9-19离心风机设计说明书

1、毕业设计(论文） 专 业 机械制造及自动化班 次 10113 姓 名 李志鹏 指导教师 黄兆飞 毕业设计任务书 专 业_机械制及自动化_ 班 次_ 10113_ 学生姓名_李志鹏_ 指导教师_黄兆飞_ 设计评分_二0 年 月 日设计(论文）题目:9-19高压冷却风机设计与有限元分析专 题：任务开始日期： 20 年 月 日任务完成日期： 20 年 月 日设 计 人：李志鹏同 组 人：等人指导教师（签名）:教研室(签 名）:主 任系 主 任（签名）:（一) 设计（选题)目的(包括原始数据）9-19型离心通风机，一般用于锻冶及高压强制通风，并可广泛用于输送物料，空气等无腐蚀不自然,不含粘性物质的气体

2、。在电力和冶金行业中应用较多。本风机用于密封冷却场合，风机设计要求： 1.根据9-19空动图进行设计;2.风机转速2900r/min,流量3400m3/h,风机全压：5300Pa,叶轮直径为500mm；3。通过静力分析确定风机的前盘厚度，叶片厚度,后盘厚度（可通过有限元法）；4.确定风机的固有频率,若共振对其进行规避；5。通过计算选择电机；6。设计完整919高压风机图纸；7.做出3D装配动画;分析模拟装配过程（二） 推荐主要参考资料 机械设计手册风机手册 （三） 设计工作任务及技术指标 1产品图一份2设计说明书一份毕 业 设 计 评 语指导教师评语注:如不够填写，可自行附页目录一.摘要6二.离

3、心式通风机的结构及原理7三.离心风机的设计任务与要求11四.离心风机的设计方法一121.设计原理:相似性原理122。利用相似原理所能解决的问题123.风机的相似设计15五离心风机的设计方法二171。叶轮气动设计172。确定蜗壳尺寸及轮廓243.集流器设计25六。风机的有限元分析251关于有限元：252基于Inventor的叶轮有限元分析：263.分析并求出叶轮厚度294。对调整后的叶轮整体进行有限元分析30七.离心风机的强度校验351。叶轮零部件强度分析的传统计算方法361。1叶片的强度计算362.1叶轮前的强度计算382.2叶轮后盘强度的校验403.1叶轮用铆钉强度计算414.1叶轮轴盘的设

4、计计算41八。风机的固有频率校核411.叶片的震动校核41九.通风机的降噪441。噪声的概念442。降噪方法44十.总结46十一.参考文献48致谢49一。摘要研究一个良好的风机对生产具有很大的意义。合理设计、选择和使用风机，关系到安全生产和职工身体健康，对主要技术经济指标也有一定影响。本设计查阅有关离心式通风机设计的技术资料，严格执行相应的标准，参照现有的在实际应用的风机设计加工的图纸,对相应的尺寸、技术要求等借鉴经验。主要采用了相似性设计方法与有限元分析法相结合的方法，设计出风机的主要尺寸,并进行校验.此外本文尝试使用多种方法进行校验，并比较其中的不同.所使用的动力学公式来自书籍、网络与期刊

5、。可能有不当的错误借鉴，切不可作为设计依据。关键词:离心式通风机;有限元；动力学计算。ABSTRACTA good fan of the production of great significance. Rational design， selection and use of wind turbines, related to the safety and health of workers， on the main technical and economic indicators also have some impact. The design of access to the re

6、levant centrifugal fan design technical information， strict implementation of appropriate standards, with reference to the practical application of existing fan design and processing of the drawings, the corresponding size， technical requirements， etc. draw experience. Mainly adopted similar design

7、methods and finite element analysis method are combined to design a wind turbine main dimensions, and for verification.Besides， the paper attempts to use a variety of methods used to verify and compare them differently。 Kinetic equations used from books， network and journals。 Errors may have imprope

8、r reference, must not be used as the design basis。Keywords: centrifugal fan; finite element; dynamics calculations. 二.离心式通风机的结构及原理通风机是依靠输入的机械能,提高气体压力并排送气体的机械,它是一种从动的流体机械。通风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风;谷物的烘干和选送;风洞风源和气垫船的充气和推进等。通风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低,压

