矿用轴流式通风机结构设计

摘 要分析此次通风机结构设计，属于矿用轴流通风机，考虑到开采时会有大量的有害气体溢出，而且包含可能引起爆炸的高浓度瓦斯气体的原因。随着开采深度的增加，气温也要逐渐升高，这些因素对于井下工作人员的身体健康和矿井的安全生产都是极为不利的，更严重的会对井下工作人员和矿井安全产生巨大危害。调查了国内当今的趋势，此设计采用对选矿用通风机，采用两极电机驱动的方式，对对旋风机的优点进行了进一步的了解，故采用对旋风机。根据所给的设计参数及有关的设计要求。具体内容包括：通风方式的选择，总体结构方案的确定，叶轮的设计，疏流罩、扩散器和集流器的设计和选择，通风机消声装置的设计。本次设计更加注意对旋通风机的消音问题，注重了电动机的隔爆设计。关键词:对旋;防暴;轴流通风机;消音器AbstractThe structural design, the ventilator tomography belongs to mine axial fan, considering the mining will have plenty of harmful gases, and can cause high concentrations of gas explosion. Along with the increase of mining depth, temperature will gradually rise, these factors for underground work personnels health and safety of coal production are extremely detrimental to the more serious, the working personnel of underground mine safety hazards and tremendous. A survey of the current trend of domestic, the design of the concentration polarization, with fan motor driving mode, on the merits of the whirlwind machine, the further understanding of cyclone machine.According to the design parameters and design requirements. Contents include: overall selection of ventilation, design, structural design, flow of the impeller, diffuser, and runoff, design and selection of the design of fan silencer. The design of the ventilator to pay more attention to the problem, pay attention to the motor deadened the isolation design.Keywords To spin riot axial fan muffler48目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的意义11.2 国内外现状和发展趋势11.3 设计的主要内容3第2章 结构设计方案的选择和确定42.1 结构方案图的选择42.2 比较两种结构的优缺点5第3章 通风机总体结构设计103.1 通风方式的确定103.1.1 抽出式通风103.2.2压入式通风103.2 结构方案简图设计123.3 主要结构形式的选取123.3.1 扩散器133.3.2 集流器与流线罩143.3.3 叶轮143.3.4 外壳153.3.5 确定通风机各级风压比153.3.6 选择电动机的功率和型号15第4章 叶轮的结构设计184.1 第一级叶轮的设计184.1.1 确定叶轮毂比及轮毂直径184.1.2 确定计算截面204.1.3 叶片几何尺寸的计算204.1.4 叶片的绘制234.1.5 叶轮强度计算254.1.6 键的校核284.2 第二级叶轮的设计294.2.1 确定叶轮毂比及轮毂直径294.2.2 确定计算截面304.2.3 叶片几何尺寸的计算314.2.4 叶片的绘制33第5章 主要结构部件的设计选型365.1 集流器与流线罩的设计365.1.1 集流器的设计365.1.2 流线罩的设计365.2 扩散器的设计385.3 通风机轴向间隙和径向间隙385.3.1 径向间隙的计算385.3.2轴向间隙的计算395.4 