畢業(yè)設計論文-離心通風機設計

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第 1 頁 目 錄第一章 緒 論 31.1 礦用通風機行業(yè)概況 31.2 通風機在礦上的應用 41.3 通風機選型對經(jīng)濟運轉(zhuǎn)的影響 51.4 礦井通風機使用情況 51.5 國內(nèi)使用的礦井主通風機簡介 [2] .61.5.1 2K 系列通風機 61.5.2 BD(K)系列通風機 .61.5.3 GAF 系列通風機 .71.5.4 G4— 73、4— 72 系列離心式通風機 71.6 離心通風機的應用現(xiàn)狀與經(jīng)濟分析 【1】 71.7 風機經(jīng)濟性評價方法【1】 81.8 離心通風機幾種調(diào)速裝置的特點 【1】 81.8.1 液力耦合器 81.8.2 晶閘串級調(diào)速 91.8.3 變頻調(diào)速 91.9 大型離心通風機葉輪的三維應力計算 【9】 9第二章 離心通風機的理論基礎 102.1 通風機的基本方程式 102.2 葉片出口安裝角對風機性能的影響 132.4 離心通風機的理論特性曲線 172.5 通風機的實際特性曲線 192.6 氣體在離心通風機葉輪內(nèi)的實際流動情況 212.7 離心通風機最佳沖角的函數(shù)曲線 [11] 232.8 最佳沖角函數(shù)曲線的應用 252.9 離心通風機性能曲線的擬合及應用研究 262.9.1 離心通風機性能曲線擬合 27第三章 離心通風機的氣動設計 273.1 本設計的技術要求 273.2 風機選型 293.3 風機的氣動力設計 .293.3.1 選通風機轉(zhuǎn)速為 n=700r/min，則其比轉(zhuǎn)速為， 293.3.8 選擇徑向進氣 323.3.16 選葉片數(shù)目 Z 343.3.24 估算壓力減小系數(shù) K363.3.27 葉輪出口前氣流速度及角度 363.3.28 葉輪出口后氣流速度及角度 363.3.30 確定葉片弦長 37第 2 頁 3.3.33 確定蝸殼張開度 A383.3.34 確定蝸殼繪制半徑 383.4 風機軸功率及選擇電機功率 38第四章 礦用離心通風機的結(jié)構設計 394.1 前盤強度計算 394.1.1 前盤選型 404.1.2 無附加載荷的等后圓盤內(nèi)孔處最大切向應力 404.1.3 葉片離心力在圓盤中產(chǎn)生的切向應力為： 404.2 后盤強度計算 424.3 鉚釘強度計算 434.4 主軸強度計算 434.5.1 軸的最大彎矩 434.4.2 軸的轉(zhuǎn)矩和復合應力 464.4.3 主軸的臨界轉(zhuǎn)速 464.5 軸向推力計算 47（6） 徑向系數(shù)及軸向系數(shù) 48（7） 當量負荷 48第五章 礦用離心通風機主要零部件的強度較核 495.1 軸承的校核 .49（1） 所需軸承最小壽命 49（2） 軸承受力 49（3） 所選軸承基本額定負荷 49（4） 查【5】表 11-18 取派生軸向力計算式為 495.2 葉片強度計算 52（5） 翼型表面到葉片重心的距離 545.4 鍵的擠壓強度計算 .58（1） 鍵的尺寸選擇 59（2） 鍵聯(lián)接所傳遞的扭矩 59（3） 與軸盤聯(lián)接的鍵 59（4） 聯(lián)接皮帶輪的鍵 59第六章 離心風機空氣動力噪聲 606.1 離心風機噪聲產(chǎn)生機理【12】 60（2） 高速氣流的方向在蝸舌處發(fā)生周期性變化而產(chǎn)生沖擊噪聲. 606.2 離心風機的降噪方法【12】【22】 60（1） 采用多翼風機, 降低圓周速度 60（2） 合理的蝸殼型線 61（3） 合理的蝸舌半徑和蝸舌間隙 61（4） 蝸舌傾斜降低噪聲的原因在兩方面: 61（5） 采用長短葉片改善流動條件 61第 3 頁 （6） 利用聲學共振降低噪聲 61第七章 邊界層測量方法簡介 637.1 邊界層簡述 637.1.1 速度邊界層【20】 【29】 637.1.2 速度邊界層內(nèi)流體的流動狀態(tài) 647.2 邊界層測量方法簡介 647.2.3.1 熱線測速儀的優(yōu)點是： 667.23.2 熱線測速儀的缺點是： 677.3 LDV 測量系統(tǒng)簡介 .68圖 7-7 雙光束多普勒光路簡圖 .697.4 頻移原理及 LDV 參數(shù)設置 697.4.1 測量反向速度 697.4.2 消除橫向速度限制 707.4.3 提高信噪比 717.5 用三分量 LDV 測量壁湍流邊界層【14】 .717.5.1 實驗背景 727.5.2 實驗裝置及測量方法 727.5.3 測量結(jié)果及討論 737.6 結(jié)論 7632 avenue de l’observatoire .80I. INTRODUCTION 80II. DESIGN AND MANUFACTURING OF THE ZIP VALVE 82III. ACTUATOR PERFORMANCES .87A. Controlled pressure PCB.87B. Preliminary micro fluidic measurements 88IV. CONCLUSION90一種控制湍流邊界層的靜電驅(qū)動閥 93Y. Bailly93一、前 言 93二、ZIP 閥的設計與制造 .95A:分析和有限元方法( FEM )95三、 結(jié)論 103四、鳴謝 103五、 參考文獻 104第 4 頁 第一章 緒 論1.1 礦用通風機行業(yè)概況世界各主要產(chǎn)煤國對礦井通風機需求逐年增加。