KZ25-64-8 型軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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Reasonable design, selection and use of a fan, put a great impact on the mine's safety and physical health of miners,as well as on the mine's main technical and economic indicators. The design of axial fl-ow fan design access to technical information, strict implementation of re-levant national or international standards, reference to the practical applic-ation of the existing axial fan design and processing of the drawings, the size of the corresponding technical requi-rements from experience the va-lue . For use at home and abroad in the design of high-pressure axial fa-n blade design widely used method BLADE design.The introduction of c-omputer-aided design, specifically the preparation of the c-orresponding c-omputer applications to automatic checking, the final results dir-ectly. Usi-ng twisted aerofoil blades, aerodynamic efficiency, energy conservation is the most effective; blade angle can be adjusted, according to changes in mine production, adjust fan status at any time. Keywords: Axial fan; Blade adjustable; computer-aided design; Cascade Design 目錄 摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 1 緒論 1 1.1 通風(fēng)機(jī)綜述 1 1.1.1 通風(fēng)機(jī)的分類 1 1.1.2 通風(fēng)機(jī)的主要參數(shù) 2 1.1.3 通風(fēng)機(jī)發(fā)展 2 1.2 軸流式通風(fēng)機(jī) 5 1.2.1 軸流通風(fēng)機(jī)原理 5 1.2.2 軸流通風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu) 6 1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)綜述 7 1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 7 1.3.2 主要問題及解決方法 8 1.3.3 設(shè)計(jì)成果及風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn) 9 2 方案選擇 11 2.1主要結(jié)構(gòu)方案比較 11 2.2 方案的確定 13 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算過程 15 3.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.1.2 葉型參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 22 3.2.1 程序介紹 23 3.2.2 程序主函數(shù) 23 3.2.3 程序運(yùn)行截圖 23 4 強(qiáng)度校核 26 4.1 動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 4.2 支桿強(qiáng)度校核 27 4.2.1 由離心力引起的應(yīng)力 27 4.2.2 由氣流載荷力引起的應(yīng)力 32 4.2.3 強(qiáng)度校核 34 4.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 4.4 輪盤強(qiáng)度校核 35 4.4.1 支桿及螺母等質(zhì)量及離心力的計(jì)算 35 4.4.2 輪盤強(qiáng)度的校核 36 4.5 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 38 4.5.1 程序介紹 38 4.5.2 主程序 38 4.5.3 程序運(yùn)行截圖 38 4.6校核結(jié)論 39 5 其他零部件設(shè)計(jì) 41 5.1 集流器 41 5.2 整流體和擴(kuò)散筒 42 參考文獻(xiàn) 44 致謝 45 附錄二 56 部分程序代碼及運(yùn)算結(jié)果 56 III 1 緒論 在煤礦井下開采時(shí)，不但煤層中所含的有毒有害氣體（如等CH4、CO、H2、SCO2等）會(huì)大量涌出，而且伴隨著采煤過程還會(huì)產(chǎn)生大量易燃易爆的煤塵；同時(shí)，由于地?zé)岷蜋C(jī)電設(shè)備散發(fā)的熱量，石井下的空氣溫度和濕度也隨之升高。這些有毒的氣體、過高的溫度以及容易引起爆炸的煤塵和瓦斯，不但嚴(yán)重影響井下工作人員的身體健康，而且對(duì)礦井安全也產(chǎn)生了很大的威脅。因此，通風(fēng)在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中具有不可忽視的作用。 礦井通風(fēng)的主要?jiǎng)恿κ峭L(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)是用于輸送氣體的機(jī)械，從能量的觀點(diǎn)來看，它是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機(jī)械?？梢哉f它是礦井的“肺臟”。其日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，加之其功率大，因此其能耗很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)部屬煤礦主要通機(jī)平均電耗約占礦井電耗的16%。風(fēng)機(jī)用電約占全國(guó)發(fā)電量的10%；另?yè)?jù)1988年原冶金部的規(guī)劃資料，我國(guó)金屬礦山的風(fēng)機(jī)用電量占采礦用電的30%；鋼鐵工業(yè)的風(fēng)機(jī)用電量占其生產(chǎn)用電的20% ；煤炭工業(yè)的風(fēng)機(jī)用電量占全國(guó)煤炭工業(yè)用電的17%。除此之外，輸送氣體的各種風(fēng)機(jī)在冶煉廠的輸送空氣，工廠車間、居民住房、影劇院、賓館以等的通風(fēng)和降溫方面也有廣泛的應(yīng)用。由此可見，風(fēng)機(jī)節(jié)能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中的地位和作用是舉足輕重的。因此研究設(shè)計(jì)一個(gè)好的風(fēng)機(jī)對(duì)節(jié)能有很重大的意義。所以合理的設(shè)計(jì)、選擇和使用通風(fēng)機(jī)，不僅關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)和煤礦職工的身體健康，而且對(duì)礦井的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有一定影響，并且對(duì)加快四化建設(shè)也有十分重要的意義。 1.1 通風(fēng)機(jī)綜述 1.1.1 通風(fēng)機(jī)的分類 通風(fēng)機(jī)根據(jù)其氣體流動(dòng)方向不同，可以分為離心式、軸流式和混流式等類型。 離心通風(fēng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)(主要是電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)葉輪在蝸形機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對(duì)氣體的動(dòng)力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機(jī)殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內(nèi)的流動(dòng)主要是在徑向平面內(nèi)，故又稱徑流通風(fēng)機(jī)。 