风筒的选择405.4.1 风筒选用要求405.4.2 局部通风机的风筒选型41第6章 消声器的设计42结论44致谢45参考文献46附录47CONTENTSAbstract2Chapter 1 Introduction 11.1 The topic11.2 Status and development trend11.3 The main contents of the design3Chapter 2 The selection of design scheme and structure42.1 Structure scheme selection of diagram42.2Compare the advantages and disadvantages of the two kinds of structure5Chapter 3 Fan structural design103.1 Ventilation103.1.1 Drawer-type ventilation103.2.2In ventilated103.2 Structure scheme design diagram123.3 The main structure form123.3.1 Diffuser133.3.2 Collecting and streamline mask143.3.3 Impeller143.3.4 Shell153.3.5 Determine the ventilator than at wind153.3.6 Choose the motor power and models15Chapter 4 Impeller structure design184.1 The first level of the impeller design184.1.1 Determine diameter wheel rims leaves ratio184.1.2 Determine the computation section204.1.3 Blade geometry size calculation204.1.4 The blade234.1.5 Impeller strength calculation254.1.6 The key284.2 Article 2 the impellers design294.2.1 Determine diameter wheel rims leaves ratio294.2.2 Determine the computation section304.2.3 Blade geometry size calculation314.2.4 The blade33 Chapter 5 The main structure parts design selection365.1 Collecting and streamline cover design365.1.1 Collecting design365.1.2 Streamline cover design365.2 Diffuser design385.3 Fan radial clearance and axial clearance385.3.1 Radial clearance385.3.2The axial clearance395.4 The washroom405.4.1 Hair chooses requirements405.4.2 The selection of local-ventilator hair-dryer41Chapter 6 The muffler design42Theory 44Cause 45Participation in exam 46Attached 47第1章 绪 论煤矿井工生产是地下作业，自然条件比较复杂。地面空气在进入井下并流经各作业场所的过程中，将掺入有毒有害气体和矿尘，成分逐渐发生变化。同时，由于地热作用，人体和机械的散热、水分的蒸发等，井下空气的温度和湿度都会显著提高，造成不良的气候条件。因此，对矿井必须进行通风。1.1 选题的意义煤矿的生产是地下作业，自然条件比较复杂，当地面空气进入矿井以后，在成份上发生了变化。这是生产过程中产生过程中产生岩尘、煤尘和炮烟，煤和其它物质氧化，人的呼吸以及煤与围岩散发出各种有害气体等，使矿内空气中氧的含量相对的减少，空气的湿度、温度和压力等也发生变化，若空气中氧的含量降低到17%以下时，人在工作时就会感到呼吸急促；降低到6%时，人就有死亡的危险。所以必须利用通风机或自然风压对矿井进行通风。