9、力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化,即把气体作为不可压缩流体处理。 能有很大影响.叶轮经静平衡或动平衡校正才能保证通风机平稳地转动。按叶片出口方向的不同，叶轮分为前向、径向和后向三种型式。前向叶轮的叶片顶部向叶轮旋转方向倾斜；径向叶轮的叶片顶部是向径向的，又分直叶片式和曲线型叶片；后向叶轮的叶片顶部向叶轮旋转的反向倾斜。前向叶轮产生的压力最大，在流量和转数一定时，所需叶轮直径最小,但效率一般较低；后向叶轮相反,所产生的压力最小,所需叶轮直径最大，而效率一般较高;径向叶轮介于两者之间.叶片的型线以直叶片最简单,机翼型叶片最复杂.为了使叶片表面有合适的速度分布，一般采用曲线型叶片，如等厚度圆

10、弧叶片.叶轮通常都有盖盘，以增加叶轮的强度和减少叶片与机壳间的气体泄漏。叶片与盖盘的联接采用焊接或铆接。焊接叶轮的重量较轻，流道光滑。低、中压小型离心通风机的叶轮也有采用铝合金铸造的。轴流式通风机工作时，动力机驱动叶轮在圆筒形机壳内旋转,气体从集流器进入,通过叶轮获得能量，提高压力和速度,然后沿轴向排出。轴流通风机的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，小型的叶轮直径只有100毫米左右，大型的可达20米以上。小型低压轴流通风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流通风机由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为224

11、。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为10°45°，安装角越大，风量和风压越大.轴流式通风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。 斜流通风机又称混流通风机，在这类通风机中，气体以与轴线成某一角度的方向进入叶轮,在叶道中获得能量,并沿倾斜方向流出。通风机的叶轮和机壳的形状为圆锥形.这种通风机兼有离心式和轴流式的特点，流量范围和效率均介于两者之间。 横流通风机是具有前向多翼叶轮的小型高压离心通风机。气体从转子外缘的一侧进入叶轮,然后穿过叶轮内部从另一侧排出，气体在叶轮内两次受到叶片的力的作用。在相同性能的条件下，它的尺寸小、转速低。与其他类型低速通风机相比,横流通风机具有较高的

12、效率.它的轴向宽度可任意选择，而不影响气体的流动状态，气体在整个转子宽度上仍保持流动均匀。它的出口截面窄而长，适宜于安装在各种扁平形的设备中用来冷却或通风。通风机的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外,噪声和振动的大小也是通风机的主要技术指标。流量也称风量，以单位时间内流经通风机的气体体积表示;压力也称风压，是指气体在通风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分;功率是指通风机的输入功率，即轴功率。通风机有效功率与轴功率之比称为效率。通风机全压效率可达90%。通风机未来的发展将进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率,以降低电能消耗；用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机；降

13、低通风机噪声；提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。2.1离心风机的基本组成主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、联轴器、轴、电动机等部件组成。旋转的叶轮和蜗壳式的外壳。旋转叶轮的功能是使空气获得能量; 蜗壳的功能是收集空气，并将空气的动压有效地转化为静压。2.2离心风机的原理离心式通风机的工作主要依靠离心力完成.气体的离心通风机巾的流动足为轴向，后转弯垂直于通风机轴的径向，当气体通过旋转叶轮的叶道问，由于叶片的作用气体获得能量,即气体孤力提高和动能增加。当气体获得能量足以克服其阻力时则可将气体输送到远处或高处。 离心通风机的理论压头公式即离心通风机的基本方程式是

14、利用流体力学的动量矩原理推算而得，其表达为pt=u2c2cos2-u1c1cos1r/gpt 。 离心通胍机产生的理论压头u1、u2 .叶轮进出U的圆周速度c1、c2 。 气流质点在叶轮进出口处的绝对速度1、2 叶轮进出口处圆周速度与绝对速度的夹角r。. 气体的重度g. 重力加速度1- 进气室；2进气口;3叶轮;4-蜗壳；5-主轴；6出气口；7扩散器 2。3离心风机的主要结构参数如图所示,离心风机的主要结构参数如下。叶轮外径, 常用D表示；叶轮宽度， 常用b表示;叶轮出口角，一般用表示。叶轮按叶片出口角的不同可分为三种:    前向式叶片弯曲方向与旋转方向相同，

15、> 90°（90° 160°）；    后向式叶片弯曲方向与旋转方向相反， 90°(20° 70°)；径向式叶片出口沿径向安装，= 90°。2.4离心风机的传动方式如图所示。三。离心风机的设计任务与要求（1） 设计任务通风机给定的设计条件主要有流量、全压及运行条件。通风机气动设计的任务是根据给定的设计条件，以气流损失最小为原则，确定风机通流部件的结构和尺寸。影响通风机中流动损失的参数主要有：进口和出口叶片几何角和安装角、进口和出口的直径比、转速、进口和出口的轴向宽度、叶片数、叶片形状、机壳