軸流式通風(fēng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪在圓筒形機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，氣體從集流器進(jìn)入，通過葉輪獲得能量，提高壓力和速度，然后沿軸向排出。軸流通風(fēng)機(jī)的布置形式有立式、臥式和傾斜式三種，小型的葉輪直徑只有100毫米左右，大型的可達(dá)20米以上。 混流通風(fēng)機(jī)又稱斜流通風(fēng)機(jī)，在這類通風(fēng)機(jī)中，氣體以與軸線成某一角度的方向進(jìn)入葉輪，在葉道中獲得能量，并沿傾斜方向流出。通風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)殼的形狀為圓錐形。這種通風(fēng)機(jī)兼有離心式和軸流式的特點(diǎn)，流量范圍和效率均介于兩者之間。 1.1.2 通風(fēng)機(jī)的主要參數(shù) 通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)主要有流量、壓力、功率，效率和轉(zhuǎn)速。另外，噪聲和振動(dòng)的大小也是通風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。流量也稱風(fēng)量，以單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)通風(fēng)機(jī)的氣體體積表示；壓力也稱風(fēng)壓，是指氣體在通風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力升高值，有靜壓、動(dòng)壓和全壓之分；功率是指通風(fēng)機(jī)的輸入功率，即軸功率。通風(fēng)機(jī)有效功率與軸功率之比稱為效率。通風(fēng)機(jī)全壓效率可達(dá)90％。 1.1.3 通風(fēng)機(jī)發(fā)展 通風(fēng)機(jī)已有悠久的歷史，在國(guó)內(nèi)外的得到了較快的發(fā)展，并取得了還多優(yōu)秀的成果。中國(guó)在公元前許多年就已制造出簡(jiǎn)單的木制礱谷風(fēng)車，它的作用原理與現(xiàn)代離心通風(fēng)機(jī)基本相同。1862年，英國(guó)的圭貝爾發(fā)明離心通風(fēng)機(jī)，其葉輪、機(jī)殼為同心圓型，機(jī)殼用磚制，木制葉輪采用后向直葉片，效率僅為40％左右，主要用于礦山通風(fēng)。1880年，人們?cè)O(shè)計(jì)出用于礦井排送風(fēng)的蝸形機(jī)殼，和后向彎曲葉片的離心通風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)已比較完善了。1892年法國(guó)研制成橫流通風(fēng)機(jī)；1898年，愛爾蘭人設(shè)計(jì)出前向葉片的西羅柯式離心通風(fēng)機(jī)，并為各國(guó)所廣泛采用；19世紀(jì)，軸流通風(fēng)機(jī)已應(yīng)用于礦井通風(fēng)和冶金工業(yè)的鼓風(fēng)，但其壓力僅為100～300帕，效率僅為15～25％，直到二十世紀(jì)40年代以后才得到較快的發(fā)展。 1935年，德國(guó)首先采用軸流等壓通風(fēng)機(jī)為鍋爐通風(fēng)和引風(fēng)；1948年,丹麥制成運(yùn)行中動(dòng)葉可調(diào)的軸流通風(fēng)機(jī)；旋軸流通風(fēng)機(jī)、子午加速軸流通風(fēng)機(jī)、斜流通風(fēng)機(jī)和橫流通風(fēng)機(jī)也都獲得了發(fā)展。 在當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，由于風(fēng)機(jī)屬于在發(fā)電、化工等行業(yè)應(yīng)用范圍較廣的通用機(jī)械，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大影響，發(fā)達(dá)國(guó)家以及包括我國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的制造都很重視。世界上比較大的風(fēng)機(jī)制造國(guó)主要有日本、德國(guó)、意大利、瑞士、美國(guó)等。比較大的風(fēng)機(jī)制造商主要有日本的日立制作所、荏原制作所、三菱重工業(yè)株式會(huì)社、川嶼重工業(yè)株式會(huì)社等；英國(guó)主要有詹姆斯?豪登公司；德國(guó)有德馬格德拉瓦透平機(jī)械公司和KKK公司；瑞士主要有蘇爾壽公司等。 風(fēng)機(jī)方面，我國(guó)國(guó)情不同于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，中小型風(fēng)機(jī)是勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品，附加值較低，先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家不會(huì)再在技術(shù)和工藝方面大量投資，但仍在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、便于維護(hù)、環(huán)保四個(gè)方面注重對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)。國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家主要對(duì)技術(shù)含量高的離心、軸流壓縮機(jī)等大型風(fēng)機(jī)較為關(guān)注。一些著名廠商，如瑞士蘇爾壽公司不但生產(chǎn)風(fēng)機(jī)，還生產(chǎn)汽輪機(jī)、鍋爐、大型柴油機(jī)等用于大型項(xiàng)目的設(shè)備。對(duì)于風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，國(guó)外公司在質(zhì)量上注重于提高機(jī)械效率及延長(zhǎng)使用壽命，向節(jié)約資源和節(jié)省能量方向發(fā)展；在成本上則加強(qiáng)新材料的研制，降低物耗，并注重整個(gè)系統(tǒng)總成本的降低；在維護(hù)上從部件的通用化、維護(hù)換件簡(jiǎn)易化向自動(dòng)化、無需維修、節(jié)省人力方向發(fā)展；在環(huán)保方面，注重于謀求安全可靠、向低噪聲、低振動(dòng)等防公害技術(shù)方向發(fā)展。 近幾年我國(guó)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)通過加大科研投入，加強(qiáng)科研攻關(guān)和技術(shù)改造，采用新技術(shù)、新工藝、新材料努力開發(fā)適銷對(duì)路產(chǎn)品，同時(shí)采用引進(jìn)技術(shù)、與國(guó)外合作等方式發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)品，使我國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)企業(yè)在產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、大型化、高效、節(jié)能、低噪聲等方面有了長(zhǎng)足進(jìn)步，出現(xiàn)了一大批處于國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。但就行業(yè)整體而言，一些歷史長(zhǎng)、包袱重的國(guó)有企業(yè)受資金、體制等因素困撓，技術(shù)水平較低。 當(dāng)前世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家大型風(fēng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的主要特點(diǎn)是： 1) 以節(jié)能、節(jié)約資源為核心，提高單件效率和耐久性，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率； 2) 加強(qiáng)系統(tǒng)的自動(dòng)化、事故警報(bào)系統(tǒng)的研制，節(jié)省維護(hù)、監(jiān)控方面的人力； 3) 為提高競(jìng)爭(zhēng)能力，力求包括附屬部件在內(nèi)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和組合化； 4) .進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)低噪聲、低振動(dòng)技術(shù)的研究； 5) 不斷針對(duì)新的需要，開發(fā)新的產(chǎn)品； 6) 在工藝上引進(jìn)柔性制造系統(tǒng)，最大限度地提高產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。 