轴流送风机的设计

1、中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书专业年级 学号 学生姓名 任务下达日期：2014年12月20日毕业设计日期：2015年1月20日至2015年6月10日毕业设计题目：轴流送风机的设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：指导教师签字：郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学徐海学

2、院毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正

3、确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要 本次设计的任务是根据用户给定的流量、全压、转速、传动方式、气体密度、输送介质的具体要求，主要利用孤立叶型设计法，设计出一台符合用户要求的轴流式送风机，然后对设计的风机进行强度校核，并画出装配图及部分零件图。 设计的主要内容包括轴流风机的气动设计、结构设计以及强度校核。其中采用孤立叶形法进行叶片的设计，采用平面叶栅法对后导叶进行设计；结构设计包括叶轮、叶柄、集流器、整流罩、扩散器、径向间隙、轴向间隙以及机壳的设计；校核主要是对轮毂、

4、叶片、铆钉、键及效率的校核，既保证风机安全可靠地运行又保证设计的风机符合要求。 在结构设计中，遵守的原则是：可靠性高，投资少，运行费用低，操作简单。经过校核，设计的轴流送风机既满足用户要求的同时又满足强度要求。关键词：轴流送风机； 气动设计； 结构设计； 校核ABSTRACT The task of this design is according to the user of a given flow, total pressure, rotation speed, transmission methods, gas density, the specific requirements of

5、 the transmission medium .In the design of the main use of isolated blade design method, design a meet the requirements of the users Flow blower.Then to intensity design of the fan, and draw the assembly drawing and parts diagram. The main content of the design including the axial flow fan pneumatic

6、 design, structure design and strength check .The isolated leaf shape method for the design of the blade, the plane of the guide vane cascade method to carry on the design.Structure design including impeller, petiole, current collector, fairing and diffuser, radial clearance and axial clearance, and

7、 the design of the chassis .Check part mainly in hub, blade, rivets, keys, and the efficiency of the checking .Ensure the fan running safely and reliably and to ensure that the design meets the requirements of fan.In structure design, high reliability, low operating cost, simple operation are to kee

8、p the principle of less investment, . After checking, the design of axial flow blower will not only satisfy the users requirements at the same time meet the strength requirement. Key words: axial flow blower; Pneumatic design; Structure design; check 目 录1 绪论11.1通风机简介11.1.1通风机行业现状11.1.2我国通风机行业存在的差距31

9、.1.3通风机行业的发展趋势41.1.4通风机设计研究概况51.1.5通风机在电厂中的应用51.1.6本文的主要工作51.2 轴流风机的基本理论61.2.1工作原理61.2.2叶型及叶栅的几何参数81.2.3流体在叶轮中的运动及速度三角形91.2.4叶栅翼型的空气动力学特性101.2.5孤立叶型设计法131.2.6平面叶栅法201.2.7叶栅中的损失及效率202 风机设计部分232.1方案设计232.2 轴流风机的气动设计232.2.1结构选择232.2.2选择电机242.2.3确定叶轮外径及轮毂直径242.2.4圆周速度与压力系数272.2.5轴向速度272.2.6中间截面的各参数282.2

10、.7选择叶片数282.2.8升力系数与相应的攻角292.2.9叶片宽度和栅距292.2.10叶型安装角292.2.11各截面参数计算结果302.2.12绘制叶片线性312.3后导叶参数选取322.3.1导叶的进出口气流角332.3.2气流转折角与稠332.3.3栅距与叶片宽度342.3.4各截面参数343 结构设计363.1叶轮的结构设计363.1.1轮盘镗孔363.1.2叶片安装363.2叶轮叶柄的设计373.3集流器的设计383.4整流罩的设计383.5扩散器的设计383.6径向间隙和轴向间隙403.6.1径向间隙403.6.2轴向间隙413.7机壳的设计414 强度校核424.1轮盘强度

11、计算424.1.1轮盘形状和尺寸对应力的影响424.1.2轮盘应力计算基本公式444.2叶片校核454.2.1作用在叶片上的离心力454.2.2气流流动的压力464.2.3叶片校核结果474.3铆钉校核494.4键校核494.5效率校核50结 论52参考文献53翻译部分54英文原文54中文译文63致 谢701 绪论1.1通风机简介1.1.1通风机行业现状 通风机是用于输送气体的机械，从能量的观点来看，是将原动机的机械能转换成流体的压力能和动能，从而实现流体定向输送。风机是国民经济各部门必不可少的机械设备，并且得到了广泛的应用，例如电站锅炉需要送风机及引风机；工厂及各种建筑物通风换气或采暖通风需