原蘇聯(lián)主要產(chǎn)品Bц15 型離心式通風機和 BOд—18 型軸流式通風機 ,離心式通風機直徑達3.12～4.17m,效率 84%～86%,軸流式通風機直徑達 1.18～4m, 效率 80%。美國礦井用的通風機以軸流式通風機為主,因為其調(diào)節(jié)范圍寬,加速性能、動態(tài)性能和運行效率優(yōu)于離心式通風機。其葉輪最大直徑達 4.127m,最大功率7600kW,最高轉(zhuǎn)速 3600r/min,動葉單獨可調(diào)。近 70 年來,通風機在采礦工程中的應用方式不斷變遷。從 1922 年 J·R·羅賓遜所寫的“實用礦井通風”技術手冊時起,預示通風的控制由自然方式進入了機械方式。而此時所使用的大型、機械驅(qū)動的風機就是離心式的。當時的離心式風機運行速度低,大約 300r/min,而且大部分是由蒸汽機驅(qū)動。20 年代末至 30 年代初,礦井規(guī)模的擴大,要求增大風機的壓力和流量。由電機驅(qū)動的高速(700～800r/min)軸流式風機應運而生。它體積小且安裝費用低,在礦井通風的應用中占了統(tǒng)治地位。然而,由于開采方式的變更,礦井通風靜壓的需求逐步提高,離心式風機又成為礦井通風的一種較理想選擇。70 年代,后退長壁開采方式被普遍采用。早期的長壁工作面寬 90～120m,長 1200～1800m。90 年代的超大型工作面寬達 275m,長達 4440m。在國外即使采空區(qū)塌落而形成廢石充填區(qū),但由于開采工藝要求,氣流還需流通該區(qū)。塌落區(qū)的空氣阻力系數(shù)明顯高于開闊的風道,所以礦井主風扇還必須提高其壓力以滿足通風的需要。一些礦井曾嘗試采用高轉(zhuǎn)速的軸流風機(甚至為 2 級葉輪, 1.5m 直徑 ,運行轉(zhuǎn)速 1780r/min)。但該類風機噪音大,普遍存在葉片及軸承的故障。1.2 通風機在礦上的應用為了沖淡和排除井下的有害氣體和粉塵,為井下各巷道及采、掘工作面提供新鮮風流,保證井下工作人員有足夠數(shù)量、符合要求的空氣供呼吸,確保井下工作人員的人身安全,改善井下工作環(huán)境,在煤礦生產(chǎn)中必須不間斷地向井下供給大量的新鮮空氣。煤礦用主通風機就是向井下輸送空氣的設備,通常情況井下每采 1t 煤炭就要向井下輸送 4～6t 新鮮空氣,礦井主通風機的電耗平均約占煤礦電耗的 8%～15%,它是煤礦井下通風不可缺少的安全設備,第 5 頁 也是礦井的關鍵設備。在通風設備的選擇設計時,對其可靠性必須予以足夠的重視。隨著世界范圍內(nèi)能源短缺和經(jīng)濟增長對能源需求的增加,迫切要求人們節(jié)約能源和保護環(huán)境。而礦井主通風機每天都必須運行,選擇節(jié)電、低噪型通風機就顯得非常重要。20 世紀 80 年代后,由于采用了新技術、新工藝,通風機的效率提高了 5%～10%,擴大了調(diào)節(jié)范圍,提高變負荷條件下通風機的運行效率,是通風機運行的重要方面。有的國家還應用電腦優(yōu)化控制調(diào)節(jié),成為代表世界科技進步的趨勢之一。隨著社會的不斷發(fā)展,礦井主通風機會更加具備安全可靠、高效節(jié)能、低噪、自動化程度高和安裝簡便等特點,礦井理想的主通風設備會越來越多。1.3 通風機選型對經(jīng)濟運轉(zhuǎn)的影響礦用通風機包括離心式和軸流式兩類。一般說,離心式通風機較之流式通風機的額定效率高,但效率曲線陡,高效區(qū)窄,平均效率低。所以這類風機與網(wǎng)路的適應性差,一旦網(wǎng)路特性發(fā)生變化,工況效率則必大幅下降。因此,離心式通風機較適合在整個運轉(zhuǎn)期間,網(wǎng)路阻力變化不大的礦井。而軸流式通風機雖最高效率不及離心機,但它的等效率曲線與網(wǎng)路特性曲線夾角很小,近似平行,故當網(wǎng)路特性發(fā)生變化時,工況效率的變化比離心式要小,所以運轉(zhuǎn)期間的平均效率較高。尤其是 90 年代初,我國開始生產(chǎn)的 2K56、KZS 型軸流式通風機,不僅最高效率比 80 年代生產(chǎn)的 2K60 要高 ,而且高效區(qū)普遍向低壓區(qū)移動,如表 1 所示,因而也就更適合我國礦井負壓普遍較低的實際。1.4 礦井通風機使用情況從我國的礦業(yè)發(fā)展過程看,五六十年代的中小礦井也大多采用離心式風機,隨著礦井規(guī)模不斷擴大,軸流式風機的采用逐漸增多,而且顯示出流量大、風量調(diào)節(jié)簡單、返風方便的優(yōu)點。今后會不會向國外那樣發(fā)展呢?