防爆对旋式轴流局部通风机附外文翻译.docx

摘 要目前，我国部分矿井在通风系统中采用了两级对旋式轴流式风机，以替代传统的轴流式风机，本次设计的BDJ局部通风机，其全称是：防爆对旋式轴流局部通风机，是对旋式风机的一种。其名称已经决定了风机的结构设计、材料选择等。本次设计力争突出BDJ风机独特的结构和优越的性能。气动部件的设计对于风机的整体性能至关重要，所以首先进行了风叶的设计，着重讨论了两级叶轮负载的分配问题，各参数的选择。采用孤立翼型法设计风叶。接着设计了其他的重要部件，如：集流器、整流罩、扩散器、风筒、消声结构等。然后对风机的叶轮、主轴进行强度校核，最后讨论风机的安装所遇到的问题。在风机各零部件材料的选择方面，要满足强度和防爆两方面的要求。特别是风叶和风筒的材料，两者至少一个要采用铝合金材料。电动机的选择对于防爆风机来说是很重要的，本次设计选择了YBF电动机，这是专门的风机用防爆电动机，另一优点是重量轻，适宜安装在风机内部。关键词：BDJ风机；孤立翼型法；防爆Abstract At present, part of the mine ventilation system used in the two pairs of rotating axial flow fan, as an alternative to the traditional axial fan. This designing BDJ local fans full name is: Ex-rotating axial flow local fan is a rotating fan. Its name has already decided the fan structure design, material selection and so on. The unique fan design strives to highlight the BDJ structure and superior performance.The designing of pneumatic components is critical to the overall performance for the fans, so the fan blade is designed first, focused on two wheel load distribution, the parameter selection. Blade airfoil design method is used in isolation. Then the design of other important components, such as: collector, shrouds, diffuser, hair dryer, muffler structure. Then check the fan impeller, shaft strength , and finally discuss the installation of wind turbine problems encountered.Various components in the fan is chosen to meet both the strength and explosion-proof requirements, especially the fan and the duct material, which at least one to two aluminum alloy. Choice for the explosion-proof fan motor is very important. This design chosen YBF motor, which is a special explosion-proof fan motor. The other advantage is light weight, suitable for installation