12、要通风机；工业炉（化铁炉、锻工炉、冶金炉等）用通风机；矿井用通风机以及煤粉通风机等。由于风机的用途广泛，种类繁多，因而分类方法也有很多，但是目前常采用按产生压力的大小及按工作原理的两种分类。风机按产生全压的大小分为通风机（全压p340kPa）。按工作原理分为透平式风机、容积式风机和喷射式风机。其中透平压风机是重要装置中的高精尖产品，包括离心式、轴流式、混流式及横流式风机；容积式风机包括往复式风机和回转式风机，而回转式风机又包括叶氏风机、罗茨风机和螺杆风机等，普遍是是量大面广的中、小型通风机。 一、经济运行情况近年来，风机全行业取得了快速的发展。由于风机用途广泛、数量大，其耗电量约占全国发电量的

13、10%。例如在热力发电厂里，厂用电约占电厂发电量的10%左右，而风机耗电量又占厂用电量的40%，由此可见风机对电厂的安全、经济运行起着十分重要的作用。近年来，风机全行业取得了快速的发展，从各项经济技术指标完成情况看都有较大幅度增长，风机行业在整个“十五”期间，在国家大环境的拉动下得到了快速发展。工业总产值比“九五”增长145%；新产品产值增长230%；工业销售产值增长133%；工业增加值增长130%；产品销售收入增长140%；利润总额增长297%。20012005年5年间工业总产值年递增40.1%；新产品产值年递增53.5%；工业销售产值年递增39.6%；工业增加值年递增43.8%；产品销售收

14、入年递增39.1%；利润总额年递增55.9%，风机的应用越来越广泛1。二、产业结构情况国内生产通风机的前20名厂家有沈阳鼓风机集团、陕西鼓风机集团、重庆通用工业有限责任公司、武汉鼓风机有限公司、浙江上风实业股份有限公司、豪顿华工程有限公司、山东省章丘鼓风机股份有限公司、德州亚太集团有限公司、上海鼓风机厂有限公司、江苏金通灵风机股份有限公司、浙江亿利达风机有限公司、长沙鼓风机厂有限公司、福建东亚鼓风机有限公司、湘潭平安电气集团有限公司、山东双一集团有限公司、中美合资上虞专用风机有限公司、浙江三亿电器有限公司、中德合资南通大通宝富风机有限公司、百事德机械江苏有限公司、西玛新乡鼓风机有限公司2。近年

15、来沈鼓和陕鼓还研制生产了不同于离心压缩机和轴流压缩机的能量回收透平机组，使之成为风机产品中新的一族。此外，各企业根据用户的需要，在原有系列、规格的基础上又派生出了新的系列，我们把这类风机在统计上划到其他用途风机。生产罗茨鼓风机的主要有长沙鼓风机厂有限责任公司、天津市鼓风机总厂、山东省汇丰机械集团总公司、四川鼓风机有限责任公司、福建东亚鼓风机股份有限公司、上海长征鼓风机有限公司、南通市恒荣机泵厂有限公司、百事德机械（江苏）有限公司、山东海福德机械有限公司、原平鼓风机厂有限责任公司、临沂市风机厂、北海鼓风机实业公司等企业，年产量在24000 台左右。生产叶氏鼓风机的只有重庆通用工业（集团）有限责任

16、公司和重庆鼓风机厂。这种风机需求量很小，年产量不到100台。20012005年各类风机产量合计完成台，平均年递增36.2%。其中：离心压缩机合计完成563 台，平均递增34.2%；轴流压缩机完成308 台，平均递增40.6%；离心鼓风机完成21635台，平均递增78.7%；罗茨鼓风机完成78510台，平均递增28.2%；离心通风机完成台，平均递增48.7%；轴流通风机完成台，平均递增39.2%。整个“十五”期间完成风机产量是“九五”的2.1倍，每年生产量都在增加。国外生产通风机的公司有德国的透平通风技术有限公司、考夫曼公司和K.K.K公司；英国主要有豪登西洛哥公司和沃兹公司；日本有三井三池公司

17、、石川岛播磨公司、三菱重工公司、世仑公司和三井造船公司；意大利的克菲姆科公司以及美国的BonanZaFans公司、BuffaloForge公司、Fairchild公司等3。 三、技术发展情况我国通风机行业是在引进、消化、吸收国外技术的基础上发展起来的，经过多年的技术发展与改造，行业中领先企业的技术水平，包括加工制造技术、产品检测技术、设备成套水平、系统设计能力有了较大提高，一些企业已经具备了自主设计、开发与集成能力，竞争能力与市场适应力大幅度提高。随着我国步入新型工业化发展阶段，基础工业朝装备大型化、环保节能方向发展，与之相适应，通风机行业在自身技术水平不断提升的背景下逐步进入升级换代阶段，产