根據(jù)我國第 6 頁 礦井的開采工藝和有關規(guī)范規(guī)定分析認為: (1)雖然后退式長壁采煤方法在我國已普遍采用,但國內(nèi)的采空區(qū)和塌陷區(qū)一般不需進行通風,而采取與工作面隔離的方式,因此礦井阻力不會大幅度增加;(2)目前我國礦井的采深普遍在600m 以內(nèi), 隨著礦井的開拓延深,工作面距離越來越遠,通風阻力也會不斷增加,在一定程度上選擇高靜壓的離心式風機要好于軸流式風機。例如,河南省某礦井開采深度大于 500m 時,最小負壓 1143Pa,最大負壓 2928Pa,風量,選擇 G4-73-11No.28 型離心式風機或 BDK65A-10-No.28 型軸流式398/ms風機都能滿足要求。當開采深度在 700m 水平時,采區(qū)工作面距離井口約7km,負壓將達到 4020Pa,風量 ,這時如果仍利用原風井風機通風 ,軸315/ms流風機的靜壓就不夠了,而離心風機仍舊可以使用。但是,我國《煤礦設計規(guī)范》第 10.1.5 條明確規(guī)定“礦井通風的設計負,壓,不應超過 2940Pa”,這在根本上限制了通風負壓。1.5 國內(nèi)使用的礦井主通風機簡介 [2]目前,。我國煤礦在役的主要通風機,以下幾個系列的使用占有 90%以上。這對有些礦井在通風機能力不足時的改造、對設計及現(xiàn)場選購通風機、對現(xiàn)有通風機改造起到參考和幫助的作用。1.5.1 2K 系列通風機2K 系列軸流通風機按輪轂比不同分為 2K56、1K58、2K58、2K60 和KZS 等幾個系列,主要由沈陽鼓風機廠、沈陽風機廠和吉林鼓風機廠生產(chǎn)。葉輪直徑從 1.12m～3.16m,可滿足不同大小礦井的需要。該系列通風機均為單、雙級葉輪,機翼為扭曲葉片,葉片角度可在較大范圍內(nèi)進行有級(1K58、 2K58、KZS)或無級(2K56、2K60) 調(diào)節(jié),且均可直接反轉(zhuǎn)反風。這是我國煤礦以前用量較大、較多的一類通風機?？梢詽M足多數(shù)礦井對通風機低壓力、大風量的需要,剎車、測溫、測震基座等附屬裝置也較為齊全。現(xiàn)場實測表明其靜壓效率可達 75%以上,但氣動噪聲大。該系列通風機除適用于新建和改擴建礦井外,由于其外形與我國較早使用的 70B2 和 2By 型軸流通風機相近,更適用于對這類通風機的改造,可較大幅度的節(jié)約改造費用,縮短改造時間。1.5.2 BD(K)系列通風機BD(K)系列通風機近年來發(fā)展很快,生產(chǎn)廠家也較多,主要有湘潭平安、第 7 頁 南陽、燕京等廠家,該系列通風機最大已經(jīng)生產(chǎn)到了 4m。該風機采用雙級雙電動機驅(qū)動結(jié)構,兩級葉輪相對并反向旋轉(zhuǎn),其結(jié)構相當于兩臺同型號軸流通風機對接在一起串聯(lián)工作,因此被廣泛稱之為對旋通風機。由于這種結(jié)構可省去中間及后置固定導葉,且渦流損失較小,具有傳動損耗小、壓力高、高效范圍較寬、效率也較高的特點。廠家提供的通風機最大靜壓效率可達 86%,現(xiàn)場實測其裝置靜壓效率可達 77%。該系列通風機除了可在較大范圍內(nèi)調(diào)整葉片角度外,還可對前后級安裝角度進行適當組合,并可單級運行,因此可調(diào)范圍更寬。但實測結(jié)果表明:單級運行時通風機的效率太低 ,僅有 50%左右,不宜長期使用。此外,由于該系列通風機結(jié)構的整體性和密閉性均較好,且可以實現(xiàn)反轉(zhuǎn)反風,使用該系列通風機可以不建通風機房,不用反風道,具有基建工期短、節(jié)省基建費用等優(yōu)越性,適合于要求盡快投產(chǎn)的新建風井。1.5.3 GAF 系列通風機GAF 系列通風機是在引進國外技術的基礎上,結(jié)合國內(nèi)的實際情況加以改型改造的軸流通風機。該通風機具有風量風壓調(diào)節(jié)范圍寬、靜壓效率高、葉片角度調(diào)節(jié)自動化程度高等優(yōu)點,尤其是采用液壓調(diào)節(jié)和渦輪渦桿同步調(diào)節(jié)裝置調(diào)整葉片的通風機,改變?nèi)~片運行角度非常容易,特別適用于需要經(jīng)常改變運行工況的礦井使用。此外,GAF 系列通風機的葉輪直徑、輪轂比分檔較多,再加上葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速等的變化,可形成上千種基本型號,上萬種標準產(chǎn)品,為用戶根據(jù)技術參數(shù)和使用要求進行量體裁衣式的選型提供了方便。由于葉片角度調(diào)整方便,這類通風機可通過改變風葉角度實現(xiàn)通風機反風,既不需要反風道,也不需要通風機反轉(zhuǎn)控制裝置,且反風量也滿足規(guī)程要求。但該類通風機與同等能力的其他系列通風機相比,初期投資較大。1.5.4 G4—73、4—72 系列離心式通風機我國礦井使用的離心式通風機主要就是這兩個系列,生產(chǎn)廠家較多。G4—73 系列離心式通風機最初是為鍋爐通風(引風 )設計的,后來被引用到礦井通風中并擁有一定的市場占有量。該系列離心式通風機的特點是特性曲線較平緩、無駝峰、運行噪聲較小、效率高。