in wind turbines.Key words: BDJ fan explosion；Isolated airfoil method；Explosion-proof目录前言1第一章绪 论21.1 设计任务21.1.1 拟定通风机设计工矿点21.1.2 主要内容31.2 对旋式轴流风机51.2.1 对旋式风机出现的背景51.2.2对旋式通风机的工作原理及结构61.2.3 对旋式通风机的优良性能61.3 BDJ风机71.3.1 BDJ风机简介71.3.2 BDJ风机的工作原理7第二章 叶轮设计92.1 设计方法92.2 设计要点92.2.1 风机中负载的分配92.2.2 两级叶轮速度三角形分析102.2.3 叶型的选择112.2.4 电动机的选择132.3 叶轮主要参数的选取与计算142.3.1计算轴功率152.3.2计算比转速162.3.3 轮毂比162.3.4 叶轮外径172.3.5计算轮缘速度和压强系数182.3.6计算轴向速度182.3.7 翼型相对厚度的选择182.3.8 升力系数的选择192.3.9 叶片数192.4第一级叶轮的设计202.4.1确定安装角202.4.2选取叶片数Z212.4.3计算弦长212.4.4叶片绘制222.5第二级叶轮的设计242.5.1确定安装角242.5.2选取叶片数Z252.5.3计算弦长252.5.4叶片绘制26第三章 风机各部件的设计283.1 风筒的设计283.1.1内风筒283.1.2 外风筒293.1.3电机与风筒的安装293.2 集流器与整流体303.2.1 集流器303.2.2 整流罩（流线罩）313.3 扩散筒323.4 风机底座333.5 法兰环与密封343.5.1 法兰环343.5.2 密封性363.6 叶轮与轮毂的安装36第四章 叶片强度校核384.1叶片强度的校核384.2 具体计算校核40结 论41总 结42致谢43参考文献44附录A45附录B53前言随着各行各业的发展，特别是现代工业的发展，作为燃料和原料的煤炭越来越重要。我国大部分地区都是地下开采，在进行地下开采石油大量有害气体（如瓦斯、二氧化碳、一氧化碳等）和煤尘都会喷发出来，加之烟尘易爆，所以对井下工作人员和矿井安全都存在很大的威胁。我国煤矿安全规程对井下空气的成份（包括各种有害气体的浓度）、湿度、风速和按人员计算的风量都作了严格的规定：有人工作或可能有人到达的井巷，二氧化碳不得大于0.5% ，总会流中，二氧化碳不超过1%。为了保障广大煤矿职工有一个安全、可靠和良好的工作条件，必须向井下输送足够数量的新鲜空气，以冲淡有害气体的浓度和四处飞扬的煤尘。这次的毕业设计的课题就是有“矿井肺脏”之称的通风设备。在采矿和地质勘探等工程中，必须开掘大量的井巷，而掘进这些井巷的特点是只有一个出口，所以称为独头巷道。独头巷道的通风常称为局部通风或掘进通风，其任务是将新鲜风流引至工作面，排除工作面的炮烟、矿尘等污浊空气，以保证工人在良好的条件下工作。我国煤炭行业近年来发展情况良好，特别是随着先进探测技术的应用，开采设备的改善，又开掘了许多新的井巷，所以局部通风机又有了用武之地。基于这种认识，我选定了这次毕业设计的题目：局部轴流式通风机。第一章 绪 论通风机是用于输送气体的机械，从能量观点来看，是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。从气体压力升高的原理出发，主要可分为容积式、叶片式和喷射式。其中叶片式风机可分为离心式、混流式、轴流式和横流式。BDJ局部通风机其实属于轴流通风机的一种。轴流式通风机已有悠久的历史，十九世纪已经应用于矿山和冶金工业上。由于当时工业等部门水平的限制。理论研究没有很好的开展。这种风机的全压为，而效率则只达。二十世纪初期，由于航空事业的迅速发展对机翼理论进行了广泛的实验研究，其研究结果大大促进了轴流式风机的发展。迄今，孤立叶型的升力理论和实验数据，仍然是轴流式通风机设计的主要依据之一。从三十年代开始，随着航空发动机的日新月异，对叶栅理论又进行了大量的实验研究，其研究结果即所谓平面叶栅实验数据，是设计轴流式压缩机或高压轴流式通风计的主要依据。