18、品也在向制造集成一体化、高效节能化、设计生产计算机化和销售全球化方向发展，同时用户对通风机的需求正在从产品导向转为全生命周期服务导向。风机产品的技术水平，从20世纪50年代开始，为仿制阶段，生产制造一般离心通风机和轴流通风机，60年代到70年代开始独立设计和组织行业联合设计，先后自行设计制造了大型通风机、离心鼓风机、罗茨鼓风机及离心压缩机。行业联合设计了11个系列109个规格的离心通风机，大部分已作为国家推广的高效节能产品，至今仍在大量生产制造。80年代为引进、吸收和创新阶段，使我国风机工业发生了深刻变化，引进的先进技术得到了消化，形成了一定的生产能力。进入90年代通过引进技术的消化、吸收、改

19、进，实现了国产化零的突破。以沈阳鼓风机（集团）有限公司、陕西鼓风机（集团）有限公司、上海鼓风机厂有限公司为代表的风机制造业不断发展壮大，担负着为石油、化工、空分、冶金、电力、煤炭、矿山、纺织、环保、地下铁道和隧道及科研等国家重点工程提供配套风机的任务。生产的产品品种规格达到230多个系列4500多个规格，有不少产品填补了国内空白，基本上可以满足我国重大装备配套的需求。其中，年产30万吨合成氨装置配套的空气压缩机、氨冷冻压缩机、天然气压缩机；年产52吨尿素装置配套的二氧化碳压缩机；年产70万吨乙烯装置配套的裂解气压缩机、丙烯压缩机；年产180万吨加氢装置循环氢压缩机；年产500 万吨炼油装置配套

20、的富气压缩机；48000m3/h 空分装置配套的空气压缩机，年产6080万吨炼油催化裂化装置配套的轴流压缩机，3200m3高炉用轴流压缩机，300600MW电站轴流风机等都达到了当代国际先进水平。1.1.2 我国通风机行业存在的差距 全国风机在系统中的实际运行效率只有40%左右，比发达国家低10%-30%，为此除提高风机自身效率以外，还需要提高其在系统中的运行效率。目前，我国风机行业与国外大型企业相比还都存在着差距，如透平压缩机有些产品基本可以满足用户需要，但是生产企业没有业绩或业绩不多，难以取得用户的信任，往往在竞标中被淘汰。中、小型通风机产品存在的共性差距则是外观质量太差，难以打入国际市场

21、。其具体的主要差距有如下几点： （1）大型技术装备配套能力的差距。 （2）产品水平的差距。 （3）制造工艺水平的差距。 （4）计算机应用方面的差距。1.1.3 通风机行业的发展趋势随着现代科学技术的不断发展，风机在设计方法上也有了很大进步，这就从根本上改善了风机的动力特性、气蚀性能和震动特性。风机行业国内外的发展趋势主要有以下六个方面：(1) 大容量、高参数化，例如在火力发电厂中，为了提高汽轮发电机组的效率和环保水平，增加机组单机容量和提高运行参数是最有效的途径，作为重要辅机锅炉风机容量和参数也要相应提高。(2) 高速化。(3) 高效率，随着技术的发展，我国生产的风机效率已达90%。(4) 高

22、可靠性，风机的可靠性需要从计算设计、材料选择、加工制造直到运输安装、运输维护等各个环节加以保证。(5) 低噪声化，有关规定，噪声要控制在90dB以下。(6) 计算机集成制造系统在风机中得以广泛应用。随着计算机和网络技术的发展与应用，现在在300WM以上机组已全部实现了计算机网络监测控制的DCS，即分散式计算机控制系统。国外已有把热电厂电气部分监测控制均纳入了DCS系统，从而实现整个火电厂的计算机网络系统监测控制和管理，成为自动化热电厂。在DCS系统中，风机已不是单机控制，而是网络监测控制，能实现风机的自动启停，在线实现流量、压力、温度等参数的实时监测、显示与控制，以及在线故障自动诊断、自动连锁

23、与保护。1.1.4通风机设计研究概况风机的传统设计方法是设计人员根据用户的要求，通过他们的经验提出设计方案，随后对给定方案进行分析、计算。这就需要做许多模型的大量对比试验，直至找到一个可行的方案，即满足用户要求和各种约束条件限制的方案。在这种情况下，设计人员必须要有丰富的设计经验，否则要花去很多时间进行试算，使得整个设计过程周期长、费用高、效率低。通风机的设计包括气动计算、结构设计和强度校核等内容。轴流式通风机的气动设计包括理论设计方法、相似设计方法和优化设计方法。在通风机中，相似理论的应用是非常重要的，它主要应用于通风机的相似设计及性能的相似换算。理论设计主要是为设计新的型号或新系列的离心式

