矿用旋轴流式风机的设计毕业设计.doc

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1、摘 要此次设计是矿用通风机，采用的是对旋通风机，由于矿井开采时会有瓦斯气体溢出，可能引起爆炸，给工作人员增加了危险系数，对矿井的安全生产都是不利的。此次设计是局部通风，采用了对旋隔爆轴流通风机，通风方式为压入式，采用了相同型号隔爆电机驱动叶轮，提高了矿下安全生产和人员的安全。此通风机具有风量大、体积小等特点，并且在通风机的两级筒体及扩散器外面用超细玻璃棉的吸声结构 , 并在导流装置内填充吸声材料，达到了降噪的要求。 根据所给的设计参数及有关的设计要求。具体内容包括：总体结构方案的确定，叶轮的设计，流线罩，扩散器和集流器的设计，风机叶轮翼型尺寸的确定，通风机消声装置的设计。本次设计更加注意对旋通

2、风机的消音问题，注重了电动机的隔爆设计。关键词:对旋;隔爆;轴流通风机AbstractThis design for mine fan,using the disrotatoru ventilator,because of the mine mining will have gas overflow,may cause blast,increases the risk to staff,the safety of the mine production will be unfavourable.This design is local ventilation,adopted for explo

3、sion-proof axial flow fan,ventilation mode is pressed into the type,using the same model, flame-proof motor driven impeller,improve the mine production safety and personnel safety.The fan has the the characteristic such as big air volume small volume,and in the two stage of the ventilator outside of

4、 the cylinder and the diffuser with superfine glass wool sound-absorbing structure,and fill in the diversion sound-absorbing material,has reached the requirement of noise reduction.According to the given design parameters and design requirements.The concrete content includes:the determination of gen

5、eral structure scheme,the design of the impeller,streamline cover,the design of the diffuser and the current collector,streamline cover,the design of the diffuser and the current collector,the determination of fan aerofoil impeller size,fan muffler device design.Pay more attention to the design of r

6、otary fan sound attenuation problem,pay attention to the flame-proof motor design.Keywords: counter rotating;flameproof;aerofoil fan 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题意义11.2 通风机的原理及发展历史11.3 通风机的分类21.3.1 按工作原理的通风机分类21.3.2 按气流运动方向的通风机分类21.3.3 按压力大小的通风机分类31.3.4 按应用领域的通风机分类31.4 设计理论基础分析3第2章 通风机主要结构设计62.1 通风机

7、主要结构参数的确定62.1.1 确定电机的转速62.1.2 叶轮直径与叶顶圆周速度的确定72.1.3 流量系数及全压系数82.1.4 电机的选择92.1.5 叶轮的结构设计92.2 第一级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算122.2.1 第一级叶轮叶片环的气流参数计算122.2.2 第一级叶轮叶片环的空气动力计算152.3 叶片几何尺寸的确定172.3.1 翼型的确定172.3.2 叶片数目的选择计算202.3.3 各计算截面的叶片尺寸参数212.3.4 各截面上的叶片安装角222.4 第一级叶轮叶片的绘制232.4.1 弦长在叶栅额线及叶栅轴向的投影232.4.2 各计算截面翼型的重

8、心坐标242.4.3 重心距翼形前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向上的投影242.4.4 键的校核252.5 第二级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算272.5.1 第二级叶轮叶片环的气流参数计算272.5.2 第二级叶轮叶片环的空气动力计算292.6 第二级叶轮叶片几何尺寸的确定322.6.1 第二级叶轮翼型的确定322.6.2 第二级叶轮叶片数目的选择计算342.6.3 第二级叶轮各计算截面的叶片尺寸参数352.6.4 第二级叶轮各截面上的叶片安装角362.7第二级叶轮叶片的绘制372.7.1 弦长在叶栅额线及叶栅轴向的投影372.7.2 各截面翼型的重心坐标372.7.3 重心距翼

9、型前后缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向上的投影38第3章 集流器与流线罩的结构设计393.1 集流器的选择393.1.1 集流器型线的选择393.1.2 集流器尺寸的确定393.2 流线罩的选择403.2.1 流线罩型式的选择403.2.2 流线罩尺寸的确定403.3 集流器与流线罩的结构40第4章 扩散器424.1 扩散器的型式424.2 扩散器尺寸的确定43第5章 风机筒体的设计44第6章 噪声的控制466.1 环境噪声污染的危害466.2 噪声治理的措施466.3 消声结构设计 47结论48致谢49参考文献50CONTENTSAbstractIChapter1 Introduction11.