啟動時關閉調(diào)節(jié)門 (也叫前導器), 具有啟動功率較小,啟動容易的特點。運行時調(diào)節(jié)門可在 0°～70°范圍內(nèi)調(diào)節(jié),用以改變運行工況,還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動機來改變其運行工況,適應性較好。4—72 系列通風機的特性曲線較平緩,運行噪聲較小,效率高,適用于通風阻力不是太大的中小型礦井。我國地方煤礦的礦井中使用該系第 8 頁 列通風機較多,由于機型小,配置電動機的容量也小,可配用 380V 或 660V 電壓的電動機,特別適用于無高壓(6000V)供電的礦井使用。但對初、后期風壓變化大的礦井,離心通風機的調(diào)節(jié)性能差。1.6 離心通風機的應用現(xiàn)狀與經(jīng)濟分析 【1】鑒于我國風機的應用現(xiàn)狀,研究高效率的風機,再大幅度地提高風機本身的效率不大可能。目前,研究和應用最佳的風機調(diào)速才是降低風機電耗的最有效途徑。風機的耗電量與轉(zhuǎn)速的立方成正比。風機的轉(zhuǎn)速降低,其耗電量將以其立方的比例下降，例如:根據(jù)工藝要求,風機的風量下降到 80%風機的轉(zhuǎn)速也下降到 80%,其風機軸功率則到額定功率的 51%;若風機的風量下降到50%，則風機的轉(zhuǎn)速也下降到 50%,其風機軸功率降到額定功率的 13%,節(jié)電87%;從節(jié)能角度以風機調(diào)速最為有利,調(diào)節(jié)范圍最大 ,其經(jīng)濟也最佳。同時,采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后,可以降低噪聲,減輕引風機葉輪的磨損,延長葉輪的壽命。所以,風機的節(jié)能重點應放在風變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)上。風機變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),需要通過裝置來實現(xiàn)。1.7 風機經(jīng)濟性評價方法【1】采用“將來費用折算現(xiàn)值”的方法,對離心通風機調(diào)節(jié)方案進行經(jīng)濟性評價。所謂“費用折算現(xiàn)值”是指購買附加設備費、安裝費，維持風機和附加設備在全部使用壽命期間運需的運行費、維修費的折算現(xiàn)值。總現(xiàn)值最小方案為最優(yōu)方案。 “將來費用折算現(xiàn)值”法,較全面而準確地反映各方案經(jīng)濟性的優(yōu)劣,風機改造時可作為主要的參考依據(jù)。將來折算現(xiàn)值的計算公式為F=T·TE+T·(HD·DF+WX)·Y式中 F—— —將來費用現(xiàn)值 ,萬元T———風機臺數(shù)TE———風機和附加裝置的總投資,萬元HD———系統(tǒng)年耗電量,萬 kW·h/aDF———電費,元/kW·hWX———風機和附加設備的年維修費,萬元Y———使用壽命,a第 9 頁 1.8 離心通風機幾種調(diào)速裝置的特點 【1】離心通風機調(diào)速裝置有:液力耦合器、電磁滑差調(diào)速電機、雙速電機、晶閘管串級調(diào)速裝置及變頻調(diào)速裝置。1.8.1 液力耦合器是利用流體的動能來傳遞功率的一種動力式傳動設備。安裝在電動機和風機之間,可以在電動機轉(zhuǎn)速不變的情況下,實現(xiàn)無級變速來改變風機的特性曲線和電動機的空載啟動。但液力耦合器在調(diào)速的過程中,存在著固有的滑差功率損失,所以傳動效率較低。液力耦合器裝置技術上比較成熟,在電廠風機中應用也較多,并取得了一定的節(jié)電效果,但不能盲目使用。經(jīng)過調(diào)查得出,若風機的富裕量不是太大,那么節(jié)電效果就不明顯; 若在鍋爐帶額定負荷時采用液力耦合器,不但不能省電,甚至還多耗電。電磁滑差調(diào)速電機能實現(xiàn)無級變速,速度調(diào)節(jié)平滑,無失控區(qū)能空載調(diào)速,轉(zhuǎn)速變化率小;其控制設備也簡單,初投資低,維護方便,節(jié)電效果明顯。但在調(diào)速時其轉(zhuǎn)差功率會以發(fā)熱形式損耗掉,所以經(jīng)濟效益較低。雙速電機是采用單繞組變極方法實現(xiàn)速度變換的,初投資低,使用時能使整機結(jié)構緊湊,可降低噪聲和節(jié)約能源,維護也簡單。但低速時的啟動力矩小,往往需先在高速下啟動,然后再切換到低速運行。運行人員不敢在運行中進行變速操作,開關的可靠性也差。1.8.2 晶閘串級調(diào)速就是在轉(zhuǎn)子繞組回路中串接一個反電勢,通過改變轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)繞線式異步電動機轉(zhuǎn)速的一種調(diào)節(jié)方法,該裝置不僅可以對電機進行無級變速,而且在調(diào)速時還可將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化為機械能加到負載,或轉(zhuǎn)化為電能返回電網(wǎng),因而系統(tǒng)效率較高。