今天，在这种理论的推广运用下，轴流式通风机家族成员在不断增多，本次设计的局部通风机也是它的成员之一。目前轴流式风机，小的其叶轮直径只有100多毫米，大的直径可达20多米。最大流量的通风机其流量可达1500万每小时。风机的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，轴流式通风机很多是电机直联传动的。 下面就我设计的一些内容简单介绍如下。1.1 设计任务随着矿井向深部发展，通风系统越来越显复杂化，为了确保井下各个工作面有良好的作业环境，就势必要求高风压、高效率及低噪声的局部通风机。本次的设计任务就是矿用局部通风机，局部通风机主要用于开发新的巷道时使用，给掘进工作面供风。1.1.1 拟定通风机设计工矿点流量Q=5.4，全压 p=3020Pa，总效率 ，工作介质密度取为，转速。取值的原因：由于局部通风机是在独头巷道使用的，如前面所介绍的，风机为抽出式通风，故而巷道中的流量较小，风压大，一般要求通风机的总效率大于80%，本次设计中要求。转速取得较高，这样可以增大风压。1.1.2 主要内容围绕着通风机设计中涉及的任务就多了，它主要包括以下内容： 1) 方案的选取本次设计的风机为对旋式轴流风机，是一种较新的结构，由于它特殊的结构，使得其性能优异，在煤矿业有很好的发展前景，所以这次局部通风机的设计，本人选择了对旋式风机中的BDJ系列，其优点和结构后面会详细介绍。2）工作轮叶片在本次设计中工作轮叶片的设计既是重点，又是难点，由于工作轮叶片是风机中直接向气流传递能量的装置，所以工作轮叶片设计的好坏就直接关系到风机性能和效率的问题，从本次设计看，设计的好该风机效率可达80%以上，故在设计中应力求叶片尺寸准确，曲线圆滑；考虑到风机的防爆性能，叶片采用了铝合金；考虑到噪声，采用了叶片数较少的一种方案。3）工作轮轮毂工作轮轮毂是工作轮叶片的固着体，由于它的高速旋转来带动叶片的旋转从而使气流能连续不断地从进口到出口流动。可以想象到轮毂设计的优劣，它的性能好坏将直接影响着叶片的转动情况，也就是影响着风机的效率和性能。另外，工作轮轮毂和工作轮叶片这个组合体是风机的核心部分，只有在它的动、静平衡实验通过后才能用于安装，否则就应修正或报废。从这点上说成功设计一台通风机是比较困难的。本次设计中工作轮叶片和轮毂是焊成一体的，在以后章节叙述就把二者合在一块去讨论了。4）电动机的选择根据风机的流量、风压和转速等参数选择了小功率，防爆性电动机，即YBF系列，YBF系列电动机为轴流式风机专用的防爆电机。电机的具体结构及尺寸会有详细介绍。电动机为内置，其重量较小，所以设计了固定筒，先将电机塞进固定筒中，再将电机固定筒与主机壳间用支撑筋板焊接在一起，这一结构简单、可靠，在文中不再详细介绍，具体结构见总装图。5）集流器与整流罩集流器与整流罩通过肋板的连接构成一个整体，是组成轴流式风机的必不可少的部件，它可使气流平稳进入风机，所以避免了气体从不同方向杂乱无章地进入风机，对降低噪音和提高风机性能都有好处。集流器设计中一般它的进口直径等于通风机直径的1.22.3倍，集流器形状是按照双曲线或圆弧画出的。整流罩为半圆球形，加工工艺简单。6）风筒风筒设计包括内风筒和外风筒两部分，在这部分设计中主要就风筒直径（指内径）、材料、厚度及安装时要保证的间隙等方面进行了考虑，考虑到要填充吸声材料，外风筒的设计主要以内风筒的尺寸为依据。在这次设计中主要考虑了工作轮叶片和机壳间的径向间隙，并根据径向间隙的要求，选择了叶片外缘到机壳内壁间的距离，同时也由它确定了机壳内径的大小。工作轮叶片和机壳间的径向间隙对轴流风机的压头和效率有较大影响。若间隙太大效率效率将下降，太小会产生噪音，且可能发生工作轮叶片外缘和机壳内壁碰撞。风筒的材料要考虑防爆性能，具体介绍如下文中。7) 扩散筒轴流风机的出口动压一般很大，约占全压的30%以上。因此，必须在级的后面安置扩散筒，以进一步提高风机静压效率。扩散筒的结构有很多种，本次采用的是等直径外筒。