10、1 Topic selection significance11.2 The principle of the ventilator and development history11.3 Fan classification21.3.1 According to the working principle of the ventilator classification21.3.2 According to the classification of the ventilator airflow direction21.3.3 According to the size of the pre

11、ssure ventilator classification31.3.4 According to the application in the fan classification31.4 Design theory base analysis3 Chapter2 The ventilator main structure design62.1 The ventilator main structure of Parameters62.1.1 Determine the speed of the motor62.1.2 Impeller blade tip and the diameter

12、 circle determine the speed72.1.3 The flow coefficient and the pressure coefficient82.1.4 Motor choice92.1.5 The design of the structure of impeller92.2 Calculation The first level of the impeller blade ring gas Parameters and airpower load coefficient122.2.1 Calculate The first level impeller blade

13、s of airflow Parameter ring122.2.2 The first level impeller blades of air power calculation ring152.3 The determination of blade geometry size172.3.1 Wing to determine the type172.3.2 Leaf number of choice is calculated202.3.3 The calculation of the blade section size Parameters212.3.4 Each section

14、of the blade installation Angle222.4 The first level of impeller blade drawing232.4.1 Long strings in decreasing the amount and decreasing the axialline of projection232.4.2 The calculation of air foil section barycenter coordinates242.4.3 Center of gravity from the hydrofoil margin of distance befo

15、re and after the blade is line and decreasing the axis of projection of upward242.4.4 Key to check252.5 The second level of the impeller blade ring gas Parameters and air power laod coefficiention272.5.1 The second impeller blades of airfiow Parameter caculation ring272.5.2 The second level of impel

16、ler blade air power calulation ring 292.6 The second impeller blade geometry size determined322.6.1 The second type of impeller wing to determine322.6.2 The second impeller blade number of choice is calculated342.6.3 The second section of each calulation impeller blade size Parameter352.6.4 The seco

17、nd section of the impeller blade installation Angle362.7 The second level of impeller blade drawing372.7.1 Long strings in decreasing the amount and decreasing the axialline of projection372.7.2 Each section of the airfoil barycenter coordinates37 2.7.3 Center of gravity from the airfoil margin of d

18、istance before an dafter the blade is line and decreasing the axis of projection of upwar d37 Chapter3 The current collector and streamline the structure design of the cover 393.1 Collector implement the choice393.1.1 The choice of line current collector ware393.1.2 The size of the current collector

19、 certain393.2 Streamline the choice of cover403.2.1 Streamline cover the choice of type403.2.2 Streamline the size of the cover certain403.3 The current collector and streamline the structure of the cover40 Chapter4 diffuser424.1 Diffuser type424.2 To determine the size of the diffuser43 Chapter5 Fa

20、n cylinder design44 Chapter6 Noise control466.1 The dangers of environmental noise pollution466.2 Noise control measures466.3 Silencing structure design47Conclusion48Thanks49Reference50VIII第1章 绪论1.1 选题意义由于煤矿生产是井下工作，自然条件比较恶劣。当地面空气进入井下并流经各作业场所的过程中，会参杂有毒有害气体和粉尘。同时，由于地热作用，人体和机械的散热、水分的蒸发等，井下空气的温度和湿度都会提高，

21、造成不良的气候条件。所以，对矿井必须进行通风，加快空气流动，通风机广泛的应用到煤矿生产。煤矿用风机按其用途可分为主通风机和局部通风机两大类，目前，主通风机中有三分之二是对旋隔爆轴流风机，局部通风机几乎都是一样的结构。局部通风机可分为压入式局部通风机和抽出式局部通风机，因抽出式局部通风会导致井下气压降低，吸入新鲜空气时会有瓦斯涌出。而且压入式通风安全可靠性较好，经济性好，通风距离远等优点。故大多煤矿的通风机采用压入式局部通风机。本设计也采用的是压入式通风。1.2 通风机的原理及发展历史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。通风机的工作原理与透平压缩机基本相同，由于气体流速较低，

