1.噪声的概念 广义上来说，一切可听的声音都有可能成为噪声。人们所听到的各种声音是否成为噪声，除与声音本身的基本特性有关外，还与人的心理生理状态有关，因此噪声和非噪声的区别不仅在于声音本身特性，更在于接受对象的感受性和条件性。因此噪声是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。从物理角度看，噪声是发生体做无规则振动时所发生的声音。风机噪声控制主要有三种途径：降低噪声声源产生的噪声；利用消声器和隔声装置阻断噪声的传布途径；对噪声的接受者进行必要保护。其中合理的气动设计，降低声源产生的噪声强度，是获得低气动噪声的最根本方法。2.降噪方法(1)合理的选择风机型式在同样气动性能要求下，后弯叶片较前弯叶片叶轮产生较小的噪声。确定风机型式时，以比升功率级或比A声级小，同时考虑A声级小为原则。由于流量和风压大噪声也大，因此选择风机余量不宜过大，否则，不仅让费能源，而且噪声也增大。由于旋转噪声的强强度大致与圆周速度的56次方成正比。当圆周速度增大一倍时，声压等级增加近1015dB。涡流噪声的强度与气流速度的8次方成比例。因此，对同一型号风机，在性能允许条件下，尽量选择用低转速运行的风机。(2)合理设计管路管路阻力要小，应尽量使风机入口处气流均匀，不宜处于急交流场。管路系统中的管件（如弯头、支管等）之间应有510倍管径的过度直管路，以防管路中气流紊乱。另外，防止机壳和管路的震动过大而辐射过大的噪声；尤其避免管路系统发生共振，产生附加噪声甚至破坏。相对而言，圆形管路较矩形管路刚度大，不易产生震动。噪声辐射也较矩形管路小。(3)合理匹配通流部件结构参数通风机设计时，合理选择匹配通流部件结构参数，改善气流流动状态，可以获得高的效率，也从根本上降低噪声水平。具体分离心风机和轴流风机两种情况讨论。降低离心风机噪声的常用方法如下。 对宽叶轮可采用倾斜叶片。叶片倾斜使高速气流出口处有较宽的径向间隙，并形成相位差以降低其离散噪声。倾斜蜗舌、增加蜗舌间隙和蜗舌半径。风机叶轮叶栅气流产生的周期性脉动气动力，使蜗舌相互作用产生旋转噪声，此噪声大小与脉动气动力的剧烈程度及蜗舌的迎风面积有关，把蜗舌做成倾斜式，则同相位的脉动气动力的作用面积小了，辐射的噪声也就减小了。叶栅后速度与压力分布都很不均匀的旋转气流，与蜗舌相互作用将产生噪声，距离愈近，噪声愈大，通常适当取较大的风舌前端半径可以降低离心风机的旋转噪声与涡流噪声，且不影响离心机的气动性能。在叶轮进、出口圆周上安装金属网格可推迟边界层分离，并使出口流畅均匀，从而降低紊流噪声。但此时压头和效率会有所降低。 在蜗舌出口设置共振器以吸收噪声。 在叶片上开槽或叶片间加装分离片可改变边界层特性，从而降低蜗流噪声。如采用扩压器，应合理选择最佳径向间隙和叶片安装角度，否则将产生较大的离散噪声。采用不等间距叶片。不等间距转子的频率特性与常规转子相比，主要差别是其叶片通过频率（基频）噪声值降低而各高次谐波的噪声值有的上升，频谱曲线趋于平坦，能量从基频分散到谐频及宽频上去，虽然总的噪声能量减少，但改善了音质，从而降低了A噪声级，这种结构对气动性能影响不大。进风口设置整流圈及挡板。因离心风机的叶轮叶片排风口的尺寸通常大于前盘处进风口的尺寸，所以气流在风机中流动时，将在进风口圆弧段部位处形成许多涡流，形成空气动力噪声。可在风机进风口处位于风机蜗壳内部的外围处增设整流圈及挡板，就能有效地防止气流在风机进风口处形成涡流，从而降低离心风机所产生的空气动力噪声.利用消声器和吸声材料或吸声结构，吸收风机噪声，可取得满意的效果。常用的有下面几种方法。安装时，风机与钢筋混凝土基础之间应垫橡胶、软木板或毛毡板等软质材料，使离心风机传递给钢筋混凝土基础的振动得到最大限度的减弱或消除。在风机的进风口和排风口处安装一段橡胶软管，可将离心风机传递给风管的振动在橡胶软管处得到最大限度的减弱或消除。 机进风口及排风口处安装消声器。消声器是利用多孔吸声材料来吸收声能的，当声波通过衬贴多孔吸声材料的进风口及排风口处时，声波将激发多孔吸 声材料中的无数小孔中的空气分子产生剧烈的运动，其中大部分声能用于克服摩擦阻力和黏滞阻力并转变成热能而消耗掉，从而降低离心风机所产生的空气动力噪声。实践表明，在离心风机的进风口及排风口处安装消声器，通常能降低进风口及排风口处产生的空气动力噪声2030dB (A)。车间厂房吸声。利用吸声材料或吸声结构，按照一定的声学原理，安装在墙壁上或天花板上，可以达到减小混声的目的。十.总结本次设计主要是对离心风机进行设计并通过有限元的方法协助设计，并进行校核分析设计的可行性。本次设计我尝试将有限元融入到设计过程中去，这在以往的课程中从未进行过。试一次新的尝试。通过对有限元的学习，并与传统方法进行对比。我认为此次设计的创新点并不在产品本身，而是在设计方法上，由于本学生见识尚前，缺乏经验，不了解实际生产中的设计方法。但相对于之前的学习该方法该方法能是一种新的尝试，能弥补自己对相关知识的匮乏。由于专业所限对于空气动力学的知识所知甚少。所以得到结果与正确结果可能相差极大。我发现分析所得的数据域传统方法计算所得的数据并不相同，如叶片的安全系数，在软件的分析中，其安全系数为11，而在传统方法中计算结果为6.5，其结果相差较大。分析其计算原理，发现叶片的传统校核计算是通过将叶片简化为两端固定的固