24、通风机进行的。优化设计则为了更好的设计出需要的高参数风机。1.1.5通风机在电厂中的应用在发电厂中，需要许多风机同时配合主机工作，才能使整个机组正常运转、生产电能，这些风机有离心式、轴流式、混流式及容积式等各种型式、风机输送的流体有凝结水、冷却水、润滑油、酸碱类等液体；空气烟气等气体。送风机、引风机是火力发电厂中的重要辅助设备，它们对于火力发电厂的安全、经济生产起着重要的作用。风机在发电厂的热力系统中，如人体内的心脏一样，不断地在循环系统中工作，同时，近年来大容量火力发电机组在我国迅速发展，大型电站风机的可靠性。电厂中常用的通风机有离心式送、引风机，轴流式送、引风机。送风机的作用一般有两种，一

25、种是将空气预热器里加热过的清洁空气送到磨煤机干燥煤粉；一种是将常温的清洁空气送到炉膛，供给炉膛燃烧所需要的氧气，帮助炉膛中的煤燃烧。引风机的作用是将锅炉燃烧后又经过除尘的烟气从炉膛抽出，经过烟囱排到大气中，烟气中含有固体小颗粒。在本论文中设计的是输送常温清洁空气的轴流送风机。1.1.6 本文的主要工作目前，轴流通风机的设计方法主要有两种，一是利用单独翼叶进行空气动力实验所得到的数据进行设计，称为孤立翼型设计法。另一种是利用叶栅的理论和叶栅的吹风实验成果来进行设计，称为叶栅设计法。本次课程设计是根据用户给定的流量、全压、转速、传动方式、气体密度、输送介质的具体要求，利用孤立叶型设计法，设计出一台

26、符合用户要求的轴流式送风机。轴流式送风机用于大流量、低压力的情况，其结构简单、紧凑、外形尺寸小，重量轻。被广泛应用于火力发电厂中。具体主要有以下几方面的工作: （1）进行风机设计的方案选择。 （2）进行风机的气动计算。 （3）进行风机的结构设计。 （4）对设计出的通风机进行强度校核，使其满足要求。 （5）用CAD软件画出设计出的通风机的装配图及部分零件图。1.2 轴流风机的基本理论轴流式通风机就是通过旋转叶轮的翼型叶片，在流体中旋转产生的升力使流体获得能量的机械。轴流式是指流体沿轴向进入叶轮后，并沿轴向流出。与离心式通风机相比轴流式通风机流量大，扬程低的特点，而且结构简单、紧凑、外形尺寸小、重

27、量较轻。1.2.1工作原理通风机主要由叶轮、集流器、整流罩、导叶和扩散筒组成。叶轮是风机的主要部件，叶轮主要由叶片和轮毂组成。把气体引入叶轮可以用集流器解决，可以选择一种自然吸气就是直接将大气直接吸入， 还可以选择引入外部设备帮助进气，如吸风管或进气箱进气；导叶使流体的旋转动能转换为压力能，提高风机的效率；扩散筒使导叶中的气体流出风机。图1.1 后导叶式轴流通风机的结构简图上图1.1是轴流通风机的典型结构简图。集流器1将气体引入，气流经过叶轮2后获取能量后进入导叶3，然后气流从扩散筒4流出，输入管道。其中出口导叶可以消除叶轮出口处流体的圆周分速度而导向轴向运动，并使这部分旋转动能转换为压力能，

28、因此提高了风机的效率5。 此外轴流式风机的基本类型还有三种，第二种是单个叶轮没有导叶，如下图1.2所示这是最简单的一种类型，从叶轮出来的圆周分速度是流体产生旋转运动，从而伴随能量损失，因此只适用于低压轴流风机。图1.2 无导叶轴流通风机的结构简图第三种是单个叶轮前设置前导叶，如图1.3所示，流体从前导叶进入，经导叶后产生与叶轮旋转方向相反的旋转速度，所以能量损失较大，故流动效率较低。图1.3 前导叶式轴流通风机的结构简图第四种是单个叶轮前后均设置导叶，如下图1.4所示，若前导叶设置成可调的，就可以根据工况的变化进行调节，也就是通过改变导叶的角速度去应对流量的改变，因而风机可以在较大的流量变化范