22、压力变化不大，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。通风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心式风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心式风机，结构已比较完善了。1892年法国研制成横流通风机。1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国所广泛采用。19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100300P

23、a，效率仅为1525，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年，德国首先采用轴流等压通风机为锅炉通风和引风；1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机；旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得了发展。 按气体流动的方向，通风机可分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型 1 。20世纪90年代，我国引进日本反旋式扇风机，并开发了低噪声对旋局部通风机系列（压入式）。该系列风机由于其风压高，风量大，噪声低，效率高而被广泛应用于煤矿和矿山工程局部通风。2002年，中国的防爆离心式风机，在化工、石油、机械等领域广泛被采用。1.3 通风机的分类1.3.1 按工作原理

24、分类 按工作原理通风机可分为叶片式和容积式及喷射式三类。常用的形式主要为叶片式和容积式，尤其以叶片式通风机应用最为广泛1.3.2 按气流运动方向分类1. 离心通风机气流进入旋转的叶片通道，在离心力作用下气体被压缩并沿着半径方向流动。离心通风机工作时，动力机(主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。2. 轴流通风机气流轴向进入通风机叶轮后，在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动的通风机。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

25、，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。相对于离心通风机，轴流通风机具有流量大、体积小、压头低的特点，用于有灰尘和腐蚀性气体场合时需注意。3. 斜流式（混流式）通风机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。4. 横流式通风机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

26、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。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。 1.3.3 按压力大小分类1. 低压离心通风机风机进口为标准大气条件，通风机全压的离心通风机。 2. 中压离心通风机风机进口为标准大气条件，通风机全压为的离心通风机。 3. 高压离心通风机风机进口为标准大气条件，通风机全压为的离心通风机。 4. 低压轴流通风机风机进口为标准大气条件，通风机全压为的轴流通风机。 5. 高压轴流通风机风机进口为标准大气条件，通风机全压为的轴流通风机。1.3.4 按用途分类通风机按用途可分为锅炉引风机、工业炉用通风机、

27、矿井通风机、通风换气用通风机、煤粉通风机、排尘风机等。1.4 设计理论基础分析我设计的题目是对旋隔爆轴流式通风机结构设计。所谓对旋轴流风机，是指前后串联两个直径，轮毂比都相同，而旋转方向相反的叶轮，用两个电机分别驱动流式通风机。这种通风机只有两个对旋的叶轮，而没有固定式导流叶片。对旋式两级通风机具有与一般两级轴流通风机相同的压力系数和比转数。这种风机的压力系数、流量系数和轮毂相对直径值与一般通风机相同，更适合长距离通风。对旋轴流式通风机由于省掉了导叶，使风机内耗减少，阻力降低，从而提高了风机的效率。对旋轴流风机的工作原理是：工作时两级叶轮分别由两个相同，旋转方向相反的电机驱动，使两级叶轮产生相

28、反的旋转方向，当气流通过集流器进入第一级叶轮获得能量后使其出口气流产生正旋绕，该气流速度等值同方向流入第二级叶轮，再次获得能量后使第二级叶轮的出口气流产生负旋绕，最后气流从扩散器端得轴向升压排出，两级叶轮互为导叶，从而达到普通普通轴流式通风机所不能达到的高风压、大流量、噪声低、性能稳定及通风距离长等优点，是煤矿掘进工作面及公路、铁路、隧道工程中通用的通风设备。本次设计采用孤立翼型设计方法，此方法适用于压力较高、轮毂比较大的轴流风机叶片环设计。通风机的叶片翼型选择性能较好的LS翼型，用两型号相同的隔爆电机分别驱动，前后两级叶轮在要求风压风量较大时，可同时工作满足需要。对风压要求较低时，可单独开启

29、第一级叶轮或第二级叶轮。1-流线罩； 2-集流器；3-第一级电机； 4-第一级风筒；5-第一级叶轮；6-第二级叶轮； 7-第二级风筒；8-扩散器；9-风筒接头；10-支撑板；11-消声材料；12-第二级电机；13-键；14支撑架图1-1 隔爆对旋轴流通风机结构图已知设计参数Q=400m/min(6.67m/s)、全压达到H=4500Pa，一般的矿用轴流式风机主要气动部件有叶轮，风筒，集流器，流线罩以及出口处的扩散器组成轴流通风机。对旋通风机两级叶轮使用两个电动机驱动，以电机直接驱动，并且两个叶轮之间互为导叶。将风机叶轮、电动机、集流器、扩散器等分别装各段风筒，风筒与法兰焊接在一起，然后用螺栓将