16、形状以及进气和扩压装置的结构等，所以，离心通风机气动设计的内容包括叶轮设计、进气装置设计、机壳设计及扩压器设计。（2） 设计要求9-19型离心通风机，一般用于锻冶及高压强制通风,并可广泛用于输送物料，空气等无腐蚀不自然，不含粘性物质的气体。在电力和冶金行业中应用较多。本风机用于密封冷却场合，风机设计要求： 1。根据9-19空动图进行设计；2。风机转速2900r/min，流量3400m3/s,风机全压:5300Pa，叶轮直径为500mm；3。通过静力分析确定风机的前盘厚度，叶片厚度，后盘厚度（可通过有限元法）；4。确定风机的固有频率，若共振对其进行规避；5。通过计算选择电机；6。设计完整9-19

17、高压风机图纸;7.做出爆炸图与3D装配动画；四。离心风机的设计方法一相似理论在风机的相似设计和性能的相似换算中是非常重要的。所谓相似设计，即根据实验研究出来的风机模型来设计与模型相似的风机。我国目前生产的风机系列产品，是利用样机模型根据几何相似原理生产各种不同型号的风机.性能相似换算是用于实验条件下不同于设计条件时,将实验条件下的性能利用相似原理换算到设计条件下的性能.1.设计原理：相似性原理风机的相似原理.集合相似的两体系中进行同一性质的过程,切体系中各对应点上表示现象特征的同类量成比例关系时，则此两体系称为互为相似的现象。要保证气体在风机中流动相似,必须具备三个相似条件,即几何相似，运动相

18、似和动力相似。也就是说，必须满足模型与实物中任何对应点的上的同一物理量之间保持比例关系。两通风机相似是指气体在风机内流通过程相似,或者说他们之间在任一对应点的同名物理量之比保持常数，这些常数叫做相似常数或比例系数2.利用相似原理所能解决的问题(1）绘制同类型风机的无量纲参数特性曲线。根据在一定转速下模型风机的性能曲线，可利用相似原理绘制出这一类风机的无量纲参数特性曲线.这种性能曲线适用于几何形状相似，尺寸大小不同的一系列风机。(2)对通风机的改造.由于运行环境工况的变化，当已有风机工作点偏离最高效率区时或风机选型时没有完全适合实际工况的风机,可利用相似原理对风机进行改造，使其在最高效率区工作.

19、（3)进行相似设计.目前风机动力设计理论设计结果与实际结果有相当大的差距，利用相似原理.可根据已有性能优越、运行可靠的通风机或模型来进行相似设计保证所以需要的结果。（4）新风机设计。在新型通风机的设计与研制开发过程中，根据风机气动理论设计出模型风机后，要对模型风机反复进行试验，再根据实验结果，利用相似原理设计预测实际风机的结果,对模型风机不断进行完善，直到满足设计要求。91911NO5A离心风机空气动力学简图如下：323。风机的相似设计 通风机的相似设计可以依据已有的风机或模型，也可以依据某一类通风机的无量纲性能 曲线。事实上，风机的无量纲性能曲线就是根据该类风机的特定模型试验得到的。根据无量

20、纲性能曲线进行相似设计的步骤如下. 标准进气状态时，要将风机的性能参数换算成标准状态下的值.选择风机转速n。转速选择应综合考虑风机尺寸、噪声、效率及强度.一般需要初选的转速，如不合适，可以根据计算结果调整重新计算。 3计算比转速ns 不考虑压缩性修正系数时，式中Kp =1。 根据ns。的大小，选择风机类型。尽可能多地找出与计算比转速相近的效率较高的风机.并确定选定类型风机在该比转速下的无量纲性能参数、t、i。 如果计算出的比转速过大，无适当的通风机用作模型时，可以考虑采用双吸离心通风机或轴流通风机作为模型通风机。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，但风机结构复杂化

21、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。 如果模型风机的比转速n's恰好等于ns，模型通风机的无量纲性能曲线上的最高效率点即为新通风机的工况点。如果n's不等于ns。，应在模型通风机比转速曲线上找出与以ns相等点，则该点即为新通风机的工况点。如果相差过多工作点效率过低，可以通过适当改变叶片的宽度,使工况点移至最高效率点。 确定叶轮直径D2。根据所要求的全压系数公式和和流量系数由式(2-26）和式(227)计算叶轮直径D2.即 如果计算结果较为接近，则D2即为所需要的风机直径。如果两者相差较大,需要考虑用变型设计的方法(风机变型设计方法将在下节介绍）

