2115 KZ25-64-8 型軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計

2115 KZ25-64-8 型軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計,kz25,64,軸流,通風(fēng)機(jī),設(shè)計 IKZ25-64-8 型軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計摘要研究設(shè)計一個好的風(fēng)機(jī)對節(jié)能有很重大的意義。合理的設(shè)計、選擇和使用通風(fēng)機(jī)，關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)和煤礦職工的身體健康，對礦井的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有一定影響。本設(shè)計查閱有關(guān)軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計的技術(shù)資料，嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的國家或國際標(biāo)準(zhǔn)，參照現(xiàn)有的在實際應(yīng)用的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計加工的圖紙，對相應(yīng)的尺寸、技術(shù)要求等取經(jīng)驗值。采用了目前國內(nèi)外對于中、高壓軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計中廣泛應(yīng)用的葉柵設(shè)計法進(jìn)行葉片葉型的設(shè)計。引入了計算機(jī)輔助設(shè)計，專門編制了相應(yīng)的計算機(jī)應(yīng)用程序，來自動進(jìn)行驗算，最后直接得到計算結(jié)果。采用扭曲機(jī)翼型葉片，氣動效率高，節(jié)能效果極為顯著；葉片安裝角度可調(diào)，可根據(jù)礦井生產(chǎn)的變化，隨時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)狀況。關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī)；動葉可調(diào)；計算機(jī)輔助設(shè)計；平面葉柵設(shè)計法IIABSTRACTThe research and design a good fan of the energy has a tremendous significa-nce. 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 DesignIII目錄摘要 .....................................................IABSTRACT ............................................II目錄 ...................................................III1 緒論 ...................................................11.1 通風(fēng)機(jī)綜述 ......................................11.1.1 通風(fēng)機(jī)的分類 .............................11.1.2 通風(fēng)機(jī)的主要參數(shù) .........................21.1.3 通風(fēng)機(jī)發(fā)展 ...............................21.2 軸流式通風(fēng)機(jī) ....................................51.2.1 軸流通風(fēng)機(jī)原理 ...........................51.2.2 軸流通風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu) .......................61.3 畢業(yè)設(shè)計綜述 ....................................71.3.1 設(shè)計任務(wù) .................................71.3.2 主要問題及解決方法 .......................81.3.3 設(shè)計成果及風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn) .......................92 方案選擇 .............................................112.1主要結(jié)構(gòu)方案比較 ................................112.2 方案的確定 .....................................133 設(shè)計計算 .............................................153.1 設(shè)計計算過程 ...................................153.