轴流式通风机课程设计.docx
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轴流式通风机课程设计
轴流式通风机课程设计
第一节设计原始条件和要求
设计轴流式通风机时,一般应给出下列原始资料:
流量()、全压(pa)、工作介质密度()或工作介质温度、大气压力,以及结构上的要求和特殊要求等。
初始条件:
流量=4426,风机全压=261Pa,介质为空气,其进口状态为标准状态(为1个大气压,温度为20℃,空气密度),设计一广泛应用于一般工厂、仓库、办公室、住宅内的轴流式通风机,要求全压效率不小于80%。
设计目的:
要求学生熟练掌握轴流式通风机的基本理论和设计方法,并初步掌握用所学的理论和方法进行轴流式通风机的设计。
设计要求:
(1)满足所需流量和压力的工况点应在最高效率点附近;
(2)最高效率值要尽量大些,效率曲线平坦;
(3)通风机结构简单、工艺性好、材料及附件选择方便;
(4)有足够的强度、刚度,工作安全可靠;
(5)运转稳定、噪声低;
(6)调节性能好,工作适应性强;
(7)通风机尺寸尽可能小,重量轻;
(8)操作和维护方便,拆装运输简单易行。
第二节 设计计算的主要内容
设计计算的主要内容为:
通风机类型的选择(离心式、轴流式),方案选择与比较,驱动方式选取,计算比转速,叶轮设计计算,叶型选型与设计(确定叶轮外径及轮毂直径),计算圆周速度及压力系数,求轴向速度,计算扭速,计算平均相对速度及气流角,选择叶片数,选取各截面的升力系数及相应的攻角,求叶片宽度,叶型的安装角,叶片型线的绘制,集流器、整流罩和扩散筒的设计计算,通风机主要零部件材料选取,主要零部件强度计算与校核,通风机临界转速计算,零部件图和总装配图的绘制。
目前大多数轴流通风机都是采用孤立叶型设计法,这种方法较为简便有效。
此处就采用孤立叶型的设计法来设计一般用的轴流式通风机。
其设计计算的主要内容有:
一、方案选择与比较
方案类型:
叶轮前设置前导叶;叶轮后设置后导叶;单独叶轮级;叶轮前后都设置导叶。
要求:
说明选择这种方案的原因与分析。
根据给定条件,此处可直接选用:
单独叶轮级:
电机直接驱动叶轮的方式。
实际通风机具体的结构方案选择问题涉及的因素较多,可根据用户的使用要求及制造厂的生产经验,参照性能良好的已有产品,初步选定方案。
二、选择电动机及转速
风机的转速可根据用户使用要求选取。
一般风机与电动机是直接驱动的。
为了正确选择电动机,需要进行轴功率的计算,风机在设计工况下运转时的轴功率为:
(1)
所需电机功率为:
(2)
(k取1.2—1.3)
根据所需要的电动机功率,结合用户的情况,按来选取电动机型号,即可选择合适的电动机及相应的转速。
电机额定转速选择1000,1500,3000三种,根据单级比转速选择。
如下T30例子
我们可以选择AQ26332型号的电动机,机号为NO3.5,转速为2850r/min。
三、叶型设计计算
1、计算比转速
式中:
为叶轮转速(r/min),由于采用直接驱动,即为电机的转速,由上可知n=2850r/min;依照有关比转速的应用,可大致确定通风机类型及叶片型式。
一般轴流式通风机有(100~500)。
上式计算得,符合要求。
2、确定叶轮外径及轮毂直径
由查图7-5和图7-6,选取轮毂比及系数:
一般轮毂比的选择范围为:
=0.25~0.75。
由图得Ku=2.6,
图7-5 轮毂比υ与比转速ns的关系图7-6 比转速ns与系数Ku的关系
则对于标准状态下的空气叶轮外径为:
轮毂外径为:
,取ν=0.4,则Dh=0.12m 。