風(fēng)機(jī)產(chǎn)品大多根據(jù)用戶需要有不同特性要求，多屬小批量生產(chǎn)，特別是一些大型風(fēng)機(jī)產(chǎn)品甚至是單件小批生產(chǎn)，對(duì)工藝要求復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)自動(dòng)化程度很低，而國(guó)外通過研制和采用柔性制造系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。以美國(guó)為例，中小風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)已全部通過自動(dòng)線完成，從工藝角度提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了產(chǎn)品成本。 通風(fēng)機(jī)未來的發(fā)展將進(jìn)一步提高通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率、裝置效率和使用效率，以降低電能消耗；用動(dòng)葉可調(diào)的軸流通風(fēng)機(jī)代替大型離心通風(fēng)機(jī)；降低通風(fēng)機(jī)噪聲；提高排煙、排塵通風(fēng)機(jī)葉輪和機(jī)殼的耐磨性；實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和自動(dòng)化調(diào)節(jié)。 1.2 軸流式通風(fēng)機(jī) 1.2.1 軸流通風(fēng)機(jī)原理 軸流式通風(fēng)機(jī)原理是依靠葉輪旋轉(zhuǎn)，葉片產(chǎn)生升力來輸送流體，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體能量。由于流體進(jìn)入和離開葉輪都是軸向的,故稱為軸流式風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)屬于高比轉(zhuǎn)數(shù)，其特點(diǎn)是流量大，風(fēng)壓低。軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)壓一般在450 Pa～4500 Pa 之間，主要用于礦井、隧道、船艦倉(cāng)室的通風(fēng)；紡織廠通風(fēng)、工業(yè)作業(yè)場(chǎng)所的通風(fēng)、降溫；化工氣體排送；熱電廠鍋爐的通風(fēng)、引風(fēng)；熱電站、冶金、化工等冷卻塔通風(fēng)冷卻。 1.2.2 軸流通風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu) 圖示1是軸流通風(fēng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。氣體從集風(fēng)器1進(jìn)入。通過葉輪2使氣流獲得能量，然后流入導(dǎo)葉8，導(dǎo)葉將一部分偏轉(zhuǎn)的氣流動(dòng)能變?yōu)殪o壓能，最后，氣流通過擴(kuò)散筒4將一部分軸向氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，然后從擴(kuò)散筒流出，輸入管路。葉輪和導(dǎo)葉組成級(jí)、軸流式通風(fēng)機(jī)因壓力較低，一般情況下都采用單級(jí)。 低壓軸流式通風(fēng)機(jī)的壓力在490Pa以下，高壓軸流式通風(fēng)機(jī)的壓力一般也在4900Pa以下，因此，相對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)而言，軸流式通風(fēng)機(jī)具有流量大、體積小，壓頭低的特點(diǎn)。 除上述的典型結(jié)構(gòu)外，軸流通風(fēng)機(jī)的型式和構(gòu)造是多種多樣的，小的軸流風(fēng)機(jī)，其葉輪直徑只有100多毫米，大的直徑可有20多米。目前最大的軸流通風(fēng)機(jī)的流量可達(dá)1500萬m3/h。小型低壓軸流通風(fēng)機(jī)由葉輪、機(jī)殼和集流器等部件組成，通常安裝在建筑物的墻壁或天花板上；大型高壓軸流通風(fēng)機(jī)由集流器、葉輪、流線體、機(jī)殼、擴(kuò)散筒和傳動(dòng)部件組成。葉片均勻布置在輪轂上，數(shù)目一般為2～24。葉片越多，風(fēng)壓越高；葉片安裝角一般為10°～45°，安裝角越大，風(fēng)量和風(fēng)壓越大。軸流式通風(fēng)機(jī)的主要零件大都用鋼板焊接或鉚接而成。風(fēng)機(jī)布置形式有立式、臥式和傾斜式三種。軸流通風(fēng)機(jī)很多是電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)的，也可通過其他裝置進(jìn)行變速傳動(dòng)。為了便于安裝和維護(hù)，軸流風(fēng)機(jī)廣泛采用滾動(dòng)軸承。 由于葉輪強(qiáng)度和噪聲等原因，軸流風(fēng)機(jī)葉輪外徑的圓周速度一速高時(shí)，將產(chǎn)生比離心風(fēng)機(jī)大的噪聲。 現(xiàn)代軸流通風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉或?qū)~常做成可調(diào)節(jié)的，即其安裝角可調(diào)。這樣不僅大大擴(kuò)大了運(yùn)行工況范圍，而且顯著提高了變工況下的效率，因此，其使用范圍和經(jīng)濟(jì)性均比離心式風(fēng)機(jī)好。尤其是近年來，動(dòng)葉可調(diào)機(jī)構(gòu)被成功地采用，使得軸流風(fēng)機(jī)在大型電站（80萬千瓦以上）、大型隧道、礦井等通風(fēng)、引風(fēng)裝置中獲得日益廣泛的應(yīng)用。此外，軸流風(fēng)機(jī)還廣泛應(yīng)用于廠房、建筑物的通風(fēng)換氣、空氣調(diào)節(jié)、冷卻塔通風(fēng)、鍋爐鼓風(fēng)引風(fēng)、化工、風(fēng)洞風(fēng)源等方面。 目前單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)的全壓效率可達(dá)90%以上，帶有擴(kuò)散筒的單級(jí)風(fēng)機(jī)的靜壓效率可達(dá)到80%。一般軸流風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)較低，<0.3。而流量系數(shù)=0.3～0.6。單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)=18～90（即100～500）。近年來，軸流風(fēng)機(jī)逐漸向高壓發(fā)展，例如日本某電站用的丹麥VARIAx型動(dòng)葉可調(diào)軸流送風(fēng)機(jī)，其全壓已達(dá)到14210Pa，因此，許多大型離心風(fēng)機(jī)有被軸流風(fēng)機(jī)取代的趨勢(shì)。 1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)綜述 1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)給定的流量及通風(fēng)機(jī)的全壓，設(shè)計(jì)一臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)，該通風(fēng)機(jī)的主要組成部件為：集流器（由外集流風(fēng)筒和流線體形疏流罩構(gòu)成）、前級(jí)葉輪、中導(dǎo)葉、后級(jí)葉輪、后導(dǎo)葉、前級(jí)主風(fēng)筒、中導(dǎo)風(fēng)筒、后級(jí)主風(fēng)筒、擴(kuò)散器（由外筒及流線體形芯筒構(gòu)成）等。前后兩級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)相同，中導(dǎo)葉與后導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)相同。 該通風(fēng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)位于通風(fēng)機(jī)的出口側(cè)。電動(dòng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)之間用傳動(dòng)軸傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)應(yīng)完成對(duì)上述主要結(jié)構(gòu)與部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，并用AutoCAD繪制相關(guān)圖紙。 設(shè)計(jì)題目給定的原始數(shù)據(jù)：流量Q=104 m3/s 全壓 P =3960 Pa 1.3.2 主要問題及解決方法 就本設(shè)計(jì)而言，主要的問題或者任務(wù)是對(duì)葉片葉型、葉片整體及葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)機(jī)其他結(jié)構(gòu)（集流器、中導(dǎo)風(fēng)筒、主風(fēng)筒、流線體、輪盤、擴(kuò)散筒等）的整體設(shè)計(jì)，此外通風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)之間的裝配、安裝形式也是應(yīng)當(dāng)予以考慮的問題。 （1） 葉片葉型設(shè)計(jì) 目前，軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一是利用單獨(dú)翼葉進(jìn)行空氣動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為孤立葉型設(shè)計(jì)法；另一種是利用葉柵的理論和葉柵的吹風(fēng)試驗(yàn)成果來進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為葉柵設(shè)計(jì)法。 對(duì)于軸流通風(fēng)機(jī)來說，由于葉柵稠度不大，一般b/t < 1 ,可以把葉片當(dāng)作一個(gè)個(gè)互不影響的孤立葉片而按孤立葉型法設(shè)計(jì)，即假定孤立葉型的升力系數(shù)與葉柵中葉型的升力系數(shù)相等。由于這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便迅速，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較完整，計(jì)算結(jié)果也較準(zhǔn)確可水，因而國(guó)內(nèi)外都廣泛采用孤立葉型法設(shè)計(jì)軸流通風(fēng)機(jī)，特別是對(duì)于低壓軸流風(fēng)機(jī)，可獲得很好的結(jié)果（具體設(shè)計(jì)方法可以參見參考資料[1]）。但是不論采用何種葉型數(shù)據(jù)及計(jì)算公式，其基本理論都是完全一致的，只不過其表現(xiàn)形式略為不同而已。這兩種設(shè)計(jì)方法，在整個(gè)過程中都需要根據(jù)現(xiàn)有的軸流式通風(fēng)機(jī)的基本理論對(duì)葉片的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，參照廣泛應(yīng)用的基本的原始葉型，構(gòu)造出該葉片葉型主要形式結(jié)構(gòu)。（具體理論參見參考資料[1]、[2]） 本設(shè)計(jì)采用了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于中、高壓軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的葉柵設(shè)計(jì)法進(jìn)行葉片葉型的設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)過程中，為了使葉片初步滿足圓周速度、輪盤強(qiáng)度、效率等因素的要求，需要對(duì)整個(gè)計(jì)算過程進(jìn)行多次迭代驗(yàn)算。如果采用手工計(jì)算地方法必定會(huì)浪費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，為了解決這個(gè)問題，引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，專門編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，來自動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)算，最后直接得到計(jì)算結(jié)果（程序采用Visual Basic語言編制）。 （2） 通風(fēng)機(jī)主要部件設(shè)計(jì) 通風(fēng)機(jī)的主要部件包括葉片整體結(jié)構(gòu)、集流器、中導(dǎo)風(fēng)筒、主風(fēng)筒、流線體、輪盤、擴(kuò)散筒等。對(duì)于這些部件的設(shè)計(jì)，其難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)、尺寸以及指定各部件具體的加工方法、工藝過程和加工過程所應(yīng)滿足的技術(shù)要求等。 為了設(shè)計(jì)出滿足要求、便于加工的結(jié)構(gòu)，主要采取了以下幾種方法： 1) 實(shí)習(xí)參觀制造通風(fēng)機(jī)的企業(yè)車間，實(shí)地考察整個(gè)通風(fēng)機(jī)加工、裝配的實(shí)際操作過程，通過與工人師傅、公司技術(shù)人員交流，了解基本技術(shù)要求，并根據(jù)其反映出的問題，在設(shè)計(jì)過程中盡量避免或者對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化； 2) 查閱有關(guān)通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)資料，嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，參照現(xiàn)有的在實(shí)際應(yīng)用的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)加工的圖紙，對(duì)相應(yīng)的尺寸、技術(shù)要求等取經(jīng)驗(yàn)值； 3) 設(shè)計(jì)過程中向指導(dǎo)老師請(qǐng)教，與其他同學(xué)進(jìn)行討論，不斷的發(fā)現(xiàn)、糾正錯(cuò)誤，彌補(bǔ)不足，優(yōu)化整體、局部結(jié)構(gòu)和加工過程。 1.3.3 設(shè)計(jì)成果及風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn) 在嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算、充分校核的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國(guó)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)的現(xiàn)有條件、能力和技術(shù)水平，參照我國(guó)和國(guó)外優(yōu)秀風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性形式，最后設(shè)計(jì)出的兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 采用扭曲機(jī)翼型葉片，氣動(dòng)效率高，節(jié)能效果極為顯著； 2) 葉片安裝角度可調(diào)，可根據(jù)礦井生產(chǎn)的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)狀況； 3) 采用電動(dòng)機(jī)與葉輪直聯(lián)的結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定型好，安裝方便，維修容易，裝置局阻低，避免了傳動(dòng)裝置損壞事故，也消除了傳動(dòng)裝置的能量損耗，提高了風(fēng)機(jī)裝置效率； 4) 電機(jī)均安裝密閉罩中，密閉罩具有一定的耐壓性，可以使電機(jī)與風(fēng)機(jī)流道中含瓦斯的氣體隔絕，同時(shí)還起一定的散熱作用， 密閉罩設(shè)有兩排流線型風(fēng)管道，通過主風(fēng)筒與地面大氣相通，使新鮮空氣流入密閉罩中，同時(shí)又可使罩內(nèi)空氣在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中保持正壓狀態(tài)； 5) 結(jié)構(gòu)緊湊，防潮性能好。風(fēng)機(jī)主體采用鋼板、型鋼組焊結(jié)構(gòu)，葉片為鋼板材料，中空，葉片及整機(jī)強(qiáng)度高，抗井下爆破沖擊波的能力強(qiáng)，可安裝在地表，也適合安裝于井下，特別適于作為多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)站風(fēng)機(jī)； 6) 土建工程量很小，可節(jié)省大量投資； 7) 噪聲較低。 2 方案選擇 通風(fēng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)方案選擇問題涉及的因素較多，主要根據(jù)用戶的要求及制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，參照性能良好的已有產(chǎn)品，初步選定設(shè)計(jì)方案。 2.1主要結(jié)構(gòu)方案比較 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的軸流式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，只考慮葉輪前加前置導(dǎo)葉、葉輪后加后置導(dǎo)葉、葉輪前后均加導(dǎo)葉以及兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)這四種形式。 