30、这些零件紧固在一起。其基本结构如上图1-1所示:在对旋轴流通风机的空气动力设计中，第I级叶轮可以按照叶轮加后导流器级型的单级轴流通风机，在给定设计参数的条件下，设计第I级叶轮。即进行第I级叶轮叶片的气动计算和几何尺寸计算，然后再按照前导流器加叶轮级型的单级轴流通风机进行第II级叶轮的气动计算和几何尺寸计算。对于本通风机降低噪声的问题，我采用了目前国内外比较流行的对旋轴流通风机外包复式消声结构。对旋轴流通风机产生的噪声大部分来自于通风机的进风口和出风口，因此在设计时在通风机的第I、II级风筒和扩散器外层包复了消声材料以达到降低噪音的目的。 第2章 通风机主要结构设计2.1 通风机主要结构参数的确

31、定2.1.1 确定电机的转速风机的风压比是决定各级叶轮和导叶的主要参数之一。通常，前后两级叶轮分别用等功率、等转速的电动机驱动，因而它们的转速比，对旋轴流通风机的全压为两个叶轮全压之和，从合理分配前后两级叶轮的压力负载角度看，两个叶轮最佳的理论全压各位通风机理论全压的一半，这样设计不仅能够保证通过两级叶轮气流比较平稳，满足对旋轴流通风机气流的连续性条件，有利于提高风机的全压效率，因此两个叶轮的全压各为通风机全压的一半。1. 预选电机转速预选三种电机转速分别为：960r/min、1440r/min、2940r/min。2. 确定通风机的比转数由文献4中公式 (2-1)通常情况下根据比转数选用通风

32、机型式为： 罗茨风机或其它回转式风机 前向离心通风机 后向离心通风机 单级双吸入离心通风机 轴流通风机轴流风机的比转速一般大于100得，式中 比转数；电机额定转速，r/min；第一级叶轮的风压由给定参数得第一级叶轮风压为： ；通风机流量，m3/s；由给定参数得。轴流风机的比转速一般大于100，故选取电机转数为2940r/min通风机比转数为128.76。2.1.2 叶轮直径与叶顶圆周速度的确定叶轮直径可用文献3中计算： (2-2) 式中 叶轮直径,m； 通风机的单级全压，Pa，由给定设计参数可知为； 气体密度，对于通风机进口标准状态气体； 电机转速，r/min。根据13通风机标准化和系列化的要

33、求将D圆整到标准直径，取直径D=0.7m。进一步由公式可计算出叶轮叶顶圆周速度: (2-3)2.1.3 流量系数及全压系数1 计算流量系数由流量系数表达式(2-4)得 (2-4)2 计算全压系数由全压系数表达式(2-5)得 （2-5）2.1.4 电机的选择 1 确定电机功率由5电机功率计算得 (2-6)式中 通通风机的单级全压,Pa，由给定设计参数可知为2250Pa；通风机流量，m/s，由给定参数得：m/s；K电动机功率储备系数，对于轴流风机，一般传动效率，一般情况下，叶轮与电机直连时 ； 通风机全压效率，取为5。 2 电动机的选取两级叶轮的风压比为1:1，所以前后两级叶轮均采用同一型号的电机

34、。本设计主要针对井下的局部压入式通风，考虑到井下设备的隔爆问题故电机应选取具有隔爆性能的隔爆电机。经以上计算可知:电机转速为2940r/min，电机功率为19.42kW。参考隔爆电机系列选取YB180M-2隔爆型三相异步电动机，其额定转速为2940r/min,功率22kW。2.1.5 叶轮的结构设计1 确定叶轮结构叶轮是通风机的主要工作机构，它由电机驱动旋转，将电机输出的机械能转换为空气的动能。叶轮由叶片和轮毂两部分焊接而成。本设计采用电机直接驱动方式，叶轮通过轮毂用平键和电机轴连接在一起。叶轮结构型式如图(2-1)所示。图2-1 叶轮的基本型式2 轮毂比的选择轮毂比是轴流通风机叶轮设计中的重