8）底座风机内的电机接线一般采用的是电缆，为了便于接线和减少井下工作环境对电缆的损坏（包括砸断和挤坏电缆等），所以电机的出线受到了限制，通常需要把接线盒放在通风机上方或者通风机两侧。要使这个位置固定下来就需要给风机在外壳上装底座。安装底座还有支撑风机和稳定风机的作用，带底座的风机和不带底座的风机相比较后者还较易损坏。另外考虑移动的方便，设计时要注意它的尺寸及形状。本次设计的风机是一种小型局部通风机，尺寸不大，重量较轻，所以底座材料就是用一般钢材也能满足其功能要求。设计中选用的是等边三角钢板，该装置在制造上是焊接而成的，对它的要求很低，故而生产成本很低，制造容易，价格也便宜。9）法兰与密封装置法兰环的设计也是很重要的，它用于集流器、内风筒、扩散筒的连接，法兰的结构也决定了采用何种密封形式。本次设计的风机径向尺寸较小，风压不大，故采用整体法兰，平面密封装置。密封圈采用一般橡胶材料。10）消声结构轴流式通风机的噪音一般都很大，所以必须设置消声装置，本次设计中详细介绍了噪声的来源，及本次设计所采用的方法。本次采用的是填充吸声材料的方法来降噪。11) 设计的零件是否符合强度要求，使用的材料是否符合要求，都是需要校核的，所以在设计完主要部件后，对风叶、主轴进行了校核，计算了转子的临界转速。12）综合考虑与风机的安装不论设计何种产品，要从实用性、经济性、发展前途等多方面进行考虑。要权衡他们之间的关系，找到平衡点。对于总机的总体尺寸也要考虑，尽量使其整体尺寸缩短，以减轻重量。在这个专题里，主要完成了一些轴向间隙的计算与确定，某些结构的安装合理性及风机在加强强度和搬运方便上做的一些结构设计。综上所述，我们在完成了以上几项设计之后，整个风机的形象就完全展现在了我们面前，相应的风机性能也就随之而确定了。1.2 对旋式轴流风机1.2.1 对旋式风机出现的背景叶轮是轴流式风机的主要工作构件，多年以来轴流式风机的技术改造，几乎都集中在叶轮上，如改变叶轮数量，增加中、后导叶片，改变叶片形状，扭曲叶片等等，但这未能从根本上大幅度提高风机改造效率，究其原因，此类措施都不能有效地减少风流在风机中的流动阻力，而两级对旋式风机，正是针对此作了改造，取得了良好的效果。近年来，通过改进风机气动设计方法，合理的选择气动参数，如：采用宽弦长叶片、静子端弯、变几何形状静子和机匣处理己经使风机性能得到了很大改进。进一步研究证明，使用对旋级、两个转子相反旋转(不装任何导叶)是改进风机性能最好的方法。对旋风机和同样尺寸的有后导叶的双级风机相比可以得到更大的压力系数和更高的效率。因而在高压通风系统中作为高压风机，对旋风机经常应用到矿山、隧道、地铁的换气风扇、锅炉鼓、引风机及矿井坑口主通风机等。其具有结构紧凑、噪声低、风压高、风量大、效率高、高效区宽等特点。1.2.2对旋式通风机的工作原理及结构对旋式通风机，是指前后串连两个直径、轮毂比、转速都相同，而旋转方向相反的浆叶，通常由两个电极分别驱动的一种两极轴流风机。其优点在于：在流量相同的情况下，可以成倍地增加压强增益（风机出口的总压相对进口总压的增量），克服轴流风机总压增益相对较低的固有弱点；第一级叶轮产生的气流旋转恰好由第二级叶轮方向旋转而消除，直接产生符合出口要求的单一轴向流。不需要任何导流片，缩短轴向尺寸，使结构变得简单。根本避免了导流片上的气流分离，减小能量损失，提高效率并降低噪声。因两级对旋式风机去掉了中、后导叶片，在同等通风能力下，机身的尺寸大幅度缩短；风流运动阻力大大降低，使得风机总效率大为提高；由于采用了双电机、双端拖动，使每部电机容量大幅度下降，这不仅造成电控系统单机最大负荷大幅度下降，也使电控系统技术等级降低，从而使通风机的供电及电控设备的投资额和操作控制技术要求大幅度降低。1.2.3 对旋式通风机的优良性能九十年代，国内对于对旋通风机的研究十分活跃，研究的重点主要为新型高效率、低噪音通风机产品的研制，优化设计及流场计算与分析等。