圖2.1 軸流式通風(fēng)機(jī)幾種方案 1-葉輪，2-前導(dǎo)葉，3-后導(dǎo)葉 1、 葉輪前加前置導(dǎo)葉 如圖2-1-a 所示，這種方案的通風(fēng)機(jī)中，氣流在前置導(dǎo)葉中加速并扭轉(zhuǎn)方向，使進(jìn)氣產(chǎn)生旋繞。在通風(fēng)機(jī)中大多數(shù)采用的是負(fù)旋繞（即c1u<0）,如圖2-2-a 所示，這樣出口氣流的絕對(duì)速度方向?yàn)檩S向，以便將氣體能直接輸入管道。這種級(jí)的特點(diǎn)是壓力系數(shù)高，反應(yīng)度Ω>1，一般Ω=1.25～1.50左右。這種級(jí)的效率η=0.78～0.82。其常用于要求體積盡可能小的場(chǎng)合。 2、 葉輪后置后導(dǎo)葉 如圖2-1-b 所示這種方案在軸流通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用最廣，氣體軸向進(jìn)入葉輪，從葉輪流出的氣體絕對(duì)速度尚有一定的旋轉(zhuǎn)，如圖2-2-b 所示，經(jīng)過后導(dǎo)葉擴(kuò)壓整流后，使氣體軸向流出。 其反應(yīng)度Ω＜1，一般為Ω=0.75～0.90左右。這種級(jí)主要應(yīng)用于壓頭較高的通風(fēng)機(jī)，而效率也較高．可達(dá)到η=0.82～0.88，設(shè)計(jì)制造良好的甚 至可達(dá)0.9。 圖2.2 兩種形式通風(fēng)機(jī)的速度三角形 3、葉輪前后均設(shè)置導(dǎo)葉 如圖2-1-c 所示，此方案前導(dǎo)葉使氣流在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生旋繞，后導(dǎo)葉使葉輪出口氣流整流后排出。這種方案其實(shí)是第一、二種方案的綜合，其性能也是介于兩者之間。其布置往往使葉輪進(jìn)出口氣流的絕對(duì)速度大小相等，而旋轉(zhuǎn)方向相反，故而反應(yīng)度Ω=1，這種風(fēng)機(jī)的效率η=0.82～0.85。 4、 兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī) 如圖2-1-d 所示該方案一般是一個(gè)葉輪和一個(gè)導(dǎo)葉組成一級(jí)，也可以在第一級(jí)前設(shè)置導(dǎo)葉。在某些情況下，為了使風(fēng)壓較高，而徑向尺寸較小，也可以采用兩個(gè)葉輪中間加一個(gè)導(dǎo)葉的方法，這可以看作兩極軸流式通風(fēng)機(jī)的改造形式?？傮w來說兩級(jí)風(fēng)機(jī)效率較高，其中每一級(jí)葉輪單獨(dú)工作時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓之和都低于兩級(jí)葉輪同時(shí)工作時(shí)風(fēng)壓的一半，這樣通風(fēng)機(jī)的壽命較高。 本設(shè)計(jì)，在通風(fēng)機(jī)方案選擇過程中，主要是對(duì)以上四種形式進(jìn)行考慮，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面進(jìn)行取舍。 圖2-3表示了兩種通風(fēng)機(jī)級(jí)的特性對(duì)比。壓力系數(shù)、流量系數(shù)及功率系數(shù)的特性對(duì)比?？傮w上來說，這四種方案各有特點(diǎn)，其適用范圍也在 一定程度上有重疊。由于軸流是通風(fēng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)方案的選擇問題比較復(fù)雜， 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一般情況下需要根據(jù)制造廠商的現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)具體情況以及通風(fēng)機(jī)用戶的特定的要求，參照相似條件下已有的典型產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)。 圖2.3 兩種通風(fēng)機(jī)特性比較 1-設(shè)置前導(dǎo)葉，2-設(shè)置后導(dǎo)葉 在進(jìn)行方案選擇的時(shí)候，也可以大致參考風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)ns或壓力系數(shù)進(jìn)行。其方法大體如下： 當(dāng)=0.15～0.25或ns=20.8 32.5（115～180）時(shí)，可以采用葉輪加后導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)； 當(dāng)>0.25或ns=14.5～20.8（80～115）時(shí)，可以采用前導(dǎo)葉加葉輪加后導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu) 。 2.2 方案的確定 通過查閱相關(guān)技術(shù)資料，參照與該設(shè)計(jì)題目所給條件相似的已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用的我國(guó)現(xiàn)有的典型軸流式風(fēng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)形式，綜合以上所述結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過思考以及與小組同學(xué)的討論，最終決定采用電動(dòng)機(jī)和葉輪直接聯(lián)接的動(dòng)葉可調(diào)式兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)。同時(shí)為了減少通風(fēng)機(jī)的尺寸、降低成本，在對(duì)整體效果影響不大，并且可以滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，前級(jí)葉輪不設(shè)置導(dǎo)葉。除此之外，軸流式風(fēng)機(jī)其他基本結(jié)構(gòu)，如集流器、流線體、擴(kuò)散器等都予以保留，并且按照國(guó)家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)加以設(shè)計(jì)。 采用這種方案，相比于其他幾種形式，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1) 兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)的形式，可以使每一級(jí)葉輪所承受的風(fēng)壓低于整個(gè)風(fēng)機(jī)全壓的一半，改善了葉輪的工作條件，這就大大提高了整個(gè)風(fēng)機(jī)的壽命，并且效率較高，對(duì)于礦用產(chǎn)品而言，可以顯著的降低總體成本； 2) 采用動(dòng)葉可調(diào)的形式，能夠改變?nèi)~片的安裝角，這就使該風(fēng)機(jī)可以根據(jù)礦井的具體情況，調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況，使通風(fēng)機(jī)的適應(yīng)范圍更廣； 3) 采用電動(dòng)機(jī)與葉輪直接聯(lián)接的形式，相對(duì)于其他的結(jié)構(gòu)形式，可以使通風(fēng)機(jī)的整體穩(wěn)定型更好，安裝更方便。同時(shí)降低了裝置的局部阻力，能夠避免了傳動(dòng)裝置損壞事故，消除了傳動(dòng)裝置的能量損耗，在另一個(gè)方面上提高了風(fēng)機(jī)裝置效率。 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 通風(fēng)機(jī)的核心部件是葉片，可以說這是體現(xiàn)通風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣的最為重要的結(jié)構(gòu)。因此對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，其設(shè)計(jì)計(jì)算的主體就是對(duì)葉片葉型的相關(guān)參數(shù)、對(duì)整個(gè)葉片的氣動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算、分析和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)葉型的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，采用了在當(dāng)代軸流式通風(fēng)機(jī)葉型設(shè)計(jì)過程中得到廣泛應(yīng)用，并且技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較為成熟的平面葉柵設(shè)計(jì)法。 前面概述中已經(jīng)提到，在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，由于必須初步滿足圓周速度、輪盤強(qiáng)度、效率等因素的要求，以提高風(fēng)機(jī)的可靠性能，需要對(duì)整個(gè)計(jì)算過程進(jìn)行多次迭代驗(yàn)算。