由下表T30风机外形及安装尺寸可知,对于NO3.5的风机,,而,所以NO3.5的风机合适。
3、计算圆周速度及压力系数
算出的圆周速度应满足强度条件及噪声要求;否则应作适当调整。
从降低噪声的角度出发,应取,但当叶轮直径一定时,过低的圆周速度,将降低风机的流量和风压。
一般可取。
根据算出的及,即知道本方案的选择合理。
4、求轴向速度
(9)
5、将整个叶片分成几个截面,分别计算各截面的扭速值
方法:
这里就采用变环量设计
先计算平均直径截面的扭速
,由于η≥0.8,
则,取,即。
设气流分布规律为,则任一截面r处的扭速值为
通常可选取5个截面进行叶栅的计算,则截面的半径为:
,
,
则取,则
通常变环量指数ɑ的取值为0~1,取ɑ=0.5,
则,
由,得
式:
η为风机的全压效率
6、计算平均相对速度及气流角
,
7、选择叶片数Z
对于同一轮毂比υ和叶片弦长b而言,叶片数Z增加,则叶栅稠度τ亦增加,这将引起叶栅升力系数的下降,并使得流道内的流动损失迅速上升;如果叶片数过少,将使每个叶片的负荷增大,从而使气动性能变坏,导致风机的全压降低。
因此,对于一定的轮毂比和叶片弦长的风机,存在一个最佳叶片数(或最佳相对栅距)。
根据国内设计轴流式风机的经验和试验数据,对于孤立叶型法设计的轴流式风机的最佳叶片数可按表7-1来选取:
表7-1 最佳叶片数
轮毂比υ
0.2
0.4
0.5
0.6
0.7
叶片数Z
2~6
4~8
6~12
8~16
10~20
本设计一般只选择3至9个叶片。
由于ν=0.4,则取Z=6。
8、叶型选取
有:
RAF-6E叶型、CLARKy叶型、LS叶型、葛廷根叶型和圆弧板叶型。
注意要根据其坐标比值来绘制叶片各截面。
选取CLARKy叶型,其相对厚度
9、选取各截面的升力系数及相应的攻角
在选取时,应使值从叶尖向叶根逐渐增加,如果叶型的相对厚度不变,可取额定工况点的(一般=(0.8~0.9))作为叶根的值,然后按直线规律依次向叶尖减小。
如叶型的相对厚度为变值,可按选取值。
各截面的值确定后,相应的攻角可根据叶型的~曲线选取。
注意:
攻角从叶根到叶尖应逐渐减小。
10、求叶片宽度b
由气动力基本方程式得:
()
11、叶型安装角
=+
综上所述可得机翼叶型截面尺寸:
项目
单位
计算截面
1
2
3
4
5
m
0.106
0.152
0.196
0.240
0.286
m/s
7.83
6.52
5.75
5.20
4.76
m/s
15.8
22.67
29.23
35.80
42.66
η
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
m/s
9.21
9.21
9.21
9.21
9.21
N/m2
118.77
141.90
161.35
178.71
194.94
m/s
15.04
21.48
27.92
34.45
41.32
(º)
37.76
25.39
19.26
15.51
12.88
(选取)
0.9
0.84
0.79
0.74
0.70
α(选取)
(º)
5
4.4
3.9
3.4
3
(º)
42.76
29.79
23.16
18.91
15.88
z(选取)
6
6
6
6
6
1/s
298.3
298.3
298.3
298.3
298.3
m
0.064
0.057
0.053
0.051
0.049
12、叶片型线的绘制
根据上述计算的数据及所选取叶型剖面的几何尺寸,绘制截面的叶片型线,再按强度及结构工艺的要求作适当修正。
为改善叶片的受力状况,各计算的截面叶型的重心,应当位于同一半径上。