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計算 ..................153.1.2 葉型參數(shù)的設(shè)計計算 ......................183.2 應(yīng)用程序設(shè)計 ...................................223.2.1 程序介紹 ................................233.2.2 程序主函數(shù) ..............................233.2.3 程序運(yùn)行截圖 ............................23IV4 強(qiáng)度校核 .............................................264.1 動葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................274.2 支桿強(qiáng)度校核 ...................................274.2.1 由離心力引起的應(yīng)力 ......................274.2.2 由氣流載荷力引起的應(yīng)力 ..................324.2.3 強(qiáng)度校核 ................................344.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................344.4 輪盤強(qiáng)度校核 ...................................354.4.1 支桿及螺母等質(zhì)量及離心力的計算 ..........354.4.2 輪盤強(qiáng)度的校核 ..........................364.5 應(yīng)用程序設(shè)計 ...................................384.5.1 程序介紹 ................................384.5.2 主程序 ..................................384.5.3 程序運(yùn)行截圖 ............................384.6校核結(jié)論 ........................................395 其他零部件設(shè)計 ......................................415.1 集流器 .........................................415.2 整流體和擴(kuò)散筒 .................................42參考文獻(xiàn) ................................................44致謝 ....................................................45附錄一 ..................................................46外文翻譯 ...........................................46附錄二 ..................................................56部分程序代碼及運(yùn)算結(jié)果 .............................5611 緒論在煤礦井下開采時，不但煤層中所含的有毒有害氣體（如等CH4、CO、H 2、SCO 2等）會大量涌出，而且伴隨著采煤過程還會產(chǎn)生大量易燃易爆的煤塵；同時，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)的主要動力是通風(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，它是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機(jī)械。可以說它是礦井的“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，全國部屬煤礦主要通機(jī)平均電耗約占礦井電耗的16%。風(fēng)機(jī)用電約占全國發(fā)電量的10%；另據(jù)1988年原冶金部的規(guī)劃資料，我國金屬礦山的風(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)計一個好的風(fēng)機(jī)對節(jié)能有很重大的意義。所以合理的設(shè)計、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，而且對礦井的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有一定影響，并且對加快四化建設(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2通 風(fēng) 機(jī) 根 據(jù) 其 氣 體 流 動 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 ， 動 力 機(jī) (主 要 是 電 動 機(jī) )驅(qū) 動 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 氣 體 的 動 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 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 ， 動 力 機(jī) 驅(qū) 動 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 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 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 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 內(nèi) 外 的 得 到 了 較 快 的 發(fā) 展 ， 并 取 得 了3還 多 優(yōu) 秀 的 成 果 。 