矿井通风的基本任务是：（1）供给井下人员足够的新鲜空气，煤矿安全规程规定，每人每分钟供应空气量不得少于4m3；（2）把有害气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排除矿井：（3）保证井下有适宜的气候条件（及适宜的湿度与温度），以利于工人劳动和机器的运转。矿井通风工作对于保证矿井安全生产，创造良好的气候条件提高劳动生产率，具有十分重要的意义2。矿井新建、扩建或生产时，都要掘进巷道，在掘进过程中，为了供给工作人员呼吸新鲜空气，稀释和排出从煤(岩)体涌出的有害气体、爆破产生的炮烟和矿尘，以及创造良好的气候条件，对掘进工作面进行通风。1.2 国内外现状和发展趋势我国矿用主扇已经历了半个世纪的发展历程。不适合国情的仿制的70B2型曾“统治”我国煤矿30余年。至今仍有煤矿在继续使用这种早已被国家勒令淘汰的产品。随之，国人自行设计制造的2K60和K58型推广应用了不到10年就已停止生产此时引进德国的GAF型主扇技术，以洋品牌的产品形象打入市场。尽管人们称赞此型风机的性能与可靠性，但洋品牌价格太贵，用户难以接受。于是，我国煤矿曾一度出现主扇短缺的被动局面。 面对严峻形势，国内风机行业形成了两条战线。一是自主开发。这条战线在认真总结经验教训，大力改进2K60型结构，不断提高K58型制造质量的同时，积极自主地发出2K56新型主扇，以迎接新的机遇和挑战；二是引进国外技术。早已引进的GAF型主扇技术在加快消化吸收的步伐，力争全面实现国产化，降低成本，提高竞争力。随后，某些高等学府和科研院所的某些学者与专家亦开始向对旋矿用主扇进发，他们一方面把对旋风机的研究作为获得学位的课题；一方面将其成果转化为生产力，极力向乡镇、民营乃至国有企业转让技术，从而名利双收。于是，20世纪90年代，特别是1995年以来，我国矿用主扇掀起了一股对旋热。于是，对旋主扇的选型与应用成为煤炭行业的一种20世纪90年代，我国引进日本反旋式扇风机，并开发了低噪声对旋局部通风机系列（压入式）。该系列风机由于其风压高，风量大，噪声低，效率高而被广泛应用于煤矿和矿山工程局部通风。且开发设计者了这样的商业宣传: 压力特性和功、通对其进行用化）设计，其机械和电气规范设计和制造，体积小，质量轻、成本低，坚固耐用、安全率曲线均适合于煤矿采掘通风需求，且按“三化”（系列化、标准化可靠，能够承受相当恶劣运转环境，具有令人满意和足够长时间无需维修的设计使用寿命.现在全国上百家工厂和公司，生产几十种不同型号和规格的矿用局部通风机，并且全国矿用风机形成一股对旋热，而实际上, 我国目前煤矿用局部通风机杂、乱、差，且效率低，噪声高. 全国大小煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生.令人担心的是：由于开发设计者对对旋局部通风机没有实事求是地宣传和运作，致使我国矿用局部通风机的开发、生产和推广应用进入了误区。这种通风机只有两个对旋的叶轮，而没有固定式导流叶片。对旋式两级通风机具有与一般两级轴流通风机相同的压力系数和比转数。这种风机的压力系数、流量系数和轮毂相对直径值与一般通风机相同，但其压力曲线稍微陡一些，则更适合长距离通风。当前世界先进工业国家风机产品开发的主要特点是：1.以节能、节约资源为核心，提高单件效率和耐久性，进而提高整个系统的效率。2.加强系统的自动化、事故警报系统的研制，节省维护、监控方面的人力。3.为提高竞争能力，力求包括附属部件在内的产品标准化和组合化。4.进一步加强了对低噪声、低振动技术的研究。5.不断针对新的需要，开发新的产品。6.在工艺上引进柔性制造系统，最大限度地提高产品生产的自动化程度。风机产品大多根据用户需要有不同特性要求，多属小批量生产，特别是一些大型风机产品甚至是单件小批生产，对工艺要求复杂。目前国内生产自动化程度很低，而国外通过研制和采用柔性制造系统，提高了生产的自动化程度。以美国为例，中小风机的生产已全部通过自动线完成，从工艺角度提高了产品质量，降低了产品成本。1.3 设计的主要内容设计的内容及工作量是确定对旋轴流式矿井通风机结构设计总体方案设计，总体结构及其组成，掌握轴流风机工作原理，主要工况参数的意义。完成主要机械部分设计。对旋轴流式矿井通风机过流部件由集流器，叶轮，扩散器等几部分组成。具体设计内容包括：拟定总体结构方案的确定，叶轮的设计计算，疏流罩的设计计算，扩散器的设计计算，集流器的设计计算，壳体的设计，法兰等零件的选型校核。保证设计参数流量达到Q=25m3/s全压达到H=3000Pa。此外还包括设计说明书的编写，对旋轴流通风机的总体结构分析设计，对旋轴流通风机叶轮结构分析设计，外文资料的翻译工作。图纸的绘制工作。包括：总体装配图 1张；第一级叶轮零件图 1张；第二级叶轮零件图1张;第二级风筒结构1张；第2章 结构设计方案的选择和确定2.1 结构方案图的选择根据老师所给的任务书，通过查阅图书馆的资料，选择了两种不同的结构设计方案，其结构如下图2-1。 