22、. 确定通流部分尺寸.由D2，根据模型通风机的空气动力学略图，确定所要设计通风机通流部分的其他尺寸，包括叶片安装角A1和A2及叶片数z。 结构设计与强度验算。通流部分的形状和尺寸决定后，进行新通风机的结构设计。必要时需验算部件的强度。解：由空气动力简图可求得：=234°，由设计要求可知：Qv=3400m2/s带入公式计算:D2Q=240QVn213=240×340029002×23413=0.5m所以可以求得相似系数为：500/100=5将91911NO5A空气动力学简图上的尺寸按照5倍放大后便可以得到所需的风机尺寸。五离心风机的设计方法二设计原理:根据给定的设计

23、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2900r/min，流量3400m3/s,风机全压：5300Pa，叶轮直径为500mm解：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 QVO=Q3600=34003600=0.944m3/s由于，ptF=5300Pa>2500Pa，考虑气体可压缩性影响，压

24、缩性系数Kp=kk-1×p1p(1+pp1)k-1k-1 代入数据算得Kp=0。987初取转速n=2900r/min,比转速为 ns=5.54nQVO1/2KpptF03/4=28.33应选离心式风机（2） 选择叶片出口角2A与全压系数t由于叶片全压较高，选择前弯叶片离心式通风机。前弯叶片出口角度2A=100。150。，初选叶片2A=126。,初步计算全压系数tt2=0.003942A+0.3带入计算得到t=1.6（3） 叶轮周向速度u2和出口直径D2u2=2ptFt=2×53001.2×1.6=74.45 m/sD2=60u2n=60×74.45290

25、0=0.49 m取D2=0.5m，则u2nD260=×2900×0.560=75.9m/st=ptF12u22=530012×1.25×75.92=1.7参考“全压系数与出口角推荐范围” t=1.61.8，2A=110°135°所选t=1.7，2A=126°合适（4） 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,

26、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+0.6520.4×30.9442900×0.93=0.267m确定D0=0.25m 取D1=D0=0.25m，（5） 确定b1与进口叶片角2Au1=D1n60=0.25×290060=37.96 m/s根据式（315a），自由进气b=0，取叶道入口界面气流充满系数1=0.91b1=1×o1-d21&#

27、215;DO4=10.65×10.91×0.254=0.1056 m由式（13-7b),进入叶道前的子午速度c1m=Qv1D1B1V=0.9440.91×0.25×0.1056×0.93=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°（6） 确定叶片数Z Z=8.5sin2A1-D1D2=8.5×sin38°1-0.250.5=10.4高压离心风机一般叶片数Z=1016,所以确定Z=10（7

28、） 确定叶片出口宽度b2根据（13-28）b2=b1kcm×D1D2×12取kcm=0。64,2=0.91，则b2=0.10560.64××0.250.5×0.910.91=0.08 m取b2=0.8（8） 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=0.9440.8×0.5=7.51 m则pth=1.2×75.921-7.5175.9cot126°=7409.9 m/s按B.Eck公式计算滑移系数=1+1

29、1.5+1.12A90Z1-D1D22=1+11.5+1.1×38°90101-0.250.52=0.8593考虑有限叶片数影响，理论全压为pth=pth=7409.9×0.8593=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=0.25×0.0005×75.9×2×1.7312=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=

30、0.978叶道入口及出口速度：叶道入口前速度c1m=QthD1b11=0.96080.25×0.1056×0.91=12.73 m/s叶片厚度1=2=0.0025m，计算阻塞系数1=1-1sin1AD1z=1-0.0025sin38°0.2510=0.832=1-2sin1AD2z1-0.0025sin126°0.510=0.98叶道入口后度C1m=C'1m1=12.730.914.14 m/s1=C1msin1A=14.14sin38°=22.9m/s叶道出口前速度C2m=QthD2b222=0.96080.5×0.045&

31、#215;0.98×0.91=15.24 m/s2=C2msinA2=15.24sin126°=18.83 m/s叶道出口后速度C'2m=2c2m=0.98×15.24=14.93 m/sC2u=u2-C2mcot2A=75.9-14.93×cot126°=86.74 m/sC2u=c2u=0.8593×83.74=71.95 m/sC'2=C'2m2+C'2u2=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

32、择各项流动损失系数r=0.15, imp=0.2,V=0.2进弯转损失pr=r2c'1m2=0.2×1.22×14.142=23.99 Pa叶道内的损失pimp=imp2'12=0.2×1.22×22.92=62.9Pa蜗壳内流动损失pV=v2c'22=0.2×1.22×73.48=647.9 Pa冲击损失psr2c'1m2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 PaPt

33、F-PtF0PtF0×100%=5633-53005300=6%计算风机效率h=PtFPth=56336367=0.88（9） 计算风机功率轮阻损失，取=0.85Pdf=u23D22×103=1.2×0.85×75.93×0.53×10-6=0.055 KW内部功率Ni=Pdf+PtFQth1000vh=0.055+5633×0.9601000×0.978×0.88=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.