中 國 在 公 元 前 許 多 年 就 已 制 造 出 簡 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 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 們設(shè) 計 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 研 制 成 橫 流 通 風(fēng) 機(jī) ； 1898年 ， 愛 爾 蘭 人設(shè) 計 出 前 向 葉 片 的 西 羅 柯 式 離 心 通 風(fēng) 機(jī) ， 并 為 各 國 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 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 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 國 民 經(jīng) 濟(jì) 具 有 重 大 影 響 ， 發(fā) 達(dá) 國 家 以 及 包 括 我 國在 內(nèi) 的 發(fā) 展 中 國 家 對 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 主 要 有 日 本 、 德 國 、 意 大 利 、 瑞 士 、 美 國 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 社 、 川 嶼 重工 業(yè) 株 式 會 社 等 ； 英 國 主 要 有 詹 姆 斯 ?豪 登 公 司 ； 德 國 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 國 情 不 同 于 工 業(yè) 發(fā) 達(dá) 國 家 ， 中 小 型 風(fēng) 機(jī) 是 勞 動 力 密集 型 產(chǎn) 品 ， 附 加 值 較 低 ， 先 進(jìn) 的 工 業(yè) 國 家 不 會 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 方 面 注 重對 產(chǎn) 品 的 改 進(jìn) 。 國 外 先 進(jìn) 發(fā) 達(dá) 國 家 主 要 對 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)4機(jī) ， 還 生 產(chǎn) 汽 輪 機(jī) 、 鍋 爐 、 大 型 柴 油 機(jī) 等 用 于 大 型 項 目 的 設(shè) 備 。 對 于 風(fēng)機(jī) 產(chǎn) 品 ， 國 外 公 司 在 質(zhì) 量 上 注 重 于 提 高 機(jī) 械 效 率 及 延 長 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 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 簡易 化 向 自 動 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 等 防 公 害 技 術(shù) 方 向 發(fā) 展 。近 幾 年 我 國 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 路 產(chǎn) 品 ， 同 時 采 用引 進(jìn) 技 術(shù) 、 與 國 外 合 作 等 方 式 發(fā) 展 高 新 技 術(shù) 產(chǎn) 品 ， 使 我 國 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 足 進(jìn) 步 ， 出 現(xiàn) 了 一 大 批 處 于 國 際 先 進(jìn) 水 平 的 產(chǎn) 品 ， 縮 短 了 與 發(fā)達(dá) 國 家 的 差 距 。 但 就 行 業(yè) 整 體 而 言 ， 一 些 歷 史 長 、 包 袱 重 的 國 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 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 系 統(tǒng) 的 效 率 ；2) 加 強(qiáng) 系 統(tǒng) 的 自 動 化 、 事 故 警 報 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 爭 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 低 噪 聲 、 低 振 動 技 術(shù) 的 研 究 ；5) 不 斷 針 對 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 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5別 是 一 些 大 型 風(fēng) 機(jī) 產(chǎn) 品 甚 至 是 單 件 小 批 生 產(chǎn) ， 對 工 藝 要 求 復(fù) 雜 。 目 前 國內(nèi) 生 產(chǎn) 自 動 化 程 度 很 低 ， 而 國 外 通 過 研 制 和 采 用 柔 性 制 造 系 統(tǒng) ， 提 高 了生 產(chǎn) 的 自 動 化 程 度 。 以 美 國 為 例 ， 中 小 風(fēng) 機(jī) 的 生 產(chǎn) 已 全 部 通 過 自 動 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 效 率 、 裝 置 效 率 和 使用 效 率 ， 以 降 低 電 能 消 耗 ； 用 動 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 ； 實現(xiàn) 變 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 和 自 動 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、船艦倉室的通6風(fēng)；紡織廠通風(fēng)、工業(yè)作業(yè)場所的通風(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、軸流式通風(fēng)機(jī)因壓力較低，一般情況下都采用單級。