該裝置的初投資較高,調(diào)速裝置需進行維護,還得采用繞線式電機,增加了維修工作量。1.8.3 變頻調(diào)速是交流電動機調(diào)速的最新技術,是通過改變定子的供電電源頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速,從而改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。對于交流電動機,轉(zhuǎn)速 n 與頻率f 成正比 ,所以 ,連續(xù)調(diào)節(jié)電動機的頻率能改變電動機的轉(zhuǎn)速,鼠籠式三相異步電動機采用變頻方法可以實現(xiàn)無級變速。調(diào)節(jié)效率高、調(diào)速范圍大(電機可在 0%～ 100%頻率轉(zhuǎn)速下運行),與其他調(diào)節(jié)裝置相比,性能最佳。當調(diào)速范圍在同步轉(zhuǎn)速的 30%以上時,裝置本身的效率不低于 90%。變頻調(diào)速不存在勵第 10 頁 磁滑差損耗和擋板、閥門節(jié)流功率損耗,不存在轉(zhuǎn)差損耗,因此節(jié)能效果良好。1.9 大型離心通風機葉輪的三維應力計算 【9】利用三維有限元方法,對大型風機葉輪進行了強度的計算和分析。針對復雜形狀葉片———機翼型葉片的特點,對具有復雜葉片葉輪模型建立的方法進行了探討,并分析了整個葉輪的應力分布,在強度方面為葉輪的設計提供理論依據(jù),以達到改進實際葉輪結(jié)構的目的。離心葉輪強度的常規(guī)算法僅反映葉輪平均應力的大概情況,不能很好地反映真實應力的分布。對實際葉輪的設計也就只能靠設定安全系數(shù)來保證葉輪的安全運行。有時為了保證強度,如果安全系數(shù)取得過大,就勢必會造成原材料的浪費,對降低生產(chǎn)成本不利;如果安全系數(shù)給得過小,又不能在強度方面得到保證。自從 1960 年克拉夫首次提出有限元的概念至今,有限元方法已發(fā)展成為數(shù)值分析計算中的一種有效方法。它同樣在風機行業(yè)中得到了廣泛的應用。目前,對有些離心壓縮機強度采用軸對稱有限元模型進行計算,這種有限元方法對實際的模型做了一些簡化(如將弧型葉片簡化成徑向直葉片,并將其擴散成一變剛度、變質(zhì)量的盤型夾層),與實際情況不太相符,不能很好地真實反映整個葉輪的應力分布,這種簡化可能會影響結(jié)果的精確性。而且這種方法對機翼型葉片或曲線葉片的葉輪的計算存在一定的困難。對于三元流葉輪來說,葉片具有復雜的幾何形狀,如對帶有筋板的機翼型葉片的葉輪,采用三維有限元計算方法可以很好地處理模型上復雜的幾何問題,建立模型時不需做任何簡化,可按實際葉輪的幾何尺寸建立。故計算所建立的葉輪模型能較好地反映實際問題,并能更為詳細和準確地反映真實應力的分布,能得到不同位置的應力和位移值,并能確定最大應力所處的確切位置。從而為葉輪的三元流設計在強度方面提供理論依據(jù)并達到改進葉輪結(jié)構設計的目的。第 11 頁 第二章 離心通風機的理論基礎2.1 通風機的基本方程式離心通風機葉片入口和出口速度圖 ?cβb2u21wm1uα圖 2-1 葉片出入口速度圖表示相對速度；u 表示圓周速度； c 表示絕對速度，圓周速度 u 與絕對速?度 c 之間的夾角用 表示，稱絕對速度角；相對速度 與圓周速度反方向??的夾角用 表示，稱為流動角。葉片切線與圓周速度反方向的夾角用 表? a?示，稱為葉片安裝角。則在葉片出入口得到下列關系式：第 12 頁 2cu????1ωαβm圖 2-2 速度三角形氣體在葉輪內(nèi)的流動過程可作一些假定，把它當作一元流動討論，即用流束理論進行分析，這些基本假定是：（1） 通風機工作時沒有任何損失，則原動機加到通風機上的能量等于被輸送氣體所獲得的能量；（2） 葉片數(shù)目無限多且無限薄，則氣流將被分成微小流束，其形狀和葉片完全一致，且葉片入口與出口沒有突然收縮和突然擴張現(xiàn)象，因此可認為沿圓周各點的速度相等；（3） 氣體在作穩(wěn)定流動；（4） 不考慮氣體壓縮性。原動機加到通風機軸上的外力矩為 M (N*m)，設流過葉輪的理論流量為 ，TQ流體密度為 ， 為葉片出口處半徑， 為葉片入口處半徑，在 dt 時刻?2R1R流過葉輪的流體質(zhì)量流量為 dt,則葉輪進出口處流體相對于軸面的動量?TQ矩分別為22cosTRdt??11?單位時間內(nèi)的動量矩變化等于第 13 頁 2211(coscos)TQR?????根據(jù)以上假設和動量矩定理，上式應等于作用于該流體上的外力矩，此力矩即葉輪旋轉(zhuǎn)時給予該流體的轉(zhuǎn)矩 M,則2211(coscos)TMR????葉輪旋轉(zhuǎn)角速度為 (rad/s)時，該力矩對流體所做的功率為 M ，則??2211( )TQ???因 ， ， ， ，則2ur?1rcosu????cosu???21()TM對理想流體而言，葉輪傳遞給流體的功率應該等于流體從葉輪所獲得的功率，即TgQH????