29、围内，保持高效率，这种形式适用于流量变化较大的情况。当压力比较低的情况下通风机一般设计成单级，在本设计中也是先假定设置单级。图1.4 前、后导叶式轴流通风机的结构简图1.2.2叶型及叶栅的几何参数叶轮的气动设计也就是叶型和叶栅的气动设计，因此先要介绍叶型及叶栅的主要几何参数和气流参数。轴流通风机的叶轮和导叶组成了级，在不同半径处，叶轮叶栅和导流叶栅的几何形状是根据速度三角形来定的，而气流的运动情况是由相应的叶型和叶栅来确定的。叶栅中的叶型一般采用经过实验所推荐的孤立叶型。下面介绍叶型及叶栅的主要几何参数和气流参数。 一、叶型参数图1.5 叶型参数6 b 弦长，叶型中线两端点m，p连线之方向上叶

30、型的最大长度。c 最大厚度，即弦长法线方向的叶型最大厚度。=c/b叶型相对厚度。f叶型中线最大弯度。=f/b叶型相对弯度。e，a 分别为最大厚度及最大弯度位置与前缘点m在弦长方向之距离。叶型前缘方向角，即叶型中线在前缘m处所做切线与叶弦之间的夹角。叶型后缘方向角。 叶型的弯折角，=+。二、叶栅参数t栅距，即叶栅中两相邻叶型之间的距离。t/b相对栅距，b/t称为叶栅稠度。叶型安装角，即叶型弦线与圆周方向的夹角。进口几何角，即叶型前缘中线切线与圆周方向的夹角。 出口几何角，即叶型后缘中线切线与圆周方向之夹角。由下图可知，叶型的弯折角=-。i 气流进口冲角，i= -。气流出口落后角，=-。 气流转折

31、角，=-。可以看出，=（-）-（- i）=-+i。 攻角，即叶型翼弦与速度的夹角，是研究叶栅中孤立叶型的重要参数。图1.6 叶栅参数1.2.3流体在叶轮中的运动及速度三角形风机中的流体运动是一个复杂的空间运动。流体微团的运动具有三个相互垂直的分量：圆周分速、轴向分速和径向分速。但为了使问题分析起来更加简单，通常把复杂的空间运动简化为只有圆周分速与轴向分速的圆柱面上的流动。圆柱面上的流动作为轴流式叶轮内复杂的空间运动的简化分析，其依据是对圆柱层的无关性假设。虽然对轴流式叶轮存在多个圆柱形流面,但是每一个流面上研究方法是一样的。任意选取一个流面上的流动来研究即可，其他流面上的流动同理可得。将图2.

32、1中的带后导叶的轴流式风机用任意半径截开取一微小圆柱层烟母线切开展开成平面，气体在动叶与导叶中的流动情况如下图1.7所示7。图1.7 气体流动情况流体在风机叶轮中流动是一个复合流动，流面上任一流体质点的相对运动速度w和圆周速度u的矢量和等于绝对速度v，即v=w+u。如图下1.8所示，为研究方便绘制了叶栅进出口速度三角形图线，流体质点的进口绝对运动速度为v1，相对运动速度为w1，进口绝对速度v1在圆周速度方向上的分速度为v1u，w1u为w1圆周上的分速度，w1a为w1轴向上的分速度。流体质点的出口绝对运动速度为v2，相对运动速度为w2，进口绝对速度v2在圆周速度方向上的分速度为v2u，w2u为w

33、2圆周上的分速度, w2a为w2轴向上的分速度，并且进口圆周速度u1等于出口圆周速度u2。图1.8 叶栅进出口速度三角形1.2.4叶栅翼型的空气动力学特性1、 气体的绕流和升力效应绕流是工程中常见的气体绕物体的流动。研究绕流问题要求我们研究研究物体周围的气流速度、压力等的变化情况。首先研究一个理想流体流过圆柱体的情况,如下图1.9所示8。 图1.9 理想流体流过圆柱流体在理想状态下流近圆柱体为均匀的平行流线。当流体流近圆柱体时，由于圆柱体的阻碍，流线会逐层发生弯曲。绕过c、d两点以后，由于流体是理想的，绕过圆柱体后不会出现附面层分离，流线又合拢。a点是流体质点速度为零的驻点。在b点处的流体急转

34、为水平方向所以此点也是一个驻点8。圆柱体并不会受到任何作用是由于圆柱体为一对物体。对于实际的流体，水平方向会产生平行于流体作用方向相反的阻力 ，而垂直于流体方向上不会产生外力。如果圆柱体以某一角度旋转时，根据实际观察，圆柱周围的流体也将随圆柱一起绕轴心做环流流动。理想的流体流过机翼和流过圆柱体的情况类似。当理想流体以一冲角流过机翼时，气流会沿着物体形状绕过去，气流经过叶型，速度会逐渐均匀，流线的形状会恢复平直。绕叶型的气流上下两部分的流线不对称，在叶型上的作用力的合力为零，也就是说没有升力。但实际上，这是不可能的，实际流体流过叶型时，上下表面层必然会有附面层存在，当气流绕叶尾沿叶型上表面往上流