35、要参数之一，它对通风机的压力、流量、效率、压力特性曲线形状及工作区域大小等都有影响。在确定轮毂比时，不仅要考虑其对通风机性能的影响，而且还要从通风机结构方面考虑。常用的选择轮毂比的方法有两种：一种按经验总结出表2-1来选取合适的轮毂比；另一种是根据前人实验研究的综合统计数据来选取合适的轮毂比。当通风机比转数时可选取按表2-1当全压系数时 表2-1 不同全压系数时推荐采用的轮毂比综合两者考虑，参考通风机轮毂比对于通风机的压力、流量、效率等影响关系可知当通通风机风压较高、流量较小时应选取较大的轮毂比，因为轮毂比小的话会使叶片过长，会在叶根处使叶栅相互干涉，性能下降，故本设计选取稍大的轮毂比。3 计

36、算轮毂直径当轮毂比确定时,轮毂直径可按公式(2-7)得 (2-7) 4 验证轮毂比当按等环量方法进行轴流通风机叶片环气动计算时，叶片根部的气流分离与否，应验算是否所取轮毂比3。通风机的轴向速度由式(2-8)得 (2-8)m/s式中 通风机轴向速度, m/s； 通风机轮毂比； 通风机流量,m3/s由给定参数得m/s； 叶轮直径, m。进而可得到通通风机的无因次轴向速度为=0.316m/s (2-9)通风机的理论全压系数为式中 通风机的理论全压系数,已计算得； 通风机的理论全压系数； 全压效率，经查表得。在轴流通风机的气动计算中最佳设计参数.取 则通风机第级叶轮的计算函数为 (2-11)则叶轮的最

37、小轮毂比由式(2-12)得 (2-12)由于所决定的轮毂比=0.70.493，所以在叶轮的叶片根部不会产生气流分离，所选轮毂比可用。2.2 第一级叶轮叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算2.2.1 第一级叶轮叶片环的气流参数计算 1. 确定叶片截面及截面半径通常把整个叶片沿径向方向按等圆环面积原则分成57个计算截面，以便分别计算各截面的有关参数，从而得到各计算截面的叶片宽度及叶片安装角。本次设计将整个叶片按等圆环面积原则分成5个计算截面 4 。各计算截面的半径可按式(2-13)计算 (2-13)则各计算截面的半径为式中 第i个计算半径； 从轮毂截面算起的计算截面符号, ； N计算截面数，取；

38、 叶轮直径，已求得m； 叶轮轮毂比，取为。在所取的截面中，需要包括平均半径所在截面，因为通常所说的叶片安装角指的就是平均半径所在截面的数值。 2. 各截面的相对半径各计算截面的相对半径可按式(2-14)计算 (2-14) 式中 各计算截面半径已求得； 叶轮半径，由式(2-2)可知：m。 3. 各截面上气流的圆周速度 (2-15) 式中 各计算截面半径； 电机转速,选取为2940r/min。 4. 各截面上气流的扭速气流的扭速即为叶轮人口前后的气流旋绕速度之差。气流在进入第I级叶轮时入口旋绕速度=0。各截面上气流的扭速可按文献4中式(2-16)计算得 (2-16)m/sm/s m/sm/sm/s

39、式中 通风机的单级全压,Pa ,由给定设计参数可知为2250Pa；气体密度, kg/m,对于通风机进口标准状态气体密度 =1.2kg/m；各截面上气流的的圆周速度，；通风机全压效率，在按等环量设计时为常数，取为0.85。2.2.2 第一级叶轮叶片环的空气动力计算 1. 轴向绝对速度在按等环设计时,沿叶高轴向的绝对速度为常数可由式(2-17)计算得 (2-17) 2. 各截面的平均相对速度 (2-18)由上式可分别求得各计算截面的平均相对速度为 式中 轴向绝对速度，；各截面上气流圆周速度，； 各截面上气流的扭速,； 各截面上气流的预旋速度，按等环量设计第I叶轮时。 3. 各截面的平均相对速度气流角 (2-19)代入数值可分别求得各计算截面的平均相对速度气流角 4. 空气动力负荷系数 (2-