式中 ——單位重量流體通過無限多葉輪時所獲得的能量TH?m （2—1） 21uTcg??對風機而言，風壓 ，Pa,則風機的能量方程式為TPH??（2-21()uc???2）上式即歐拉方程式，它是通風機，水泵，透平壓縮機等葉輪機械的基本方程式。有速度三角形得（2-3）22211( )TuPcu?????????當 時， ＝0，歐拉方程化簡為19???1（2-2uTcHg?4）第 14 頁 = （2-TP??2uc?5）因此，當 ，流體徑向流入葉輪時，獲得最大的理論能頭。190????由式（2-3 ）和（2-4 ）可知， 與流體的密度無關，即與流體性質(zhì)無關，TH?如果泵與風機的尺寸相同，轉(zhuǎn)速相同，流量相等時，則流體所獲得的理論能頭 相等，即泵產(chǎn)生的液柱與風機產(chǎn)生的氣柱高度相等。TH?2.2 葉片出口安裝角對風機性能的影響總壓頭 由兩部分組成，一部分為靜壓能：TP?（2-221()stu???????6）另一部分為動壓能21()duPc??（2-7） 反作用度 表示靜壓能在總壓能中所占的比例，即?2211()stTuPc??????（2-8）當 ＝ 0 時， - ＝ 在離心通風機中，一般 ，則上式變?yōu)?uc21?u21 1c?2r＝ ?22ruc????（2-9）由上式可見， 值越大，葉輪出口動壓越小，在通風機擴壓部分把動壓變?yōu)殪o壓的損失就越小，對提高通風機效率越有利。由葉片出口速度圖得第 15 頁 （2-10）222()ruc?????把 （2-10 ）代入（2-9 ）得＝ ＝ (2-?22uc??21uc?11) 由圖 2-1 出口速度三角形得222cotumbc?????代入 2-5 式得（2-22(t)TbP??12） 由式（2-12 ）可知，1. 時， 為正值， 越小， 越大， 越小。當290b????2cotb??2b??2cotb??TP?小到等于最小角 時，此時min22incotbuc??代入式（2-12）得＝0TP?這時葉輪未給予流體能量，這是 的最小極限值。2b??2. 時，2222max90cotbuTbucuc??? ???????90b??，此時2uc??＝02cotb??代入式（2-12）得2TPu??第 16 頁 3. 時， 為負值， 越大， 越大。當 增加到等于290b????2cotb??2b??TP?2b??最大角 時， ，此時maxu?22maxcotbuc????代入式（2-12）得2TPu??（1） 當 ＝ 時， 2b?min20c??9??表明當此時靜壓及動壓均為零，流體為獲得能量。（2） 當 時，20b??2uc?1?表明徑向式葉片流體機械獲得的靜壓頭及動壓頭各占一半。（3） 當 時，2maxb???22uc??0表明此時流體機械獲得的總壓頭中全部為動壓頭。以上分析表明，隨出口安裝角增加，流體獲得的理論壓頭增加，反作用度減小，當從 增加到 時，理論壓頭則從零增加到最大值，2minb??2maxb??即 越大，流體從葉輪獲得的能量越多，因此，前彎式葉片產(chǎn)生的壓頭2b??最大，徑向式葉片次之，后彎式最小。由以上分析可知，在 相同的條件下，前彎式葉片產(chǎn)生的絕對速2,vnDq度比后彎式葉片大，而液體的流動損失與速度的平方成正比（ ） 。2wlvhdg??因此，當流體流過葉輪及導葉或蝸殼時，其能量損失比后彎葉片大。同時為把動能轉(zhuǎn)為壓能，在能量轉(zhuǎn)換過程中，必然又伴隨著能量損失，因而其效率遠低于后彎式葉片。但前彎式葉片有以下優(yōu)點：當其和后彎式葉片的第 17 頁 轉(zhuǎn)速，流量及產(chǎn)生的能頭相同時，可以減少葉輪外徑 ，因此，可以減小2D風機的尺寸，縮小體積，減輕質(zhì)量。又因風機輸送的流體為氣體，氣體密度遠小于液體，而摩擦力正比于密度，所以風機損失的能量遠小于泵。2.3 葉片出口角 對風機性能的影響另解2j?高效后向通風機葉片出口角 的限值理想流模型 等于出口氣流角 ,2j 2j?2?葉輪機械 Euler 方程的離心通風機全壓公式是 2(1)4ijQHbktgD?????式中 H、Q———分別為全壓系數(shù)和流量系數(shù)、 、 ———分別是葉輪出口直徑、寬度和葉片通道堵塞系數(shù)2Db2kμ、 ———分別為有限葉片系數(shù)和葉輪流動效率i?由上式可知,如果后向通風機的 越大,全壓就越高。但是出口角的增大會2j?導致氣流滯后角的增大,葉片出口流動分離增大。這不僅會引起效率下降,全壓也上不去。在現(xiàn)有的工程設計中,不可能給出高效后向通風機葉片出口角的限值。對于中壓離心通風機可通過數(shù)值模擬得到:當出口角大于 81 后,2j?一般不能再簡單地設想用提高出口角來提高風機全壓,因為這時隨著出口角增大,全壓將保持不變或下降,但效率已經(jīng)下降。為此,提出中壓離心通風機高效后向通風機葉片出口角 的限值為。 2j?2.4 離心通風機的理論特性曲線通風機的理論全壓與理論流量之間的關系曲線，叫做風機的理論全壓特性曲線。22T TbuPQDtg??????第 18 頁 其中，2TmQDbc??