34、15×6.36=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C'm也由叶道入口的C'1m线性变化至叶道出口C'2m，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。2250.23750.25C'm15。2414。98914。73814.48714。23613.98513。73413。48313.23212。9

35、8112.73B0。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=0.6×0.25-0.125+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

36、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=90°1Ritani+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=1.32.2×0.045=0.05850.099 m取B=0.080 m（2） 计算蜗壳截面张开度AA=QnBc2u=0.9440.08×71.95=0.164 则基变长度a为a=A4=0.1644=0.041 m按

37、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=0.070.15×0.5=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=0.030.06×0.5=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

38、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.六.风机的有限元分析1关于有限元：有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解.它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替.由于大多数

39、实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段.有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形(有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算,并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解

40、偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程， 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法， 他们各有利弊. 当区域改变时（就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道）上解偏微分方程的一个很好的选择. 例如， 在正面碰撞仿真时， 有可能在”重要"区域（例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗）; 另一个例子是模拟地球的气候模式， 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。有限元方法与其他求解边值问题近似

41、方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”,即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技

42、术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃.2基于Inventor的叶轮有限元分析：叶轮叶片的有限元分析在理想状态下，我们认为叶片所受力为叶轮旋转所产生的离心力，自身所受重力，和运动时的空气阻力。因为该叶轮较小，所以忽略空气阻力进行

43、分析。诺需要对风场进行分析则需要ANSYS等大型有限元分析软件进行分析。在进行分析前需进行三维建模，参阅风机手册与同类型风机。初选叶片厚度2。5mm，前盘厚度，后盘厚度皆为2mm如下图查阅风机手册，可知高压离心风机叶轮一般使用高强度低合金钢，故选用Q345作为叶轮材料材料物理性能如下：由于是对理想状态下对叶轮进行分析，所以选择静力分析。并设置求解器：由于叶轮通过铆钉与轴盘紧密连接在一起，所以将连接位置设置为“固定约束”如下图。由于叶轮是竖直安装,所以给定重力方向应垂直于x、y轴，与在轴平行。叶轮转动为绕着X轴顺时针转动,由于软件所限无法加载转速这一物理量，所以使用“体载荷”该选项模拟,设置一个

44、加速度为0的角速度为17400deg/s的角速度代替转速（2900r/min=17400deg/s）设置如下：完成载荷的加载后，对模型进行接触的设置，由于该零件没有特殊接触，所以直接使用自动接触。划分网格，网格的划分直接影响分析质量的好坏,是有限元分析中相当重要的一部,网格细小有助于更精确的分析,但过多的网格会降低计算速度，影响效率.有与现有设备所限采用一般网格密度。得到下图:点击分析后开始进行分析3。分析并求出叶轮厚度分析结果可知叶轮安全系数最小为1.836，安全系数最小处在后盘上,增大后盘厚度再次计算。每次增大1mm,发现当厚度增大到4mm时安全系数最低点出现在前盘与入口，叶片与前盘连接处

45、。分析叶片强度。依照上诉方法,对叶轮进行分析安全系数为11远大于要求安全系数，所以对前盘进行加厚，每次加1mm发现当前盘厚度为3mm时：叶轮的安全系数最小值为4。15，满足安全系数45的要求.4.对调整后的叶轮整体进行有限元分析对叶轮进行调整，前盘3mm，后盘4mm，叶片2mm.对叶轮进行整体分析,mises等效应力第一主应力安全系数七.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

46、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

47、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=2bl

48、R=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(N·m)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（N·m)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

49、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

50、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 =12×0.002586.08290020.04920.1=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

51、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=7.85×103Kg/m2，=0.

52、28带入上式,得到t1=7.85×103×75.92×3+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=23×D23-D13D22-D12式中,m为半圆盘质量；Rc为半圆盘

53、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

54、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

55、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=12611182×8×2900×75×103 =1.2×106 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。 八.风机的固有频率校核1.叶片的震动校核离心风机叶片工作中，受气流周期性的激震作用。当这些外部扰动力的频率与叶片的固有频率重合时，叶片就会发生共振，导致事故。因此，通风机工作时，必须使气流激振力的频率原理叶片的固有频率.（1） 计算风机的转频已知电机的转速为2900r/min,所以电机的转动频率为（2） 通过有限元方法计算出风机的固有频率建立风机的三维模型，设置