1-集流器;2-隔爆电机;3-第一级叶轮;4-第二级叶轮;5-扩散器图2-1 对旋轴流通风机示意图由上图可知,采用两级电动机带动叶轮,两级叶轮以相反的方向旋转,电机轴直接带动叶轮,大大提高了传动效率,这种对旋风机大范围的应用在矿山机械中,是目前使用较广的矿用通风机.1-主机;2隔爆密闭罩;3-叶轮;4-扩散器图2-2 一般通风机结构示意图2.2 比较两种结构的优缺点这两种方案各自有其优缺点,图2-2，由文献22其特点如下:（1） 采用电机与叶轮直连的风机，结构简单，改变了煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构利于运行和维修。（2） 该风机配套YB系列的隔爆型三相异步电动机，在电机外面安装全封闭型并具有一定耐压强度的密散热罩，及气压平衡管，使电机始终处于无瓦斯空气中运行，以达到煤矿有关隔爆规程要求。（3） BK系列为单级工作论结构，风机遇扩散器之间设置后导叶，以提高静压效率。该机叶轮最高效率为0.93，全部装置最高全压效率为0.75，因此，效率较高，节能效果显著，采用该机通风比此前实用的多台局扇并联，即以局扇代主或者局群通风可节电0.6-0.8，该机可反转反风，其反风量可达正常风量的0.65-0.85，不必另设反风道，具有节约基建资金和反风速度快的特优点。（4） 叶轮的叶片安装角可以调整，可根据生产的要求来调整叶片安装角度，该机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力情况下，均能稳定运行。由图2-1可以看出，参考文献20可知,对旋风机的特点如下：（1） 传动效率高。叶轮直接安装在电机轴上,改变了传统的传动结构,既避免了传动装置的频繁损坏,减少了能量损耗,也提高了风机装置的传动效率,同时也提高了使用效率。（2） 对旋轴流通风机最高压力点的压力值较高，一般比普通带后导的轴流风机的压力高1.21.3倍。（3） 静压效率高。由于采用对旋结构，减少了两级工作轮之间中的导叶，降低了风机内部阻力损失，提高了风机的静压效率。（4） 最高效率高，高效运行范围广。对旋风机比前置导叶两级风机的最高效率高出约8%，比后置静叶型两级普通风机最高效率高4%5%，其高效运行范围广.（5） 轴流对旋风机使用灵活。对旋风机两级工作轮分别由两台电机驱动，因而对旋风机对应不同的使用状态，可进行各式各样的组合，使其中一级空转可组成前导加动叶级或动叶加后导叶级，亦可配备一个静叶作为附件，可以调节栅距以实现变风量调节。对旋风机可变转速和两转子的转速比来调节流量，这是对旋风机所特有的。(6) 对旋轴流对旋风机，有良好的逆向送风性能，回风量可达到60%70%的送风量。由于对旋风机可以利用电机的反转反风，既不需建扩散器和扩散塔，也不需建风机房和反风道，施工工艺简单，因此可大大缩短工期。与其他风机相比，其辅助设备少，控制环节少，安全可靠性好，可节约70%的土建工程费但是对于设计对旋风机来说还有问题，问题如下：（1） 对旋风机中电动机的散热问题。由于在对旋轴流式通风机中，电机是与叶轮直联，固定于风机中，电机工作在含有高瓦斯浓度的气体之中，所以就无法使用风机中自身风流来散热。而普通轴流式风机，电机置于自由大气中，可以充分利用这个得天独厚的条件。（2） 电机的防爆问题。与普通轴流风机的电机放在风机外面相比，相当于把井上主扇送回到井下的恶劣环境中，因此电机要防爆。但是，风机的II级电机隔流腔内可能存在瓦斯超限。随着抽出式对旋风机的投入使用，发现其第一级风机的I级电动机隔流腔内瓦斯浓度达到0.1%0.3%，与周围环境中的瓦斯浓度相同，不存在安全隐患；而其第二级风机的II级电动机隔流腔内瓦斯浓度达到2.2%2.8%，存在着隔流腔内瓦斯浓度超限问题，造成II级电动机周围瓦斯聚集。（3） 轴伸端轴承使用寿命短。由于风机叶片产生的轴向力、旋转系统的残余不平衡力、电磁拉力、风量风压变化将产生的推力等，这些风机运转中的径向力、轴向力形成当量动负荷，对轴承寿命威胁是致命的损坏因素。所以靠近电机轴伸端的轴承容易抱轴、烧毁，严重时整个定子绕组被烧毁，这不仅降低了轴承的使用寿命，同时降低了风机的使用寿命。这一点尤其在局扇上较为突出。（4） 轴流式通风机后级电机容易烧坏。轴流通风机压力大，通风距离长，通风距离与流量成反比，只要通风距离稍微增大，如果两级叶轮设计的匹配性不好，II级电机负载增加比第一级快，当达到一定通风距离时，虽然两级风机的总功率尚未达到单级的2倍，但是II级电机的负载已远远超出了额定功率，造成II级电机的超载运行，从而导致电机的烧毁。 （5） 如果没有消声装置，风机的噪声大。在煤矿因为风机的噪声大，而掩埋了其它设备不正常运转声音和其他的的报警声音，从而导致了不少的恶性事件。降低风机的噪声，势在必行。 