——葉片出口直徑2D——葉片出口寬度b式（2-11 ）右邊各量，除 以外都是常量，故式（ 2-11）可寫成TQ（2-PAB???13）式中 A= =常數(shù)，即流量等于零時的理論全壓；2u?=常數(shù)2buBDtg????在 圖上，式（2-12）是一條直線。2290TbPQ?????TPQ??β°b29090°=2 0 時，葉片的非工作邊出現(xiàn)附面層分離，隨著流量的減小，則分離速度增大，引起很大的渦流損失。表 2-2 不同模型級的最佳沖角2.8 最佳沖角函數(shù)曲線的應用最佳沖角函數(shù)曲線對從事離心通風機設計研究的技術人員十分有用。初步分析至少有如下幾個方面的用途:(1) 從圖 1 和表 1 可以看出最佳沖角的變化范圍很大,遠遠超出了一般第 26 頁 風機技術手冊中推薦的沖角變化范圍值。一般風機手冊或教材中推薦的沖角值為 0°～5°(也有推薦-8°～8°)。而實際最佳沖角變化范圍為-10°～20°。所以設計模型級時應根據(jù)選擇的葉輪結(jié)構具體參數(shù)來決定,過去不知道這條最佳沖角函數(shù)曲線,所以也不知如何選擇,今后就可以參考圖 1和表 1 來選擇了。(2) 一般情況下，沖角為 0°時損失最小,易獲得高效率。但從圖 1 上可看出最佳沖角為 0°的極少,僅有代號為 52 的模型級， ，1230,45AA???其最佳沖角才接近 0°。這就告訴設計者,設計工況下對應的最佳沖角是不能隨意選擇 0°的。不同結(jié)構參數(shù)的模型級的最佳沖角一般都是不同的。(3) 隨著技術的進步,一般大中型離心通風機的設計都逐步走向個性化設計,這是通風機技術發(fā)展的必然趨勢。但真正的離心通風機個性化設計并不是現(xiàn)在一般常用的變型設計方法這種方法達不到個性化設計的客觀要求。真正個性化設計,一種是按照模型級的氣動性能曲線和幾何參數(shù)來進行全相似設計,這種方法可靠性高,但有時受到轉(zhuǎn)速的限制很難實現(xiàn)。另一種是變型相似設計,即找一種性能參數(shù)相近的模型級,應用個性化設計計算軟件,對模型級進行切割計算,并保證新設計產(chǎn)品的葉輪和模型級的葉輪的進出口速度三角形保持基本相似。不管風機個性化設計軟件有多少種,其中至少有一種軟件系統(tǒng)中要運用到最佳沖角參數(shù)和最佳分離系數(shù)。(4) 應用于模型級的開發(fā),當深刻理解掌握最佳沖角函數(shù)曲線之后,在開發(fā)新型模型級時會少走彎路,可節(jié)省模型級的試驗次數(shù),并能盡快地設計出達到預期目標的模型級。(5) 從圖 1 可以看出 9-26 模型級的最佳效率工況點距離喘振工況點比較近,說明這種模型級的特性曲線的形狀不夠理想。尤其對個性化設計選擇模型級的標準就更不理想,這種模型級的特性曲線就得進行改造,對于有經(jīng)驗的模型級設計者來說,知道級的哪些流道結(jié)構尺寸對最佳沖角有影響,便會通過修改相應的結(jié)構尺寸來改變模型級特性曲線的形狀,以確保達到預期目標。2.9 離心通風機性能曲線的擬合及應用研究用于表示離心通風機性能的主要參數(shù),如壓力(H)、流量 (Q)、功率(N)和效率( η )以及它們之間變化關系的曲線 H=f(Q)、N=f(Q)、η=f(Q),目前仍很難用十分準確的計算方法求得。因此風機生產(chǎn)企業(yè)提供的兩種產(chǎn)品樣本—第 27 頁 ——風機性能表或選擇性性能曲線,只能是以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)而編制或繪制出來。使用者通常采用手工作圖法和差值法來確定離心通風機的工作點,并與風網(wǎng)特性曲線相匹配,準確性差。另外,在風機運行過程中,風機工作狀況有時要根據(jù)風網(wǎng)運行的要求進行調(diào)節(jié),由于風機實際工作點參數(shù)受到風網(wǎng)特性與風機特性的綜合影響,依據(jù)風機產(chǎn)品樣本難以對風機運行時工作點偏移造成的效率及軸功率的變化進行量化分析。2.9.1 離心通風機性能曲線擬合(1) 曲線擬合原理由于離心通風機性能曲線 H=f(Q)、N=f(Q)、η=f(Q)近似于拋物線,因此可以用最小二乘法構建離心通風機性能的數(shù)學模型,以二階或三階多項式進行曲線擬合。二階回歸曲線擬合方程為:。222010101;;HAQNBQCQ???????三階回歸曲線的擬合方程為：2 2013013; ;η0+C1Q+C2Q+C3Q。以上各式中,Q 為離心通風機流量,m/h;H 為離心通風機壓力 ,Pa;η 為離心通風機效率,%;N 為離心通風機軸功率,kW;均為回歸系數(shù)。012301230123,,,,,HANBC?(2) 回歸系數(shù)求解對于回歸系數(shù)的求解,以往采用的方法是利用最小二乘法原理得到回歸曲線正規(guī)方程組( 線性代數(shù)方程組),解該方程組得到各個回歸系數(shù),計算、求解很煩瑣。實際上,應用 Excel2000 程序中的圖表功能 ,通過制作散點圖,可十分方便地確定風機回歸曲線擬合方程。