35、动时，发生强烈的扩压现象，从而会产生附面层分离，形成旋涡，称为启动涡。旋涡被上游的气流带走后，翼叶上的气流则沿着叶尾的方向流向叶尾。那么，实际气流在流经叶型必然会产生旋涡，同样的会产生一个环流，而且这个环流与旋涡是大小相等，方向相反的。这样就会改变叶型上下表面速度的分布情况，换句话说叶型上表面的速度会有所增加，下表面的速度有所降低，因而产生了一个向上的升力。二、叶型和叶栅的空气动力特性在讨论机翼升力时，为了将问题简化，假定流体是理想的，因而阻力为零，升力和阻力的特性统称为空气动力特性。气流与叶栅之间的相互作用速度三角形如下图1.10所示。图1.10 流体与叶栅之间的相互作用速度三角形通过用实验

36、的方法可以求出升力和阻力。为了方便实验和容易分析起见，作用在单位叶片上的升力与阻力分别表示为：升力 =b阻力 =b式中 b叶型弦线 叶型升力系数 叶型阻力系数 叶栅中几何平均相对速度 升力系数、阻力系数体现了叶型的共同特性也是作为衡量机翼好坏的一个直接标准。在攻角一定的情况下，升力系数与阻力系数只与叶型的参数有关。对于已定的叶形来说，升力系数与阻力系数是冲角a的函数，下图1.11描绘了升力系数与阻力系数的实验曲线图。当a较小时，升力系数几乎为直线上升。当a大于某个值域后，升力系数就会迅速下降。与此相应，会存在失速现象，即叶型的阻力系数短时间内急速上升。风机在正常运行时突然出现失速则噪声会短时间

37、内变大，引发风机的剧烈震动和不稳定运行等故障现象。图1.11 气流角沿径向的变化1.2.5孤立叶型设计法孤立翼型是指流体绕翼型的流动是在一个无限大的平面内进行的。除翼型外，没有其他因素干扰流体的流动，这种假设会大大地简化研究问题的困难程度。也就是说，在翼型上下、前后的一定距离处的流体的速度，与未受扰动时的无限远处的来流速度相等。因此，在实际工程中，只要翼型附近有足够大的空间尺寸，就可按照孤立翼型来分析。当叶栅稠度较大时，实际的叶型在叶栅中的升力系数并不等于孤立叶型的值，需要采用叶栅法进行设计。在本设计中采用孤立叶型法设计叶轮叶片，采用叶栅孤立叶型与叶栅结合的方法设计后导叶。设计翼型的空气动力特

38、性，就是设计翼型升力、阻力与翼型的几何形状及气流参数的关系。 一、叶型及叶栅的空气动力基本方程 （一）不考虑叶型摩擦阻力的计算图1.12 理想流体作用在孤立叶型上的力首先讨论理想流体绕流孤立翼型时的情况，即不考虑叶型的摩擦阻力。理想流体做平面有势运动，如果流场中有一翼型，流体会对翼型产生一个升力, 如上图1.12所示。 设：=0，气流作用在单位叶片长度上的气动力为：将 ,代入上式其中 D环形叶栅直径，m； 叶轮的角速度,1/s； z叶片数。则有： （二）考虑叶型阻力损失的计算实际气体在叶栅中的流动会使风机内部产生摩擦损失、局部损失和内泄漏损失等，用全压效率计算为：其中 P通风机的全压； 通风机

39、的全压效率。从下图2.13可知，理想流体流过叶栅时，其气动力为，同时引起的周向和轴向分力分别为和。图1.13 气体绕流叶栅之力分解图由速度三角形可知： 所以： 由图1.13上力分解得： 上式建立了气动力，叶栅主要参数b/t与气体在叶轮叶栅中扭速（表征能量头）之间的关系，是计算轴流通风机叶栅的基本方程。与不考虑叶形阻力损失的计算公式形式不同，但实质是一样的，所不同的是上式公式计入了气流流过叶栅时的阻力损失，而后者是把风机的各种损失用全压效率反映出来。 （三）阻力与叶栅参数之间的关系流过叶轮叶栅一个叶型的能量头损失为： 其中 流过一个叶形的气体重量流量。此式建立了阻力，压差损失与叶栅参数之间的关系