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)傳動的，也可通過其他裝置進(jìn)行變速傳動。為了便于安裝和維護(hù)，軸流風(fēng)機(jī)廣泛采用滾動軸承。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，將產(chǎn)生比離心風(fēng)機(jī)大的噪聲?，F(xiàn)代軸流通風(fēng)機(jī)的動葉或?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，7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， 1，一般Ω =1.25～1.50左右。這種級的效率 η =0.78～0.82。其常用于要求體積盡可能小的場合。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。12其反應(yīng)度 Ω ＜1，一般為 Ω =0.75～0.90左右。這種級主要應(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、 兩級軸流式通風(fēng)機(jī)如圖2-1-d 所示該方案一般是一個葉輪和一個導(dǎo)葉組成一級，也可以在第一級前設(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，也可以采用兩個葉輪中間加一個導(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。總體來說兩級風(fēng)機(jī)效率較高，其中每一級葉輪單獨(dú)工作時產(chǎn)生的風(fēng)壓之和都低于兩級葉輪同時工作時風(fēng)壓的一半，這樣通風(fēng)機(jī)的壽命較高。本設(shè)計，在通風(fēng)機(jī)方案選擇過程中，主要是對以上四種形式進(jìn)行考慮，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面進(jìn)行取舍。13圖2-3表示了兩種通風(fēng)機(jī)級的特性對比。壓力系數(shù)Error!、流量系數(shù)Error!及功率系數(shù)Error!的特性對比?？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，在實際設(shè)計過程中，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)Error!進(jìn)行。其方法大體如下：當(dāng)Error!=0.15～0.25或 ns=20.8 32.5（115～180）時，可以采用葉輪加后導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)；當(dāng)Error!>0.25或 ns=14.5～ 20.8（80～115）時，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14通過查閱相關(guān)技術(shù)資料，參照與該設(shè)計題目所給條件相似的已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用的我國現(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，最終決定采用電動機(jī)和葉輪直接聯(lián)接的動葉可調(diào)式兩級軸流式通風(fēng)機(jī)。同時為了減少通風(fēng)機(jī)的尺寸、降低成本，在對整體效果影響不大，并且可以滿足設(shè)計要求的情況下，前級葉輪不設(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，并且按照國家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)加以設(shè)計。采用這種方案，相比于其他幾種形式，具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1) 兩級軸流式通風(fēng)機(jī)的形式，可以使每一級葉輪所承受的風(fēng)壓低于整個風(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風(fēng)機(jī)的壽命，并且效率較高，對于礦用產(chǎn)品而言，可以顯著的降低總體成本；2) 采用動葉可調(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) 采用電動機(jī)與葉輪直接聯(lián)接的形式，相對于其他的結(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。同時降低了裝置的局部阻力，能夠避免了傳動裝置損壞事故，消除了傳動裝置的能量損耗，在另一個方面上提高了風(fēng)機(jī)裝置效率。153 設(shè)計計算通風(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)。因此對于本設(shè)計而言，其設(shè)計計算的主體就是對葉片葉型的相關(guān)參數(shù)、對整個葉片的氣動力特性進(jìn)行計算、分析和優(yōu)化。在設(shè)計葉型的結(jié)構(gòu)形式時，采用了在當(dāng)代軸流式通風(fēng)機(jī)葉型設(shè)計過程中得到廣泛應(yīng)用，并且技術(shù)已經(jīng)相對較為成熟的平面葉柵設(shè)計法。前面概述中已經(jīng)提到，在設(shè)計計算過程中，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，需要對整個計算過程進(jìn)行多次迭代驗算?？芍止び嬎惚厝粫速M(fèi)大量時間，降低了設(shè)計效率。