轴流式通风机翼型叶片设计
四:
风筒的设计
1、风筒结构:
采用圆柱形,其内部直径(δ为叶轮外缘与风筒内壁的径向间隙尺寸)
由表得机号为No.3.5的风机的D1=360mm=0.36m,即风筒内部直径D=D1=0.36m,则。
2、风筒尺寸的确定:
长度L=(1.5-2.2)D=540~792m,D=360mm为风筒的内壁直径;另外,风筒长度也要兼顾考虑到电机和叶轮安装好后的轴向尺寸L0,应使L>L0。
五、主要零部件材料选取,强度计算与校核
1、叶片材料选取,强度计算与校核:
动叶片在制造时,一般是将叶片的背面和腹面用薄钢板分别压制成型,然后在对缝焊接而成。
叶片的材料一般选用A3钢,即Q235钢。
轴流通风机的叶轮旋转式,叶片受离心力和气流流动引起的压力,前者引起拉伸,后者导致弯曲。
叶片根部的离心力最大,一般来说,叶片根部的拉伸应力也最大。
式中—叶片根部的离心拉应力,单位为N/m3
—叶片根部所受离心力,单位为N
—叶片根部最小截面积,单位为m2
由于本设计的叶片均为变截面叶片,所以要按照变截面的离心力算法计算离心力。
将叶片近似看成叶片截面弦长和相对厚度从叶根到叶顶线性变化(叶根大、叶顶小),叶片弦长、相对厚度可以表示为:
式中—半径处的截面弦长,单位为m;
—叶根截面弦长,单位为m;
—弦长沿径向变化的系数;
—叶片任意截面所在半径,单位为m
—叶根半径,单位为m;
—半径处的截面的相对厚度;
—叶根截面相对厚度;
—相对厚度沿径向变化的系数;
—叶轮半径处叶片截面离叶根的距离,单位为m
根据文献[13],计算叶片所受的离心力
式中—叶片长度,单位为m。
利用上式可以比较精确的求出叶根的离心力。
由于叶片是边截面的,应根据变截面叶片的叶根离心力的计算公式计算离心力。
如前所述,可以知道的已知条件为:
m,,m,m,m。
可以得到
=6.0105N
计算叶根截面面积m2。
50MPa
式中为A3钢的拉伸极限强度。
所以叶片选择A3钢可以满足条件。
2、风筒材料选取
选用风筒要与局部通风机选型一并考虑,其原则是:
(1)风筒直径能保证最大通风长度时,局部通风机供风量能满足工作面通风的要求;
(2)在巷道断面允许的条件下,尽可能选择直径较大的风筒,以降低风阻,减少漏风,节约通风电耗
则风筒材料选择A3钢。
3、电机固定件的设计与材料的选择
(1)轴承的选择
轴承用来支撑转子零件,并承受转子零件上的多种载荷。
根据轴承中摩擦性质的不同可分为滑动轴承和滚动轴承。
每一种又可分为向心轴承和推力轴承。
设计要保证轴流风机运行时的周向载荷和轴向载荷,所以采用圆锥滚子轴承。
滚动轴承有如下特点。
摩擦系数小,提高了机械效率,润滑油消耗少,轴承标准化,易于选择,安装简便。
但是其耐冲击负荷能力差,安装要求准确,径向力大,且躁声高。
(2)键的选择
键的基本尺寸
选用键25×90(GB/T1095-1979),其机构如图所示
键结构简图
键的尺寸为b=25mm,h=14mm,l=90mm。
(3)轴材料选用45钢,调质处理,许用应力N/m2。
六、转子的临界转速计算
为保证风机安全可靠运行,应使工作转速离开临界转速一定范围。
设计时,要求满足如下条件:
的轴,称为刚性轴。
对刚性轴工作转速的要求:
;
的轴,称为柔性轴。
对柔性轴工作转速的要求:
。
式中:
分别为转子的一阶临界转速和二阶临界转速。
一般通风机的转速较低,通常在一阶临界转速以内工作(即刚性轴),可采用单盘临界转速的公式近似计算:
式中nc的单位为r/mi
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