针对以上问题提出的解决措施如下:（1） 针对对旋风机中电机散热的问题 由风机的工作环境(含有大量瓦斯和煤尘，气体潮湿)决定了电机不能由风机的风流来冷却，而且电机还必须和风机内的爆炸性气体隔离，在这种情况下，经过专家的研究，采用了隔流腔结构。隔流腔的结构如图2-3图2-3 隔流腔结构示意图 在上图的结构中，电机被一特殊的密闭腔密闭，使电机不仅能够通过进、出气翼管从风道之外获得新鲜风流来冷却，而且有效地防止了因电气火花点瓦斯而引起瓦斯煤尘爆炸事故。（2） 针对电机的防爆问题。针对对旋风机的工作环境，电机的防爆是最重要的问题。当然首先应该选用防爆电机，其次就是隔离电机。隔离同样采取上述结构图中的方式，相对I级主风流道而言，I级隔流腔内气体处于正压状态，主风流道的含瓦斯气体的污风不可能向I级隔流腔泄漏，I级隔流腔内的I级电动机始终处于新鲜风流下工作，不存在安全隐患；而II级主风流道的风流则处于正压状态，远高于II级隔流腔中的静压，因此，II级主风流道中含瓦斯气体的污风可能向II级隔流腔中泄漏，其泄漏有3个途径:隔流腔焊缝不连续、不严实，导致瓦斯从焊缝处内泄;电动机安装面及隔流腔后盖处密封不好，导致瓦斯内泄;电动机轴承处泄漏。前两种情况可以通过加强焊接质量、电动机安装面加强密封等技术措施解决，但对轴承处的泄漏，可以采用负压腔体结构，负压腔安装在II级电动机轴伸端的轴承前端，通过负压腔的安装，可以使II级电机隔流腔内的气压大于流道内的压力，有效的防止了有害气体进入II级隔流腔，解决了II级隔流腔内瓦斯的超限问题。（3） 针对电动轴伸端轴承使用寿命短的问题 经研究也提出了一些整改措施。对旋风机在运行时轴承不仅承受径向力，尤其对于高压风机轴承还承受着很大轴向力。长期在这种情况下工作就会导致轴承烧坏、抱轴的危险。通过合理设计轴承室的结构，改进轴承结构的方式，合理选用耐高温的润滑脂，来防止轴承的损坏，延长轴承的使用寿命，从而延长了风机的使用寿命。（4） 针对轴流式通风机后级电机容易烧坏的问题后级电机容易烧坏，从现场电机烧毁的情况来看，主要原因:一是长距离送风时风量减少，电机冷却效果不好；二是长距离送风时，II级电机的负载增大，超载运行。因此，在解决电机烧毁问题时，必须从这三个方面入手:第一，可以通过提高电动机的散热效果着手，这一点，上面已经阐述过。第二，改进叶型结构，防止电机超载运行。第三，合理分配风机前后两级叶轮的压力负载。改进前后的风机性能功率曲线。由图中可以看出改进设计后，一级风机的最大功率有所增大，而二级风机的最大功率减少，减小的幅度大于一级叶轮增大的幅度。当通风阻力(距离)发生变化时，第一级风机的负载首先达到最大值，然后逐渐减小，而第二级风机的负载随通风距离的增大而增大，直至达到最大值，然后通风阻力再增大时，第二级风机的输出功率将逐渐减少，输出功率最大不超过额定功率的95%，使II级电机输出功率永不过载.（5） 针对如果没有消声装置,风机噪声大的问题风机只要运转，就会有噪声，风机的噪声的大小也是衡量一个风机好坏的标准。通风机在工作时，产生的噪声主要包括空气动力性噪声和机械性噪声。其中，空气动力性噪声的强度最大，是通风机噪声的主要成分。空气动力性噪声又包括旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声属于偶极子声源，它主要与叶片数和转速有关，其强度大致与速度的10次方成正比。涡流噪声的强度与气流速度的6次方成正比。从通风机噪声产生的机理及其特性可以看出，最优化的气动性能设计是获得最低空气动力性噪声的根本方法。此外，其通流部位的合理设计与匹配不但可以获得较高的效率，而且其噪声也可得到控制。可以通过增加叶栅气动力载荷，尽可能降低圆周速度，适当减小轮毂比，降低轴向速度，不等间距动叶和合理的叶片数，合理的轴向间隙和径向间隙，采用弯掠叶片的方法来降低风机噪声。上面是从声源上控制噪声，为了防止噪声的传播，可以从传播体途径上控制噪声。对于局扇，在通风机辐射的噪声中，其进出口部位辐射的噪声强度最大。抑制这部分噪声最有效的措施是在通风机的进出气口安装消声器。目前在市场上的消声器很多，对旋风机应用较多的是穿孔板消声器。消声材料夹放在风机的内筒和外筒之间，内筒为微穿孔板结构，内筒可以从外筒中抽出，方便消声材料的更换或者清洗。对于主扇，一般采用加装隔声罩或盖风机房。加装隔声罩就是将通风机用密闭的罩包围起来，罩内可加吸声结构，噪声在罩内多次反射，大部分声能被吸收，使噪声大大降低。现场采用较多的是盖风机房，在房内采取隔声、加消声器等措施，这样机房内的噪声虽然较大，但外界噪声则小得多。 第3章 通风机总体结构设计3.1 通风方式的确定通风机通风按其工作方式不同分为压入式、抽出式二种。3.1.1 抽出式通风抽出式通风是把局部通风机安装在离巷道口10m以外的回风侧。