因此，對于該計算過程，引入了計算機(jī)輔助設(shè)計，即應(yīng)用Visual Basic語言編制了相應(yīng)的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了該部分計算的自動化，極大地降低了該部分設(shè)計的難度，這也是本設(shè)計的一個突出亮點(diǎn)。該設(shè)計題目給定基本原始數(shù)據(jù)：流量 Q=104 m3/s 全壓 P =3960 Pa3.1 設(shè)計計算過程3.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計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機(jī)型號，確定通風(fēng)機(jī)實際的比轉(zhuǎn)數(shù)，由此計算出滿足要求的葉輪外徑。通過查閱國家有關(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。最后通過驗算外圓周速度u t來確定以上計算結(jié)果的合理性。具體過程如下：1) 選擇電動機(jī)及轉(zhuǎn)速16預(yù)取風(fēng)機(jī)效率 η ＝0.82，傳動裝置效率 η m＝0.98，根據(jù)下式可以得到通風(fēng)機(jī)實際軸功率（3.1）0M1QpN???可以求得 kW5.20所需電動機(jī)功率可以根據(jù)下式進(jìn)行求解，得 N=538.1 kW （3.2）0N?其中 k為富裕量系數(shù)，一般取 k=1.05～1.15,本設(shè)計取 k=1.2計算出所需電動機(jī)功率后，由電動機(jī)產(chǎn)品樣本，選擇電動機(jī)型號并列出其主要參數(shù)：功率 N和轉(zhuǎn)速 n。20 7060504030 801.43.83.43.02.62.1.8snuK圖3.1 比轉(zhuǎn)數(shù)與 Ku關(guān)系2) 計算比轉(zhuǎn)數(shù) ns 通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) ns 可以根據(jù)下式求出1/234sQnp??（3.3）17可以求出 25.4sn?3) 確定葉輪外徑Dt及輪轂比 ν根據(jù)求解出的n s值，由下圖中查出計算外徑所涉及的參數(shù)K u 。由下式求解Dtut7.4DKpn???（3.4）根據(jù)國標(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：對于礦用通風(fēng)機(jī)主扇，其輪轂比根據(jù)經(jīng)驗 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 =0.644) 計算外圓周速度 及壓力系數(shù)tuP(3.5)tt60Dn??計算出 =96.9m/stu一般情況下，最好使u t≤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機(jī)型號，再次計算。壓力系數(shù) 可以根據(jù)下式來求解 (3.6)P2tpu????可以求出 =0.185) 求軸向速度 zc18(3.7)??z2th4QcD???可以求出 =35.9m/sz3.1.2 葉型參數(shù)的設(shè)計計算葉型參數(shù)設(shè)計目前在軸流式風(fēng)機(jī)的設(shè)計中廣泛應(yīng)用的有兩種方案，等環(huán)量設(shè)計法和變環(huán)量設(shè)計法。軸流通風(fēng)機(jī)的級有無窮多個基元級所組成，實際上氣流沿葉片高度任意半徑處基元級的流動情況各不相同。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，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)計中得到廣泛應(yīng)用的氣流沿葉高各基元級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)常 數(shù)?rCu其中r為基元級處半徑，Cu為氣體于該基元級處的絕對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為等環(huán)量級，按照該原則來設(shè)計葉型即為等環(huán)量設(shè)計法。而變環(huán)量設(shè)計法一般式風(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。對于兩種方案可以依據(jù)以下原則來判定：? 當(dāng)輪轂比 較大，葉片較短或壓頭較低時，可采用等環(huán)量設(shè)計；dD??? 當(dāng)輪轂比 較小，葉片很長或壓頭很大時，由于按等環(huán)量設(shè)計的葉片通常相對扭角太大，加工比較困難，性能也很難保證。這時必須采用變環(huán)量設(shè)計。根據(jù)上述原則，結(jié)合本設(shè)計通風(fēng)機(jī)葉輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果，決定采用19等環(huán)量法進(jìn)行葉片葉型的設(shè)計。根據(jù)等環(huán)量設(shè)計要求，直接將葉片高度等分方向分為31個截面基元級，并且找出中間柵面，即幾何平均截面。先對前級葉輪的中間基元級進(jìn)行計算，以確定葉柵效率，然后將該效率作為整個葉片的效率進(jìn)行設(shè)計計算。計算步驟如下：1) 計算圓周速度 u(3.9)60Dn??2) 計算扭速 uc?(3.10)u/()p???3) 計算c 1在圓周方向的分量c 1u 由速度三角形可知，前級葉輪的 ＝0，后級葉輪的進(jìn)口扭速1uIc就等于前級葉輪的出口旋繞速度 ，也等于前級葉輪的出口1uIc 2I扭速 。I2uI1Ic???4) 計算c 2u 同樣，由速度三角形可知，前級葉輪的 ，后級葉輪的2uIIc??。2uI0c?5) 計算氣流角(3.11)1u1zarctg????????(3.12)2u2zrt??