操作方法如下: 選擇數(shù)據(jù)( 如表中流量和全壓兩組)→制作圖表→制作散點圖→添加趨勢線→設置趨勢線屬性→選擇采用二階多項式擬合并顯示公式→完成。第 28 頁 第三章 離心通風機的氣動設計3.1 本設計的技術要求選型：目前,礦井通風設備有2 種類型:離心式風機和軸流式風機。這兩種風機性能各異,各有所長。離心式風機結(jié)構緊湊,風壓高,可以通過調(diào)整風機主軸轉(zhuǎn)速來改變風機的工作狀態(tài),如果配置變頻調(diào)速裝置,可以很方便地做到這一點,以滿足礦井在不同時期的通風要求。該類型風機的價格也比同等能力的軸流風機要低。對于資金緊張,技術力量不足的中小型煤礦,也可以采取更換電機或改變電機與風機的轉(zhuǎn)速比來改變工況,以適應礦井開采后期的通風要求。但是離心風機的機房布置較為復雜,安裝工作量大,需要反風道反風,漏風損失較大。因此,從經(jīng)濟的角度考慮,離心式風機用于地方中小煤礦作主通風機較為合適,但在安裝和日常維護上,對地方中小煤礦的要求很高。在山西煤礦安全裝備技術測試中心所測試的礦井中,用4 —72 型離心式風機作為主通風機的占了大多數(shù)。對于年產(chǎn)量6 萬t ,風量 310/min~250的中小煤礦,選用這種風機是合適的。3/min7-35 通風機的氣動設計采用了離心通風機現(xiàn)代設計方法,其特點是引入三維粘性數(shù)值方法來分析離心通風機內(nèi)部復雜流場,考慮了其各部件間的相互影響,數(shù)值預估離心通風機性能,并對現(xiàn)有工程設計方法作了重大改進。它以良好的工程氣動設計為基礎,Navier-Stokes 方程分析三維湍流場為關鍵,其中最困難的是葉輪—蝸殼耦合流場計算,最后用風機性能實驗來考核,三者有相互依賴關系,清華大學和北京西山風機廠經(jīng)過 4 年多的共同努力,完成了這種高性能離心通風機現(xiàn)代設計方法,開發(fā)了一個離心通風機三維流場數(shù)值模擬軟件包,包括:(1)離心通風機進風口—葉輪耦合的子午通道流場數(shù)值模擬軟件,主要用來提供葉輪計算的進口流場和優(yōu)選高效進風口;(2)葉輪內(nèi)部流場數(shù)值模擬軟件,主要用來優(yōu)選高效葉輪,并給出蝸殼計算的進口流場;(3)蝸殼內(nèi)部流場數(shù)第 29 頁 值模擬軟件,主要用來優(yōu)選高效蝸殼;(4)葉輪和蝸殼內(nèi)部流場耦合計算及離心通風機整機性能預估的數(shù)值模擬軟件,主要用來考慮高效葉輪和高效蝸殼的耦合影響,并預估離心通風機整機性能;對 5 種風機的數(shù)值預估整機性能與實測結(jié)果相比,全壓和效率誤差均約 2%,兩者吻合良好。7-35 系列通風就是按此方法設計的,并于 1999 年 11 月獲得實用新型專利。用途：礦井通風型號：離心通風機，皮帶傳動技術要求: 全壓 P=2.9kP,流量 Q=186000 ,空氣密度3/mh31.2/kgm??3.2 風機選型3.3 風機的氣動力設計3.3.1 選通風機轉(zhuǎn)速為 n=700r/min，則其比轉(zhuǎn)速為，0.50.54416.7729sQnp???根據(jù)已知技術要求和風機比轉(zhuǎn)速，查離心通風機產(chǎn)品目錄知，4-72 型離心通風機與設計要求最接近，故以 4-72 型離心通風機為原型進行設計。3.3.2 選擇葉片出口角 2A?45??由于比轉(zhuǎn)速較小，在后向葉輪中為了減少進口沖擊，和提高效率，選擇后彎機翼形葉片。葉片流型設計其他方法,現(xiàn)有工程設計習慣選用等減速或等當量擴張角流型,已得到一些好的葉片型線,但終究流型選擇的余地太小。工程設計中需要擴充可供選擇的流型,但由于新流型的使用要有實踐考核,不便輕易改變。現(xiàn)在有了三維數(shù)值模擬軟件,可先進行數(shù)值計算優(yōu)化,這樣就可大膽選擇新流型。為此提出一種擴充流型。 adwbcrs??它既包括已有的兩種流型(因為當 a=0 和 c=0 時,此流型即為等減速流型;當 a=-1.5 和 c=0 時,此流型即為等當量擴張角流型),又包含更多的流型優(yōu)化參數(shù)。在實際應用中,通過葉輪通道流場的三維數(shù)值模擬對此流型中的 3個參數(shù) a、b 和 c 的取值進行優(yōu)化 ,顯然可以選擇更好的葉片流型。工作面與非工作面上的顆粒脫離特性受升力及離心力的影響。在工作面上,升力與離心力都有助于脫離,而非工作面上,只有升力大于離心力及粘附力在表面法向第 30 頁 的合力時才有可能脫離。用沉積與脫離理論能較全面地分析葉片表面的積灰機理。3.3.3 估算全壓系數(shù) P查圖 3-1 全壓系數(shù)與出口角關系曲線得＝0.73 β2A圖 3-1 全壓系數(shù) 與出口角 關系曲線P2A?3.3.4 估算葉輪外緣圓周速度 2u29081.37/1.51.pumsP????3.3.5 估算葉輪外緣出口直徑 2D26081.37.240un????選擇 ＝2.22m，相應地 ＝81.33m/s2D23.3.6 計算風機流量系數(shù) Q2251.60.1643.48.3u????流量系數(shù) 的選定方法一般有:2/Cr