新鲜风流沿巷道流入，污风通过铁风筒由局部通风机排出。在瓦斯矿井中一般不使用抽出式通风。抽出式通风的优点很多：（1）污风经风筒排出，掘进巷道中为新鲜风流，劳动卫生条件好；（2）放炮时人员只需撤到安全距离即可，往返时间短；（3）而且所需排烟的巷道长度为工作面至风筒吸入口的长度，故排烟时间短，有利于提高掘进速度。图3-1 抽出式通风抽出式通风的缺点是（1）风筒吸入口的有效吸程短，风筒吸风口距工作面距离过远则通风效果不好，（2）过近则放炮时易崩坏风筒；（3）因污风由局部通风机抽出，一旦局部通风机产生火花，将有引起瓦斯、煤尘爆炸的危险，安全性差。在瓦斯矿井中一般不使用抽出式通风。3.1.2 压入式通风压入式通风是把局部通风机和启动装置安装在离掘巷道口10m外的进风侧，局部通风机把新鲜风流经风筒压送到掘进工作面，污风沿巷道排出。工作面爆破后，烟尘充满迎头形成炮烟抛掷区。风流由风筒射出后，按紊动射流的特性使炮烟被卷吸到射出的风流中，二者掺混共同向前移动。用于以排出瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进通风。其机构如图3-2所示压入式通风的优点:（1）局部通风机和启动装置都位于新鲜风流中，不易引起瓦斯和煤尘爆炸，安全性好；（2）风筒出口风流的有效射程长，排烟能力强，工作面通风时间短；（3）可用柔性风筒，其成本低、重量轻，便于运输，而抽出式通风的风筒承受负压作用，必须使用刚性或带刚性骨架的可伸缩风筒，成本高，重量大，运输不便。压入式通风的缺点:（1）污风沿巷道排出，污染范围大；（2）炮烟从掘进巷道排出的速度慢，需要的通风时间长。适用于以排出瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进通风。图3-2 压入式通风从以上比较可以看出，两种通风方式各有利弊。但压入式通风安全可靠性较好、经济性好、通风距离远等优点。故在煤矿中得到广泛应用。考虑到本风机应用环境为矿井掘进段，瓦斯含量较高并且电动机的散热等都要依靠流动的空气，通风机中的消声材料应避免灰尘大的地方，应在上风端等等因素考虑，故采用压入式。3.2结构方案简图设计采用多段式壳体。已知设计参数Q=25m3/s、全压达到H=3000Pa，一般的矿用轴流式风机主要气动部件有叶轮，外壳，集流器，疏流罩以及出口处的扩散器组成轴流通风机。但对旋通风机两级叶轮使用两个电动机驱动，以电机直接驱动，并且两个叶轮之间互为导叶。将风机叶轮、电动机、集流器、扩散器等分别装各段壳体，壳体与法兰焊接在一起，然后用螺栓将这些零件紧固在一起。对旋轴流的条件下，设计所需风机风压。因此不需要导叶总体的机构设计如图3-3。 1-集流器;2-隔爆电机;3-第一级叶轮;4-第二级叶轮;5-扩散器图3-3 对旋轴流通风机示意图3.3 主要结构形式的选取在进行叶轮叶栅气动设计计算时，必须合理选取叶轮的主要结构参数，如轮毂比，外径，叶片数等，以保证轴流通风机设计所需要的满足的压力，流量得以实现。3.3.1 扩散器轴流通风机级的出口动压在全压中所占的比例比离心通风机大的多，这是因为轴流风机工作时，通风机级的出口气流轴向速度相当大，与之相对应的动压约占通风机全压的30%-50%为了减少轴流风机出口流速，提高静压，同时由于井下的空气潮湿有毒,所以作为扩散器口消声器的吸声材料应具有防潮，防腐和阻燃性质。此外由于通风机的出口处安装扩散器还可以显着降低通风机的排气噪音。一般由锥形筒芯和风筒组成,装在风机出口侧。因此对于对旋的轴流通风机更要加扩散器以减少噪音。（1）扩散筒的形式。扩散筒的结构形式随外筒和芯筒（整流体）的型式不同而异，如图3-4所示。等直径外筒及锥形或等直径整流体，比流线型整流体制造更方便。从工艺考虑，流线型外壳加工不方便，增加成本；从工作环境考虑，采矿掘进面工作空间相对狭小，不适用流线体外壳。再者通风机的后面还要连接管道，流线体连接管道有一定的不方便。（2） 扩散筒的效率22。对于一般通风机，可取（3） 扩散筒尺寸的确定。扩散筒的长度L可以按经验公式选择：，式中，L-扩散筒长度，D-扩散筒进口直径。由于后导叶出来的气流，其扭矩很小，故通常认为气流是轴向流入扩散筒。为了保证在扩散筒中流动时流动损失较小，扩散筒的扩压不能太大。图3-4 扩散筒的型式3.3.2 集流器与流线罩集流器与流线罩一起，组成了光滑的渐缩形流道。其作用是使气流在其中得到加速，以便在损失很小的条件下，能在轴流通风机级的入口前面建立起均匀的速度场和压力场。通风机级的入口条件对于通风机的工作有很大的影响，如果在设计中缺少其中任何一个部件，以及设计不甚合理，都会恶化级的入口条件，使得通风机性能变坏。集流器对于轴流通风机的性能有很大的影响，实验表明没有集流器的轴流通风机比具有集流器的通风机的全压及全压效率分别低10%-12%及10%-15%。