其中θ 1 、θ 2分別是葉柵進(jìn)出口速度三角形中β 1 、β 2的余角，θ m是20的β m余角。由于實際氣流流經(jīng)葉柵時有落后角，應(yīng)對θ 2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)212tg0.8tarc9??????????平均氣流角可以根據(jù)下式來求解： (3.14)12mtgarc????????????6) 求負(fù)載系數(shù) cy*τ(3.15)12m(tg)cos??????7) 確定弦長 b和葉片個數(shù) zA、確定c y 值。葉根處 cy ≤1.2，葉頂處 cy≤0.7，最大不超過0.75。本設(shè)計中，葉根基元級 cy 取0.9，葉頂基元級 cy取0.7，其余基元級按半徑變化線性取值。B、選定 值z根據(jù)國內(nèi)設(shè)計軸流風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，一般 ＝8～16，前后兩級葉片z數(shù)互為質(zhì)數(shù)。對于礦用軸流式通風(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。前后級葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)，一般后級葉片數(shù)略少于前級。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) z2～6 4～8 6～12 8～16 10～20表3.1 推薦葉片數(shù)本設(shè)計中通風(fēng)機(jī)前級葉片數(shù) z=16, 后級葉片數(shù) z=15。C、計算柵距 t21(3.16)zDt??D、求弦長 b(3.17)yctt???可知根據(jù)此種方法設(shè)計出的葉片應(yīng)根部寬，頂部窄，是典型的扭曲機(jī)翼型葉片。同時此處所求得的弦長b為彎折以后的葉型弦長，不是原始葉型的中線長度。8) 驗算效率先根據(jù)效率公式(3.18)22uzzm1sin()ccwu????????????????(3.19)yty0.8()0.4(1)Dc?????(3.20)22umz()cw??式中： ―基元級圓周速度，單位m/s ； ； 取 ，u m90???????1~4?本處中 取3°。?根據(jù)上面級個公式可以解出 η /，返回預(yù)取效率處進(jìn)行迭代計算直至|η /-η| [n]=2;由此可知上述設(shè)計中，葉片核輪盤軍滿足強(qiáng)度要求，可以使用。其他具體結(jié)果，均于附錄二中給出。435 其他零部件設(shè)計本部分重點(diǎn)是對軸流式通風(fēng)機(jī)的其他基本結(jié)構(gòu)，包括集流器、整流器和整流罩（即流線體）、擴(kuò)散筒，進(jìn)行參數(shù)和尺寸設(shè)計。所有結(jié)果請參見附錄二5.1 集流器集流器的作用是濕氣流在其中得到加速，在壓力損失很小的情況下，保證進(jìn)氣速度場均勻。集流器對通風(fēng)機(jī)性能影響很大，與無集流器的風(fēng)機(jī)相比，設(shè)計良好的集流器可使風(fēng)機(jī)的效率提高10%～15%。集流器的形狀一般為弧形，如圖5-1示。其尺寸取為：圓弧半徑R≥0.25Dt； （5.1）集流器外徑dmax=(1.2～1.4)Dt； （5.2）集流器長度44=（0.2～0.4Dt； (5.3)col5.2 整流體和擴(kuò)散筒為了使進(jìn)氣條件更為完善，降低風(fēng)機(jī)的噪聲，在葉輪或進(jìn)口導(dǎo)葉前必須裝置于集流器相適應(yīng)的整流罩，以構(gòu)成通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口氣流通道，如圖5-1示。試驗表明，設(shè)計良好的整流罩可以使風(fēng)機(jī)的流量提高10%左右。整流罩的形狀可以設(shè)計成半球形、橢球形或與整流體制造成流線體的形式。在本設(shè)計中，整流罩采用的是以輪轂直徑為直徑的半球體。軸流通風(fēng)機(jī)在設(shè)置后導(dǎo)葉以后，其出口的動壓仍然很大，約占全壓的30%以上。因此必須在級的后面安裝擴(kuò)散筒，以進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)的靜壓效率。本設(shè)計中，整流體和擴(kuò)散筒均采用錐形筒的形式，便于制造而且效果較好。整流體前端徑取輪轂直徑，整個錐體錐角取5 °。擴(kuò)散筒基本尺寸可以根據(jù)以下方法求解：擴(kuò)散筒的長度L可以按經(jīng)驗選擇：L=(1.5～2.2)D (5.4)其中，D-擴(kuò)散筒進(jìn)口直徑。由于后導(dǎo)葉出來的氣流，其扭速很小，故通常認(rèn)為氣流是沿軸向流入擴(kuò)散筒。為了保證氣流在擴(kuò)散筒中流動時流動損失較小，擴(kuò)散筒的擴(kuò)壓度不能太大。若將軸流式通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒的環(huán)形通道換算成當(dāng)量圓錐，如圖5-2示，以符號θ表示當(dāng)量擴(kuò)張角，則(5.5)Ldtg234???式中， 、 -當(dāng)量圓錐進(jìn)出口直徑；一般 ≤8～12°。3d4 ?4546參考文獻(xiàn)[1]吳玉林, 陳慶光. 通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)[M], 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005, 14-200.[2]李慶宜. 通風(fēng)機(jī)，北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社，1981 ，114-172.[3]商景泰. 通風(fēng)機(jī)手冊，北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社，1994.8，83-130.[4]吳玉林等. 