可知手工計(jì)算必然會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)效率。因此，對(duì)于該計(jì)算過程，引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即應(yīng)用Visual Basic語言編制了相應(yīng)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了該部分計(jì)算的自動(dòng)化，極大地降低了該部分設(shè)計(jì)的難度，這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)突出亮點(diǎn)。 該設(shè)計(jì)題目給定基本原始數(shù)據(jù)：流量 Q=104 m3/s 全壓 P =3960 Pa 3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算過程 3.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 該部分主要是根據(jù)第二章中選擇確定的整體方案，通過選定合適的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，確定通風(fēng)機(jī)實(shí)際的比轉(zhuǎn)數(shù)，由此計(jì)算出滿足要求的葉輪外徑。通過查閱國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查取合乎標(biāo)準(zhǔn)的葉輪外徑Dt、輪轂直徑Dh以及輪轂比ν。最后通過驗(yàn)算外圓周速度ut來確定以上計(jì)算結(jié)果的合理性。具體過程如下： 1) 選擇電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速 預(yù)取風(fēng)機(jī)效率η＝0.82，傳動(dòng)裝置效率ηm＝0.98，根據(jù)下式可以得到通風(fēng)機(jī)實(shí)際軸功率 （3.1） 可以求得 所需電動(dòng)機(jī)功率可以根據(jù)下式進(jìn)行求解，得 N=538.1 kW （3.2） 其中k為富裕量系數(shù)，一般取k=1.05～1.15,本設(shè)計(jì)取k=1.2 計(jì)算出所需電動(dòng)機(jī)功率后，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)并列出其主要參數(shù)：功率N和轉(zhuǎn)速n。 圖3.1 比轉(zhuǎn)數(shù)與Ku關(guān)系 2) 計(jì)算比轉(zhuǎn)數(shù)ns 通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)ns 可以根據(jù)下式求出 （3.3） 可以求出 3) 確定葉輪外徑Dt及輪轂比ν 根據(jù)求解出的ns值，由下圖中查出計(jì)算外徑所涉及的參數(shù)Ku 。由下式求解Dt （3.4） 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB3235-82選定標(biāo)準(zhǔn)的Dt和Dh，可得輪轂比ν=Dt/Dh。特別指出：對(duì)于礦用通風(fēng)機(jī)主扇，其輪轂比根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 一般為0.25～0.7，大多為0.5～0.7。 求解得Dt=2.67m,取標(biāo)準(zhǔn)值Dt=2.5m,Dh=1.6m,ν=0.64 4) 計(jì)算外圓周速度及壓力系數(shù) (3.5) 計(jì)算出=96.9m/s 一般情況下，最好使ut≤100m/s，受材料強(qiáng)度限制，一般要求utmax≤130m/s，通過外圓周速度大小，可以根據(jù)強(qiáng)度要求初步判斷此方案是否符合要求，如果不滿足要求，則需要返回重新選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)，再次計(jì)算。 壓力系數(shù)可以根據(jù)下式來求解 (3.6) 可以求出=0.18 5) 求軸向速度 (3.7) 可以求出=35.9m/s 3.1.2 葉型參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 葉型參數(shù)設(shè)計(jì)目前在軸流式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的有兩種方案，等環(huán)量設(shè)計(jì)法和變環(huán)量設(shè)計(jì)法。軸流通風(fēng)機(jī)的級(jí)有無窮多個(gè)基元級(jí)所組成，實(shí)際上氣流沿葉片高度任意半徑處基元級(jí)的流動(dòng)情況各不相同。不過它們之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，既遵循一定的變化規(guī)律。當(dāng)氣流沿半徑變化時(shí)，其壓力也發(fā)生變化，沿徑向氣體壓力變化應(yīng)與其離心力平衡。這種變化規(guī)律即所謂的徑向平衡條件。根據(jù)這種理論，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到在軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用的氣流沿葉高各基元級(jí)的速度與壓力的變化關(guān)系式如下（具體推導(dǎo)過程可以參見參考資料[1]）： (3.8) 其中r為基元級(jí)處半徑，Cu為氣體于該基元級(jí)處的絕對(duì)速度于圓周速度方向分速度。在通風(fēng)機(jī)中滿足上式的基元級(jí)為等環(huán)量級(jí)，按照該原則來設(shè)計(jì)葉型即為等環(huán)量設(shè)計(jì)法。而變環(huán)量設(shè)計(jì)法一般式風(fēng)機(jī)全壓沿葉高方向增加，這樣便于充分利用葉尖部分的圓周速度。對(duì)于兩種方案可以依據(jù)以下原則來判定： l 當(dāng)輪轂比較大，葉片較短或壓頭較低時(shí)，可采用等環(huán)量設(shè)計(jì)； l 當(dāng)輪轂比較小，葉片很長(zhǎng)或壓頭很大時(shí)，由于按等環(huán)量設(shè)計(jì)的葉片通常相對(duì)扭角太大，加工比較困難，性能也很難保證。這時(shí)必須采用變環(huán)量設(shè)計(jì)。 根據(jù)上述原則，結(jié)合本設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)葉輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果，決定采用等環(huán)量法進(jìn)行葉片葉型的設(shè)計(jì)。 根據(jù)等環(huán)量設(shè)計(jì)要求，直接將葉片高度等分方向分為31個(gè)截面基元級(jí)，并且找出中間柵面，即幾何平均截面。先對(duì)前級(jí)葉輪的中間基元級(jí)進(jìn)行計(jì)算，以確定葉柵效率，然后將該效率作為整個(gè)葉片的效率進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算步驟如下： 1) 計(jì)算圓周速度 (3.9) 2) 計(jì)算扭速 (3.10) 3) 計(jì)算c1在圓周方向的分量c1u 由速度三角形可知，前級(jí)葉輪的＝0，后級(jí)葉輪的進(jìn)口扭速就等于前級(jí)葉輪的出口旋繞速度，也等于前級(jí)葉輪的出口扭速。 4) 計(jì)算c2u 同樣，由速度三角形可知，前級(jí)葉輪的，后級(jí)葉輪的。 5) 計(jì)算氣流角 (3.11) (3.12) 其中θ1 、θ2分別是葉柵進(jìn)出口速度三角形中β1 、β2的余角，θm是的βm余角。由于實(shí)際氣流流經(jīng)葉柵時(shí)有落后角，應(yīng)對(duì)θ2進(jìn)行修正。如無特殊說明的話，以下引用的公式所涉及到的角度直單位均為( °)。 (3.13) 平均氣流角可以根據(jù)下式來求解： (3.14) 6) 求負(fù)載系數(shù)cy*τ (3.15) 7) 確定弦長(zhǎng)b和葉片個(gè)數(shù) A、確定cy 值。 葉根處cy ≤1.2，葉頂處cy≤0.7，最大不超過0.75。本設(shè)計(jì)中，葉根基元級(jí)cy 取0.9，葉頂基元級(jí)cy取0.7，其余基元級(jí)按半徑變化線性取值。 B、選定值 根據(jù)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)軸流風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，一般＝8～16，前后兩級(jí)葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)。對(duì)于礦用軸流式通風(fēng)機(jī)而言，一般規(guī)律是，葉片數(shù)少，葉片寬，支桿直徑大；葉片數(shù)多，葉片窄，支桿直徑小。