40、。对于导叶也可以建立同样的公式，只需将气流参数改用导叶进口参数就行了。 一、力沿叶高的变化 图1.14 流体微团的受力1动叶；2导叶假设叶轮中的流体（为简化分析，认为是理想流体）沿圆柱面做正常的轴对称运动，取叶轮与导叶的轴向间隙中半径为r处的一流体微团进行受力分析，如上图2.14所示。作用在流体微团上沿半径方向的力有惯性离心力和径向表面力。 1.惯性离心力由流体微团的质量，当其绕轴旋转时，产生的惯性离心力为： 其中 流体微团绝对速度的圆周分速。 2.径向表面力设作用在微团内表面上的压力为，外表面上的压力为：则其总作用力分别为：与而作用在微团左右两侧面上的压力亦为，其总作用力各为：其分解成两个相

41、互垂直的分力，与半径方向垂直的两个分力相互平衡，沿半径方向的两个分力形成合力为：由达朗贝尔原理可知，离心力应与作用在流体微团上的径向表面力大小相等方向相反，可表示为：因，去高阶无穷小，则有即可得：轴流通风机的静压和动压之和是风机的全压，即对半径求导有，将带入上式得：注意到 而有，则有 设风机全压P及轴向速度沿叶高不变，即设,即有： 上式积分得：，此式是等环流公式。等环流公式说明，动叶和导叶轴向间隙中的圆周分速度是按照等环量公式分布的。 三、速度沿叶高的变化 （一）扭速沿叶高的变化所谓的扭速是指叶轮任意半径处，进出口气流相对速度在圆周方向上的分速度之差，即。下面来分析扭速沿叶高的变化规律。由可知

42、，在任意半径r处，有： 由图6速度三角形可知： 或者可以写成： 若记平均半径为，则对应的扭速为，有： 由上式可得，气流的扭速随着叶轮半径的增大而减小，也就是说气流在叶根处的扭曲大（也就是说气流的转折角大），但是在叶顶处气流扭曲小（也就是说气流的转折角大）。 （二）气流速度沿叶高的变化设平均半径为，而对应的圆周叶高圆周速度为，轴向速度为。由可知任意半径处，气流速度与平均半径处对应分速度之间的关系为：，即随叶轮半径的增大而减小。变化规律如下图1.15所示，其中为叶顶的半径。图1.15 气流速度沿径向的变化 （三）气流角沿叶高的变化由叶栅进出速度三角形可知气流角沿半径的变化规律。 1.的变化规律因

43、故 由上式可知，气流角随着叶高增大。2.的变化规律 因 即 由上式可知，在径向随着半径的增大，气流角也随之增大，在叶根处最小。 3.的变化规律设转速为，在任意半径和平均半径处的圆周速度分别为即有 由速度三角形可得： 由上式可知，随着半径增大，气流角减小。 4.的变化规律同样由速度三角形可得： 图1.16 升力系数、阻力系数与气流角的关系 由上式可知，随着半径的增大，气流角减小。上图1.16表示气流角沿半径变化的情况。在顶叶和叶根处变化的差值，反应了叶片沿半径扭曲的情况。1.2.6平面叶栅法 当叶栅稠度较大时,实际的叶型在叶栅中的升力系数与孤立叶型的值不对等。在此情况下使人们在孤立叶型的基础上进

44、行了大量的实验研究。叶栅的额定工况根据平面叶栅法将对叶片进行计算, 叶栅额定工况下的气流转折角，根据设计叶栅前后的速度三角形计算得到的气流转折角。根据气流转折角查图得出最佳叶栅稠度。其余各参数的计算与孤立叶型法类似。1.2.7叶栅中的损失及效率 一、叶珊中的损失 （一）叶型损失 叶型损失是指叶型表面因附面层所引起的摩擦损失和尾际涡流损失，其大小与叶片型式、b/t、表面质量及冲角等有关。计算公式为： （二）二次流损失因二次涡流产生的损失。一般取=0.018，若是等厚度平板叶片可取=0.025。 （三）环面损失环面损失是指风机外壳与转子之间形成的环形通道表面上由于气流摩擦和涡流引起的损失。 二、效

45、率 （一）通风机的效率其中 级的理论总压升 叶轮的压力损失 前导叶损失 后导叶损失 扩压器损失 （二）风机功率因为风机中由原动机输入的机械能存在着各种损失，不能将全部能量传递给流体，只能传递大部分动力，损失的部分则用相应的效率表示。效率是体现风机能量利用程度的一个重要的经济指标。风机中常用的功率有有效功率、轴功率与原动机功率等。 1.有效功率有效功率是指流体从风机中实际获得的功率。 kW其中 体积流量，m3/s； p全压，Pa。 2.轴功率轴功率是指原动机传递给风机轴端上的功率。由于风机内存在各种损失，所以风机的效功率要小于轴功率，如果总效率已知，则风机轴功率为： （三）原动机功率原动机功率是