通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，北京 : 清華大學(xué)出版社， :2005.2，70-120.[5]昌澤舟，安慶豐. 軸流式通風(fēng)機(jī)實用技術(shù)，北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.3，80-133.[6]劉鴻文．材料力學(xué)．第四版，北京∶高等教育出版社，2004.1，10-255.[7]Albert Ruprecht. 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Calvert, Detailed ˉow measurement and predictions for a three-stage transonic fan.[J] .ASME Journal of Turbomachinery ,1994,116: 298-305. 47致謝經(jīng)過三個多月的緊張、忙碌卻十分充實的工作，在張永超老師的直接指導(dǎo)下，畢業(yè)設(shè)計終于進(jìn)入了尾聲。這次設(shè)計可以說對大學(xué)四年所學(xué)到的專業(yè)知識進(jìn)行了系統(tǒng)的整合和檢驗，使自己的綜合能力得到了極大的提升。由于自己技術(shù)、經(jīng)驗和專業(yè)知識上不足以及缺少實際工作的歷練，在畢業(yè)設(shè)計的過程中，遇到了很多單憑自己現(xiàn)在的水平所無法解決的問題，如果沒有老師的指導(dǎo)、同學(xué)的幫助，我想我將無法成功的完成本次畢業(yè)論文的寫作。首先，要感謝張永超老師的指導(dǎo)和幫助。他不僅在學(xué)術(shù)研究上兢兢業(yè)業(yè)，而且對本職工作具有高度的責(zé)任心，對學(xué)生更是關(guān)懷備至。在日常工作相當(dāng)繁忙的情況下，他依然擠出比以有限的時間對我們進(jìn)行詳盡、耐心的指導(dǎo)。組織實習(xí)、講解原理、分析設(shè)計方案、檢查圖紙、修改審閱論文文本……正是在他卓有成效的教導(dǎo)中，我對于軸流式通風(fēng)機(jī)的了解從無到有，從粗到細(xì)，從雜到精，也讓我的知識的整合邁上了一個新臺階。另外我還要感謝張永建老師和陳慶光老師的幫助，他們淵博的學(xué)識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，同樣讓我受益無窮。其次要感謝小組的同學(xué)。在設(shè)計過程中，我們相互討論，互相幫助，使各自的理論水平都得到了提高。在這個過程中，凸顯出了集體力量的強(qiáng)大，集思廣益的方法使自己的思維更嚴(yán)謹(jǐn)，思路跟開闊。最后要感謝山東科技大學(xué)的培養(yǎng)。學(xué)校優(yōu)良的學(xué)風(fēng)，良好的師資配置，齊備的軟硬得按設(shè)施，給自己的學(xué)習(xí)和研究提供了很好的環(huán)境。在這四年的學(xué)習(xí)中，我的專業(yè)知識和綜合能力得到了巨大的提升?？梢灶A(yù)見，這必將會對我日后的工作、學(xué)習(xí)、生活中產(chǎn)生巨大而積極的影響。48附錄一外文翻譯葉輪機(jī)械中的液壓非定常流動分析艾伯特魯普雷希特 液壓機(jī)械與流體力學(xué)研究所 斯圖加特大學(xué)，德國摘要 計算流體動力學(xué)（CFD）在當(dāng)今流體機(jī)械領(lǐng)域于流體機(jī)械搜索和發(fā)展，以及設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用。不過在這些仿真過程中幾乎都是應(yīng)用了穩(wěn)態(tài)激勵。但是在本文中，將用非定常模擬顯示不同的例子。這里所提出的例子含有不穩(wěn)定的應(yīng)用程序與自激，如渦脫落或渦繩、尾水管，以及不穩(wěn)定的應(yīng)用程序與外部被迫改變或移動的幾何形狀，如轉(zhuǎn)子，定子之間的相互作用。這些例子中對非定常流動的要求，潛力和限定條件進(jìn)行了評估分析。同時特別對湍流模型和必要的計算工作要求進(jìn)行了討論。 49引言 十年多來計算流體動力學(xué)（CFD）在流體機(jī)械的研究和發(fā)展，以及在日常的設(shè)計和其他方面得到了應(yīng)用。例如甘姆[1]車間便是早期的成功范例。有關(guān)應(yīng)用仍在持續(xù)增加。這可以在圖1的數(shù)據(jù)中得到。驗證：凡與CFD交易文件顯示比例，其中在液壓機(jī)械及空蝕是IAHR研討會提出的。同型Q3D 模型的Navier -?-歐拉和3Deuler 在當(dāng)代開始通常是與雷伊 nolds平均有強(qiáng)大的湍流模型（usuallythe 的K - Stokes方程）一起使用。這種穩(wěn)態(tài)模擬是常見的方法。由轉(zhuǎn)子和定子相互作用所產(chǎn)生的不穩(wěn)定激勵可以用解決的平均多項式方法來模擬。通過這種方法，可以對零件設(shè)計中出現(xiàn)的很多問題得到精確的結(jié)果。 然而在非穩(wěn)態(tài)流的情況下渦輪機(jī)會出現(xiàn)不同的問題。為了獲得這種情況下的信息或找到解決這些問題的方案對于非穩(wěn)態(tài)需要對非穩(wěn)態(tài)流進(jìn)行研究分析。由于這個問題的程度和建模假設(shè)的不同，這需要一個更高的計算量，相比穩(wěn)定狀態(tài)大約 增加 5-10個百分點(diǎn)，不過依靠今天的電腦和軟件，非定定常流問題是可以解決的。非定常問題的兩個主要類型應(yīng)當(dāng)加以區(qū)別。第一個是流動與外部強(qiáng)迫不穩(wěn)定。這可能是不穩(wěn)定的 邊界條件幾何形狀隨時間變化造成的， 實例便是閥門的關(guān)閉、活塞泵流量的改變及轉(zhuǎn)子之間的相互作用；第二個是自激不穩(wěn)定，這是由灣渦運(yùn)動，渦脫落（卡門渦旋）或?qū)⒎嵌ǔu旋引起的，（如尾水管渦帶的一個）（這里的不穩(wěn)定指的是沒有得到任何幾何形狀改變邊界條件）；也有可能兩種情況共同出現(xiàn)（如引起振動，幾何變化 渦脫落引起）。 