主扇＝14～24；局扇＝6，7，8，9。前后級(jí)葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)，一般后級(jí)葉片數(shù)略少于前級(jí)。推薦的常用葉片數(shù)，如表3.1所示： 輪轂比 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 葉片數(shù) 2～6 4～8 6～12 8～16 10～20 表3.1 推薦葉片數(shù) 本設(shè)計(jì)中通風(fēng)機(jī)前級(jí)葉片數(shù)z=16, 后級(jí)葉片數(shù)z=15。 C、計(jì)算柵距t (3.16) D、求弦長(zhǎng)b (3.17) 可知根據(jù)此種方法設(shè)計(jì)出的葉片應(yīng)根部寬，頂部窄，是典型的扭曲機(jī)翼型葉片。同時(shí)此處所求得的弦長(zhǎng)b為彎折以后的葉型弦長(zhǎng)，不是原始葉型的中線長(zhǎng)度。 8) 驗(yàn)算效率 先根據(jù)效率公式 (3.18) (3.19) (3.20) 式中：―基元級(jí)圓周速度，單位m/s ；；取，本處中取3°。 根據(jù)上面級(jí)個(gè)公式可以解出η/，返回預(yù)取效率處進(jìn)行迭代計(jì)算直至|η/-η|<0.5 %為止。將最終求得的η/ 作為整個(gè)葉片的效率進(jìn)行其它參數(shù)的計(jì)算。 9) 確定相對(duì)厚度（＝） 基于強(qiáng)度要求考慮，為了減小葉根處的受力，提高葉根的強(qiáng)度，一般根部%＝10～12，頂部%＝7～10。本設(shè)計(jì)中葉跟基元級(jí)取11，葉頂處取9，其他基元級(jí)根據(jù)半徑變化線性取值。 10) 葉片造型 選擇的葉型一般為關(guān)于中心線的對(duì)稱葉型，在實(shí)際使用中一般需要沿中線進(jìn)行彎折。為了便于加工制造大多使用單圓弧形。此處給出中線最大彎度（＝），較小，單位一般用mm。 (3.21) 11) 葉型安裝角 (3.22) 有了各個(gè)柵面的安裝角，就可以知道各個(gè)柵面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。中間截面完成后再進(jìn)行其它截面的計(jì)算。 后級(jí)葉輪采用與前級(jí)葉輪相同的步驟計(jì)算，但葉片數(shù)不同，后級(jí)葉柵的效率可以直接采用前級(jí)中間柵面的效率，而不必再重新計(jì)算。 前級(jí)葉輪所有參數(shù)計(jì)算結(jié)果見附錄二。 3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 通過上面的基本設(shè)計(jì)計(jì)算步驟可以看出，其計(jì)算量還是比較大的，如果中間設(shè)計(jì)計(jì)算不滿足要求的話，還要重復(fù)計(jì)算，加之驗(yàn)算效率中的迭代計(jì)算部分，單純的依靠手工計(jì)算，確實(shí)十分麻煩，浪費(fèi)時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于該部分引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用Visual Basic語言編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序?qū)υ摬糠诌M(jìn)行計(jì)算，取得了不錯(cuò)的結(jié)果。 3.2.1 程序介紹 Visual Basic語言是一種比較簡(jiǎn)單的高級(jí)語言，其主要的特點(diǎn)就是可視化，能夠?qū)⒈容^抽象的內(nèi)容具體化。本設(shè)計(jì)正是基于這種考慮，通過可視化程序設(shè)計(jì)，將復(fù)雜繁瑣的計(jì)算過程，轉(zhuǎn)化為用戶與計(jì)算機(jī)之間的交互過程。該程序通過對(duì)話框的形式，成功的實(shí)現(xiàn)了這種交互。該程序運(yùn)行過程中，用戶只需根據(jù)計(jì)算機(jī)中對(duì)話框的提示，輸入原始數(shù)據(jù)或者根據(jù)運(yùn)算結(jié)果查取輸入標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)上述設(shè)計(jì)步驟運(yùn)算、自動(dòng)劃分截面求解參數(shù)，并且將設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的所有相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，以及最終運(yùn)算結(jié)果,輸出到d盤下一個(gè)名為canshu.doc的文件中。 3.2.2 程序主函數(shù) 本程序的主要函數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是對(duì)于通風(fēng)機(jī)中間基元級(jí)的參數(shù)，主要是通風(fēng)機(jī)效率的迭代演算，另一個(gè)是對(duì)于其他基元級(jí)參數(shù)的計(jì)算。程序主干見附錄二。 3.2.3 程序運(yùn)行截圖 本程序以對(duì)話框的形式來輸入相應(yīng)的參數(shù)，最后輸出相應(yīng)的結(jié)果。其運(yùn)行于Widows XP下的的主界面截圖如下所示： 1)該程序運(yùn)行過程中所有的參數(shù)輸入均是通過對(duì)話框的形式來完成的，如圖3.3示： 2)本程序運(yùn)行過程中運(yùn)算結(jié)果的輸出表示，運(yùn)用了兩種形式。一種形式如圖3-5所示，將下幾步中還需用到的參數(shù)結(jié)果，在屏幕上直接輸出；另一種形式是，將整個(gè)程序所產(chǎn)生的所有運(yùn)算結(jié)果，均輸出到d盤下的文檔；canshu.doc中，以備保存，見附錄二。  4 強(qiáng)度校核 為了使通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，就必須對(duì)其主要的零、部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，這在本設(shè)計(jì)中具有十分重要的作用。該過程主要是根據(jù)第三章中已經(jīng)得出的葉片的主要參數(shù)，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的技術(shù)資料確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)材料力學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理中的理論知識(shí)，分析各部件的受力情況并求出實(shí)際應(yīng)力，以此校核相應(yīng)零部件的安全性極可靠度。 圖4.1 動(dòng)葉片整體結(jié)構(gòu) 1-葉片，2-鉚釘，3-支桿，4-根部擋板，5-腹面，6-頂部擋板 該部分主要包括動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支桿強(qiáng)度校核、葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪盤強(qiáng)度校核這四部分。其中支桿強(qiáng)度校核是最為復(fù)雜和關(guān)鍵的部分，也稱之為動(dòng)葉片強(qiáng)度校核。 與第三章設(shè)計(jì)計(jì)算的方法相似，為了提高設(shè)計(jì)效率，本部分也引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即利用Visual Basic語言編制了相應(yīng)的應(yīng)用程序。 所有參數(shù)校核結(jié)果請(qǐng)參見附錄二。 4.1 動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 動(dòng)葉片在制造時(shí)，一般是將葉片的背面和腹面用薄鋼板分別壓制成型，然后在對(duì)縫焊接而成。從葉片的向中空的葉片內(nèi)部插入支桿。對(duì)于主扇，一般采用葉片和支桿鉚接的方式聯(lián)接；對(duì)于局扇（一般指葉輪直徑在1000～800mm以下），一般采用葉片和支桿直接焊接的聯(lián)接方式。為了提高氣動(dòng)性能，減小噪聲，在葉片的頂部和根部焊接擋板，將葉片做成中空的全封閉的形式。葉片的材料一般選用A3鋼。支桿的材料可根據(jù)其強(qiáng)度大小進(jìn)行選擇。在本設(shè)計(jì)中為了降低成本，葉片和支桿的材料均采用A3鋼，即Q235鋼。整個(gè)葉片的具體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。 4.2 支桿強(qiáng)度校核 在軸流式通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，作用于葉片上的應(yīng)力有葉片本身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力拉應(yīng)力（扭曲葉片中，離心力也會(huì)造成彎曲，作用點(diǎn)在葉片的重心）及動(dòng)葉片的氣動(dòng)力作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。