有急流气的通风机的流量系数也要增加一些4。集流器是强力风机上的一个关键部件，它是用2mm厚的A3钢板，通过剪板、焊接、翻边制成。 由于其直径较大，板厚较薄，在翻边时容易起皱和出现裂纹，这是不允许的。 以前生产厂家做了一付工装，焊成喇叭口，将圆弧部分在工装上用手工一点一点敲成的。作用是使气流顺利地进入风机的环行入口信道，并在叶轮入口处,形成均匀的速度场。目前，矿用通风机集流器型线为圆弧形，疏流罩的型面为球面或椭球。这里为了提高通风量和通风效率采用椭圆形的流线罩,集流器为圆弧形。3.3.3 叶轮叶轮是风机的主要部件，决定着风机性能的主要因素是风机翼型，叶轮外径，外径对轮毂直径的比值和叶轮转速。适用于矿用风机的翼型有对称翼型，CLARK-Y翼型，LS翼型和RAF-6E等。叶轮外径和风机轴转速决定圆周速度，直接影响到风机全压。轮毂比与风机比转数有关。一般说来,轮毂比大时,轴向速度Ca增大，叶片数目z和叶片相对宽度b/l(b为弦长，l为叶展)也相应增大,风机的风压系数提高；反之。轮毂比小,多数取0.6，风压系数也较低。叶轮叶片安装角直接影响旋绕速度的增量，影响风机全压。通常，可在1045范围内调整4。这里的选用LS翼型与轮毂直接直接用铝合金铸造而成，之后再进行修整由于叶轮是通风机一个重要的部件因此要对其的加工要有严格的要求。对于一台轴流式通风机而言，叶轮是其核心的部件，也是最难加工的部件，在铸造叶轮的时候为了加强叶轮的强度，因此在叶轮的中心加一个已经用车床车好一个心，这样即加强了叶轮的强度，同时也提高加工的精度，加少了铸造工艺的难度。这样减轻了铸造后的加工量特提高了加工的精度。在材料方面由于近年来镁合金的价格不断地下降因此和铝合金的价格相差不多，但性能却远优于铝合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3左右），比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收；另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。因此这里选用镁合5A06金进行铸造。3.3.4 外壳对旋通风机的噪音问题也比其它的轴流通风机的噪音大，因此要在通风机的壳体上加装消音装置，以减少通风机产生的噪音对人身体产生的危害。为了减少体积选择把消音材料放在外壳体与内壳体之间，这样能具有良好的消音效果还能不会影响通风机的体积。同时由于我要设计的风机要应用于井下，由于井下的掘进面是一个粉尘很大的空间，通风机的消音材料要求一个小粉尘的工作环境，以发挥其良好的静音效果。风机外壳呈圆筒形,重要的是叶轮外缘与外壳内表面的径向间隙应尽可能地减小。这样也会降低风机的噪音。3.3.5 确定通风机各级风压比风机的风压比是决定各级叶轮和导叶的主要参数之一。通常，前后两级叶轮分别用等功率、等转速的电动机驱动，因而他们的转速比n1/n2=1.对旋轴流通风机的全压为两个叶轮全压之和，从合理分配前后两级叶轮的压力负载角度看，两个叶轮最佳的理论全压各位通风机理论全压的一半，这样设计不仅能够保证通过两级叶轮气流比较平稳，满足对旋轴流通风机气流的连续性条件，有利于提高风机的全压效率，因此两个叶轮的全压各为通风机全压的一半。3.3.6 选择电动机的功率和型号按下式计算电动机功率为: 式中电动机功率储备系数，对于轴流风机，一般。选择电动机YB250M-2,技术数据如下：额定功率为55KW效率91.5%功率因数0.89电流59.1A转动惯量=1.0096K表3-1 方案的选择结果n/(r/min)2970备注/Pa1500341级型式K+K0.32由级型式的范围0.85计算D/m0.56圆整D/m0.6按文献7/（m/s）93轴流通风机提高转速可以减少叶轮直径及机器尺寸，并有利于提高通风机的效率。但是转速的提高也受到一定的限制。如果提高转速使通风机的比转速增加，有可能得不到合理的通风机级数，而且增加了圆周速度，从而使通风机噪音增加。对于对旋通风机级数一般为两级，在机械设计中在满足要求的情况下机械结构越简单越好，因此先选择两级的形式。圆周速度是轴流通风机设计中的重要参数之一。实践表明，提高轴流通风机的圆周速度，可以提高风机的全压H。实验证实，叶轮叶顶圆周速度=(60-100)m/s比较合适。但是圆周速度的提高，风机的噪音也将随之提高，因为通风机的旋转的噪音与ut10成正比，而涡流噪音与ut6成正比 4。叶轮直径D是轴流通风机的一个重要结构参数，其大小直接影响通风机的性能和结构。常用的一种方法是根据大量试验研究现有通风机的统计资料。人们发现叶轮直径D与全压H、流量、及转速n之间存在一定的关系，即与通风机的比转速ns存在一定的关系。分别计算各种预选方案中通风机的计算比转数ns，由比转数ns查得对应轴流风机的全压系数及全压效率。