所有這些現(xiàn)象可以發(fā)生在一個渦輪或泵中，需要不同的解決方案?；痉匠毯蛿?shù)值方法 現(xiàn)代對于液壓葉輪機(jī)械的研究通常是用雷諾平均Navier - Stokes方程對不可壓縮流體進(jìn)行描述。相對于穩(wěn)態(tài)形式該動量方程包含一個額外規(guī)定的不穩(wěn)定變化： （1）1()0ji ij ijijjiUUPvtxxx???????????50是雷諾應(yīng)力，這是從湍流模型計算。該不可壓縮流連續(xù)性方程讀取為ij??（2）0??ixU并且不包含隨時間變化的變量，需要強(qiáng)調(diào)的是，方程（1）及（2）表現(xiàn)在不同時間和空間。 在空間它們顯示橢圓行為，因此它們應(yīng)具備所有表面的邊界條件。同時由51于他們的拋物線性質(zhì)，在任何時候他們都不具備反饋?；谶@個原因在將來他不需要任何的邊界條件。這正如schemati - 卡利圖所示（圖2），這就是時間離散與空間離散研究方法不同的原因。對于空間離散通常應(yīng)用有限體積或有限元逼近。時間離散則采用與其不同的方法。不過，大多是使用有限差分的方法。其中的幾個最常引用的有限差異近似如圖3示。除此之外，明確多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的Runge - 庫塔型或預(yù)測校正圖表也常得到應(yīng)用。 必須強(qiáng)調(diào)的是這里提到的方法按照穩(wěn)定準(zhǔn)則（節(jié)能燈標(biāo)準(zhǔn)）需要一個明確的時間限制的步驟。該準(zhǔn)則取決于自身速度和 地方電網(wǎng)的規(guī)模。隱式方法相反，始終穩(wěn)定，沒有限制的時間步驟。它的選擇取決于自身因素。為了獲得準(zhǔn)確的解決方案的時間離散應(yīng)至少達(dá)到 ，類似于空間離散化。否則將需要非常小的時間步長。 nd2對于流體在歐拉坐標(biāo)中的上述描述同樣可以應(yīng)用于不穩(wěn)定邊界條件與自激不穩(wěn)定的情況。不過在歐拉坐標(biāo)中描述移動幾何的問題要更為困難。在移動邊界情況下使用拉格朗日法進(jìn)行描述將使問題變得簡單，因為流體粒子研究可以追溯到該方法。結(jié)合這兩種方法，一種稱之為拉格朗日-歐拉（ALE）的方法可以被加以利用。 這種方法適用于解決涉及移動邊界的問題。 在ALE方法中的參考坐標(biāo)系， 并未提及坐標(biāo)可以任意選擇。在這個參考坐標(biāo)系中參數(shù)的導(dǎo)數(shù)可以被描述為 （3）jEijjRiLi XtfwutXftf ?????? ),()(),(),(其中坐標(biāo) ：：拉格朗日坐標(biāo)； 參考坐標(biāo)； ：歐拉坐標(biāo)； 參考速度；LiXRi Ei j由ALE制定的勢頭方程可以寫成如下 （4）0)(1)( ?????????? ???ijjiijijji xUvxPUwut該移動參考系統(tǒng) 可任意選擇。 如果等于零 則得到一個歐拉描述，另一方j(luò) jw面如果 等于流體粒子的速度則獲得拉j 格朗日描述。 標(biāo)量數(shù)量在動量方程與運(yùn)52輸方程以相同的方式改變了流項。 這也適用于K -和ε-方程。 在每個時間不長中移動或改變的網(wǎng)格數(shù)值實現(xiàn)可以獲得一個現(xiàn)有的網(wǎng)格變形。對于大變形，需要 進(jìn)行 自動網(wǎng)格平滑計算，甚至在幾個時間步長后進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分。 另一種方法是使用不同的嵌入式移動網(wǎng)，它可以針對對方。在這種情況下，需要配套電網(wǎng)之間的滑動界面。此過程如圖4所示。這顯示了兩個不同的問題，即對轉(zhuǎn)子，定子振動和流體相互作用的圓柱體研究。在FENFLOSS，我們于動態(tài)邊界條件斯圖加特大學(xué)應(yīng)用第二種方法開發(fā)出了相應(yīng)的計算機(jī)代碼。 電網(wǎng)之間的接口通過實現(xiàn)了，其中規(guī)定下游的節(jié)點(diǎn)值（速度數(shù)和湍流量）并且上游的壓力和通量表面條件引入。[2]給出了給出了簡略的數(shù)值程序，有關(guān)更詳細(xì)的情況讀者可以參考[3,4]。 需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，由于相對于穩(wěn)態(tài)解非穩(wěn)態(tài)模擬會使計算量極大增加，需要相應(yīng)的53并行程序。在這種情況下 移動網(wǎng)的ALE方程導(dǎo)致了信息交流的動態(tài)變化--因為持續(xù)聯(lián)絡(luò)交流的邊界位置，可以隨時間變化并因此改變了處理器的計算域，見[2]。在FENFLOSS中應(yīng)用了一個隱含的解決方法。正如上面已經(jīng)提到的，這種方法的好處是對時間步長沒有的確定的限制。整體解決方案的步驟以及流體結(jié)構(gòu)相互用如圖5所示。如果運(yùn)動網(wǎng)格不依賴于流體 的流動狀況，結(jié)構(gòu)環(huán)將消失。應(yīng)用 下面的列出了一些應(yīng)用，并對這些例子涉及的具體問題進(jìn)行了討論。首先，展示與自激不穩(wěn)定相關(guān)的實例。電站進(jìn)水口脫落的渦旋問題描述：第一個例子顯示了在低頭電廠進(jìn)口流動情況。這是一個具有兩個完全54而外部的渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，其原因預(yù)計出現(xiàn)在旋渦脫落入口。通過數(shù)值分析對問題進(jìn)行了調(diào)查，這里試圖找到一個解決該問題的辦法。圖6給出了幾何證明， 進(jìn)行了二維和三維的計算。 首先試圖進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，但沒有獲得融合的解決方案。因此對其進(jìn)行了不穩(wěn)定狀態(tài)的模擬。結(jié)果表明：存在一個強(qiáng)大的非定常運(yùn)動。 圖7顯示