46、指原动机的输出功率。其中 传动效率。 2 风机设计部分2.1方案设计 本论文通过计算比转速确定是设计成离心式风机还是轴流式风机。计算公式为：当=2.712时，设计为前弯式离心风机；当=3.616.6时，设计为后弯式离心风机；当=1836时，设计为轴流式风机。因为在本设计中=26，由此可知应该设计为轴流式风机。下面再对风机进行气动设计、主要参数选择、结构设计与强度校核。2.2 轴流风机的气动设计确定了设计为轴流风机后，下面就是风机的气动设计。气动设计包括孤立叶型设计法与平面叶栅法，目前大多数通风机也都采用孤立翼型设计法，这种方法比较简便有效。孤立翼型法也有多种，例如采用不同图表等。从研究问题以及

47、解决的方式上来看，这些方案虽然各具特点，但是他们的实质都是按叶型和叶栅理论及采用孤立翼型的实验数据得到的。 在本设计中，用户给定的要求为流量120m3/h；全压3000Pa；转速960rpm；用于输送密度为1.2kg/m3的清洁空气。2.2.1结构选择图2.1 叶轮后设置导叶气体流向 本论文设计的结构方案先假定是单级叶片叶轮后设置后导叶，这种结构方案在轴流通风机中应用最广泛。气体轴向进入叶轮会出现气体流出的现象，因为从叶轮流出的气体会发生某种程度的旋转运动，经过后导叶扩压整流以后,使气体轴向流出，见图2.1，反应度，主要应用于压头较高的级，效率也高，设计制造良好的风机效率可达90%。2.2.2

48、选择电机风机的转速可以根据用户的要求来选择。为了正确的选择电机，需要准确的计算轴功率后才能选择符合要求的电机，风机在设计工况下运行时的轴功率为：其中 qv流量，m3/s； p风机全压，Pa； 全压效率； 传动效率。本文设计中选择的转速是960r/min，在本设计中先假定设计的风机效率为0.9，则轴功率为： kW 根据风机手册，计算出流量系数为：，根据流量系数查图找到功率系数，选取=1.19，可以算出选取的电机功率为449kW，查机械手册可选取Y4506的450kW的电机10。2.2.3确定叶轮外径及轮毂直径 一、轮毂比在设计轴流通风机时，必须确定轮毂比，其中为轮毂直径，为叶轮外径。轮毂比会影响

49、风机的流量、压力和效率等，因此是一个重要的结构参数。所以，当通风机的流量、压力和转速已经确定的情况下，轮毂比也是特定的。当风机的压力较大时，轮毂比的值也应该较大，但是若轮毂比过大，会导致叶片太短，从而使叶片流道中的气体流动损失大大增加，同时也会恶化风机的性能，使效率降低。相反如果轮毂比过小，也不利于风机的运行，会造成叶片根部的气流发生分离，损害风机的性能。此外从结构方面来看，轮毂比过小，会使设计的叶片过长，使叶片布置起来变得困难。一般轮毂比的范围为=0.0250.75。采用单级叶片的通风机轮毂比为0.30.45。对于多级叶片的风机来说可选取轮毂比在0.50.7之间，也有取轮毂比低于0.5者。根

50、据大量实验结果得出，轮毂比和比转速ns存在着如图2.2的关系，对于单级风机可利用上图来选择符合要求的轮毂比。图中的虚线主要是不同风机与不同叶图2.2 轮毂比与比转速的关系型在实验中的偏差范围，如在一定的轮毂比下，圆弧形叶片叶轮的比转速大。根据比转速ns查图2.2取轮毂比=0.6，所以设置后导叶是合理的。 二、叶轮外径Dt 选择合理的轮毂比后，接下来就是要确定叶轮外径Dt。Dt的大小也会直接影响风机的性能和结构。在风机的压力、流量及转速已经给定的情况下，那么风机的叶轮的尺寸Dt基本上也就确定了。根据大量实验结果得出叶轮尺寸Dt、压力P、流量及转速n之间存在着一定的关系，用系数与比转速来描述，如图2.3图2.3 比转速与系数的关系示，与基本上成直线关系。其中：查上图19得系数后，就可求得叶轮尺寸，将带入下式 得： 其中 p风机的全压，N/m2； 气体的密度，取1.2kg/m3 n风机的转速，1/min。根据比转速查取上图2.3得=1.83。带入数据得： 圆整2.6m 三、轮毂直径 轮毂直径为： m2.2.4圆周速度与压力系数圆周速度: 压力