某柵面的氣動(dòng)力合力在葉片寬度方向上一般位于距葉型頭部25%-40%處。這里的葉片強(qiáng)度校核需計(jì)算氣動(dòng)力對(duì)根部截面的彎矩，計(jì)算中只需假設(shè)其作用在葉片平均半徑處的位置上即可，而不需知道氣動(dòng)力合力在寬度方向的具體位置。 動(dòng)葉的危險(xiǎn)部位是葉片根部和第一鉚釘孔處。在本設(shè)計(jì)中，只對(duì)葉片根部進(jìn)行強(qiáng)度校核，取安全系數(shù)n≥5（因葉片形狀和受力情況復(fù)雜，校核時(shí)有些因素?zé)o法精確考慮在內(nèi)，故取較大的安全系數(shù)值）。 4.2.1 由離心力引起的應(yīng)力 為了便于分析計(jì)算，根據(jù)離心力的來源將其分成兩部分：一部分是由葉片旋轉(zhuǎn)引起的，另一部分是由危險(xiǎn)截面以上的支桿引起的。 (一)、葉片離心力的分析 1、葉片質(zhì)量的計(jì)算 葉片質(zhì)量可分為：葉片腹面質(zhì)量，葉片背面質(zhì)量，根部擋板質(zhì)量和頂部擋板質(zhì)量四部分。 (1) ，的計(jì)算 將葉片腹面和背面展開，可將其近似看作梯形，并?。?，則其質(zhì)量： ，(kg) （4.1） 其中：鋼的密度統(tǒng)一??；葉片和擋板鋼板厚度取；面積按下式計(jì)算： ，(m2) （4.2） (2) ，的計(jì)算 依據(jù)程序計(jì)算得到的葉型數(shù)據(jù)，應(yīng)用Auto CAD2004畫出葉片根部和頂部截面，用Area 命令分別求出它們的面積。對(duì)進(jìn)行，的計(jì)算：；。 (3) 計(jì)算葉片總質(zhì)量： ，(kg) （4.3） 2. 葉片質(zhì)心的計(jì)算 (1) 沿葉輪半徑方向上 a) 葉片腹面和背面可按梯形進(jìn)行近似計(jì)算，且認(rèn)為兩者的質(zhì)心位置相同。如圖4-2所示，由梯形形心計(jì)算公式，顯然：；，則它沿葉輪半徑方向的質(zhì)心 。 b) 根部擋板的質(zhì)心近似?。豁敳繐醢宓馁|(zhì)心近似取。 c) 葉片整體沿半徑的質(zhì)心： （4.4） (2) 在沿弦長(zhǎng)方向（即葉片寬度方向）上，近似認(rèn)為質(zhì)心處于b的50％處。 (3) 在彎高方向上，近似認(rèn)為質(zhì)心處于f的50％處。 3、計(jì)算葉輪角速度： （4.5） 4、計(jì)算葉片離心力： （4.6） 5、由葉片離心力引起的應(yīng)力分析 由于葉片的質(zhì)心不在支桿的軸心線上，因此，葉片的離心力便引起兩部分應(yīng)力：一部分為由離心力引起沿半徑方向的拉應(yīng)力；另一部分為由離心力對(duì)支桿危險(xiǎn)截面中心產(chǎn)生的彎矩引起的彎曲正應(yīng)力。這里只考慮尤其引起的拉應(yīng)力。 6、拉伸應(yīng)力的計(jì)算 同樣，首先用Auto CAD2004畫出支桿的危險(xiǎn)截面，用Area 命分別求出面積。顯然，葉片離心力引起的拉伸應(yīng)力： ，(N/m2) （4.7） (二)、危險(xiǎn)截面以上的支桿離心力的分析 1、質(zhì)量計(jì)算 由于支桿有一定的錐度，此處按棱臺(tái)體積公式進(jìn)行計(jì)算,棱臺(tái)體積公式： （4.8） 其中：,分別為棱臺(tái)上、下平面的的面積；為棱臺(tái)的高，即支桿的長(zhǎng)度。對(duì)于支桿近似取 ； （4.9） 取支桿插入葉片長(zhǎng)度為葉片高度的2/3： （4.10） 葉片根部危險(xiǎn)截面以上部分支桿的質(zhì)量： （4.11） 2、計(jì)算質(zhì)心 如圖1-2-2所示，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知：，，，。由數(shù)學(xué)知識(shí)易得棱臺(tái)母線的方程表達(dá)式，則的底面積為： （4.12） 故： （4.13） 因而， （4.14） 將值代入上式即可得。于是，前、后級(jí)葉輪此部分支桿在沿支桿軸線方向的質(zhì)心同為： ，(m) （4.15） 3、計(jì)算離心力 ，(N) （4.16） 4、計(jì)算由此部分支桿引起的拉伸應(yīng)力 ，(N/m2) (4.17) 其中：為葉片根部支桿截面積，m2。 4.2.2 由氣流載荷力引起的應(yīng)力 (一)、載荷分析計(jì)算 由氣流載荷力可以分解為切向力和軸向力。 1、計(jì)算 取決于傳動(dòng)功率（即軸功率）、葉片數(shù)和平均半徑處的圓周速度。 ，(kW) (4.18) 其中： ， (4.19) ，(kW) (4.20) 上式中的和分別為風(fēng)機(jī)的全壓效率（已通過設(shè)計(jì)計(jì)算得出）和電機(jī)與葉輪之間的傳動(dòng)效率，直聯(lián)傳動(dòng)時(shí)，可?。?.98。 由于上式是對(duì)單級(jí)葉輪軸功率的計(jì)算，故代入的是單級(jí)葉輪全壓。 2、計(jì)算軸向力 取決于葉輪產(chǎn)生的靜壓差、葉片長(zhǎng)度和葉片平均半徑圓周上的節(jié)距。其計(jì)算公式為： ，(N) (4.21) 其中：，Pa。在本設(shè)計(jì)中，出于安全考慮直接代入全壓計(jì)算； ，m ，m 3、計(jì)算氣流載荷力合力 (4.22) (二)、計(jì)算彎矩 為了求得氣流荷載力引起的彎矩，先要根據(jù)葉輪圖確定葉片根部截面的法線與圓周切線之間的夾角，以及荷載力與圓周切線之夾角，如圖1-2-3所示。于是，在氣動(dòng)力載荷力的作用下，沿葉片長(zhǎng)度方向上葉片根部支桿危險(xiǎn)截面受到的彎矩為： ， (4.23) 其中：（即根部葉型安裝角） (4.24) (三)、應(yīng)力分析 氣動(dòng)載荷力對(duì)葉片根部支桿截面產(chǎn)生的彎矩引起的彎曲應(yīng)力為 (4.25) 式中：——葉片根部支桿斷面的彎曲斷面系數(shù)（即抗彎截面模數(shù)，，參見參考資料[3]），為了化簡(jiǎn)，可近似將支桿危險(xiǎn)截面看作矩形來求解。 于是，葉片根部總的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力、和彎曲應(yīng)力之和： (4.26) 4.2.3 強(qiáng)度校核 在本設(shè)計(jì)中有上述可知，該軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片及支桿的材料均為A3鋼， 查取其屈服極限=235 （參見參考資料[3]）。 取許用安全系數(shù)=5，則可由下式對(duì)其可靠性克安全性進(jìn)行校驗(yàn)： (4.27) 式中：——屈服極限，； ——葉片所受總應(yīng)力，； 4.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)葉輪直徑，在本設(shè)計(jì)中，輪轂圓環(huán)面采用厚度bg＝9mm的鋼板，輪盤采用=20mm的鋼板，兩者焊接，并且其材料均采用A3鋼。 在設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)椴痪鶆虻臍饬鲿?huì)引起葉片振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。為了保證后級(jí)葉柵有均勻進(jìn)氣流，消除前后級(jí)葉輪間的影響，從減小氣流阻力提高效率的角度考慮，取動(dòng)葉與導(dǎo)葉之間的軸向間隙，其中，為前級(jí)葉片根部葉型的弦長(zhǎng)。具體設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下： 1、葉片軸向間距：，選取。 2、計(jì)算葉片弦長(zhǎng)沿葉輪軸向的投影長(zhǎng)度 (4.28) 3、前級(jí)葉片前緣點(diǎn)（或后級(jí)葉片后緣點(diǎn)）距輪轂邊緣距離取。 4、計(jì)算輪轂寬度 L=+20mm 4.4 輪盤強(qiáng)度校核 輪盤上產(chǎn)生的應(yīng)力主要來源于兩部分：一部分是由葉片、支桿和支桿上的固定螺母等繞葉輪軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力引起的；另一部分是由輪盤自身繞軸旋轉(zhuǎn)而引起的。每個(gè)葉片用兩個(gè)螺母中間夾一個(gè)鎖緊墊片固定在輪轂上，墊片帶有一個(gè)內(nèi)齒起防松作用，支桿對(duì)應(yīng)部位有齒槽。 為了簡(jiǎn)化求解過程，本設(shè)計(jì)中認(rèn)為輪轂旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力全部由輪轂自身的張力來平衡，在校核輪盤強(qiáng)度時(shí)，輪轂的質(zhì)量不再計(jì)入，即不考慮輪轂圓環(huán)表面對(duì)輪盤的影響，認(rèn)為葉片的離心力全部由輪盤來承擔(dān)，安全系數(shù)為n≥2。輪轂強(qiáng)度不再單獨(dú)驗(yàn)算。具體計(jì)算過程如下： 4.4.1 支桿及螺母等質(zhì)量及離心力的計(jì)算 1、確定葉片根部截面以下的支桿長(zhǎng)度 根據(jù)初選的支桿直