初步计算出不同方案通风机的叶轮直径D，然后圆整为标准直径，在求出其叶顶圆周速度。具体计算结果列与上表3-1。当设计参数给定后，可计算出比转数，根据比转数的大小即可决定采用哪种型式的通风机4。计算流量系数= = 0.95 计算全压系数 =0.3 第4章 叶轮的结构设计4.1 第一级叶轮的设计4.1.1 确定叶轮毂比及轮毂直径在轴流通风机中，叶轮轮毂直径通常用它的相对值来表示，称为通风机的轮毂比。当通风机的比转数为341时，可选用=0.6。按表4-1当=0.3时=0.5-0.6.取=0.6是合适的。表4-1 不同全压系数时所推荐采用的轮毂比0.20.2-0.40.40.35-0.450.5-0.60.6-0.7由此得到叶轮轮毂直径=0.60.6=0.36m （4-1） 为判断叶轮叶片和后导流器根部是否会发生气流分离，应该验算是否所取的轮毂比：求得通风机的轴向速度 m/s （4-2）则得到通风机的无因次轴向速度为 （4-3） 由表3-1的计算结果得到通风机的全压效率=0.85，则通风机的理论全压系数为： （4-4）最佳计算参数，查得。4可计算出第一级风机叶轮的计算函数为 （4-5）可以计算叶轮的最小允许轮毂比为 （4-6）由于所决定的轮毂比,所以满足叶轮的最小允许轮毂比。对于导流器，可计算函数为： （4-7） 可以得到导流器的最小允许轮毂比为： （4-8） 由于所决定的轮毂比=0.6，所以在后导流器叶片根部也不会产生气流分离4.1.2 确定计算截面将整个叶片分成5个计算截面，其中相对半径为 （4-9）其它计算截面半径可按 （4-10） 式中 第个计算半径； 从轮毂截面算起的计算截面序号， =1，2，N； N计算截面数，常取5-7个。各计算截面叶片环气流参数和空气动力负荷系数计算，各计算截面的空气动力负荷系数均未超过1.0，所以按孤立。翼型法设计是合适的。4.1.3 叶片几何尺寸的计算计算结果列于表4-2中。选用LS翼型，该翼型的性能曲线可见是光滑的，翼型的断面坐标值列于表4-4。根据前述对翼型相对厚度的选取原则，在叶根及叶顶截面分别为0.1 和0.8，中间各截面的可按直线规律变化，通过差值计算得出。叶根及叶顶的叶片总宽度由计算得到而中间各截面的可按直线规律变化，通过差值计算得出。对于叶片数目的选择计算，由表4-3，当时，Z=6-12。又由式 （4-11）当=0.5-0.7时，=0.9-1.54 所以取Z=8。表4-2 叶轮气流参数和几何尺寸计算表项目及公式单位计算截面 备 注12345m0.1800.2160.2470.2750.3m；0.60.720.820.921m为叶轮半径m/s55.9567.1476.7885.4893.26r/minm/s26.2821.9019.1517.2015.76等环量设计时沿叶高为常数m138.26138.26138.26138.26138.26等环量设计时沿叶高为常数m/s144.74149.24153.73158.17162.50C1u=0()72.8067.8864.0760.9458.300.360.300.250.220.20续项目及公式单位计算截面备注123451.0250.870.350.230.660.600.540.480.43中间各界面差值计算m0.350.320.290.250.231.030.940.910.890.87()6.536.215.925.685.46()79.3374.0969.9966.6263.76mm82.57567.56053.8mm8.37.56.86.05.4表4-3 叶片数目与轮毂比之间的关系0.30.40.50.60.7Z2-64-86-128-1610-204.1.4 叶片的绘制根据所选择的翼型坐标，计算结果列于表4-4中。表4-4 弦长b在叶栅额线及叶栅轴向方向的投影B投影单位相对半径0.600.720.820.921.00mm81.172.163.455.148.3mm15.320.623.123.925.3各计算截面翼型的重心坐标、中心距翼型前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向方向的投影列于表4-5中。表4-5 气流参数及叶片几何尺寸沿相对半径的变化项目单位相对半径0.600.720.820.921.00mm36.733.430.026.723.9mm3.53.22.92.52.3mm3632282521mm6.89.210.310.610.9mm45.140.135.430.127.3mm8.510.412.813.314.4LS翼型的原始翼型为英国LS螺旋桨翼型，后来稍加修改用于轴流通风机。其坐标如表4-6所示。表4-6 LS翼型断面坐标值距前缘点距离5102030405060708