这些研究表明：1) 对旋式通风机因为没有静叶，不存在静叶损失，因此，其效率比普通通风机要高；2) 对旋式通风机具有较大的逆向送风量，其一般可达，而普通通风机的逆向送风量仅为；3)根据不同的风量、风压要求，对旋式通风机可以采用前置叶轮与后置叶轮同时运转、前置叶轮停止后置叶轮运转、前置叶轮运转后置叶轮停止三种运行方式，大大扩宽了使用运行范围；4) 对旋式通风机的压力风量特性曲线较陡，因此，在高效区，较小的风量变化即可得到较大的风压变化，较好地满足局部通风的需求；5)在设计对旋式通风机时，第二级叶片的气动负荷比第一级叶片的气动负荷要小因此，不容易出现失速，并且其小流量区特性得到明显改善；6)采用双电机双端驱动的方式，使单部电机容量大幅降低，这不仅使电控系统的单机负荷大幅度下降，也使电控系统技术等级要求降低，从而使供电及电控设备的投资额和操作控制技术要求大大减低；7)由于前置叶轮与后置叶轮的干涉运转，其噪音应比普通通风机大，但是，合理的轴向间隙、径向间隙，前置叶轮与后置叶轮转速的合理匹配，可以有效地降低噪音，此外还可采用外包复式消声器的方法减低噪音。1.3 BDJ风机1.3.1 BDJ风机简介 BDJ风机是对旋式通风机的一种。其全称是：矿用防爆对旋式通风机。其中“B”，代表“隔爆”；“D”代表“对旋”；“J”代表“局部”。该系列通风机防爆性能符合GB3836.1爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求和GB383602爆炸性气体环境用电气设备 第2部分：隔爆型“d”的规定，防爆标志为ExdI。适用于大中型煤矿矿井做抽出或压入式通风机，也适用于金属矿山、化工矿山、隧道工程等场所，是我国老式风机理想替代产品。1.3.2 BDJ风机的工作原理第一级叶轮与第二级叶轮相距很近，分别由容量及型号相同或不相同的隔爆专用电动机驱动，第一级叶轮与第二级叶轮旋转力向相反，两个叶轮采用不同的叶片数，叶片为气功性能优良的机翼叶型，第一级叶轮的叶片扭曲角和安装角均大于第二级叶轮叶片的扭曲角和安装角。当空气流入第一级叶片获得能量后并经第二级叶轮排出。第二级叶轮兼备着普通轴流风机中静叶的功能，在获得整直圆周方向速度分量的同时，增加气流的能量，从而达到普通轴流式风机不能达到的高效率、高风压。1-集流器 2-整流器 3-消声筒体 4-一级叶轮 5-二级叶轮6-隔爆电动机 7-消声尾锥体 8-扩散消声器图1.1 BDJ对旋系列轴流通风机示意图第二章 叶轮设计2.1 设计方法目前，轴流通风机的设计方法主要有两种，一是利用单独翼叶对空气动力试验所得到的数据进行设计，称为孤立叶型设计法。另一种是利用叶栅的理论和叶栅的吹风试验结果来进行设计，成为叶栅设计法。对于轴流通风机来说，由于叶栅稠度不大，一般，可以把叶片当作一个个互不影响的孤立叶片，按孤立叶型设计法设计，即假定孤立叶型的升力系数与叶栅升力系数相等。鉴于此法计算简便迅速、实验数据较完整、计算结果也较准确可靠，因而国内外都采用孤立叶型设计法设计轴流通风机，特别是对于压轴流风机，可获得很好的结果。其实无论采用何种叶型数据及计算公式，其基本理论都是一致的，只不过表现形式略有不同。由上面两种方法的比较，本次设计中对叶轮的设计采取孤立叶型法。2.2 设计要点2.2.1 风机中负载的分配所谓负载是指气流通过叶轮的压强增益。两级叶轮之间的负载分配是设计中的一个重要问题。第一级动叶是后扭型，而第二级是预扭型。重点讨论前后两级动叶有相同转速的情况。这时，后者气流与叶片之间的相对速度比较大，这就决定了第二级的负载可以适当增大。若使第一级的负载大于第二级，显然是不合适的。由于第一级气流相对速度小于第二级，即使两级的负载相同，前后叶片的相对速度比值v1/v2范围是(0.70.8)，要求第一级有相同甚至更大的负载，势必需要增大叶片的升力系数或迎角，但这是很有限度的，升力系数或迎角过大很容易引起气流分离甚至失速，出现气流脉动和叶片振动的现象，而且，脉动气流对第二级的影响更甚于第一级，对于后一级，气流脉动是全流场的，不像第一级那样一般仅发生在翼型后部。例如，有的对旋式通风机，第一级叶轮发生失速，将会导致第二级叶片出现更为剧烈的振动甚至断裂。若第二级叶轮由较大功率的电机驱动，可以使第二级的负载大于第一级。但一般前后两级电机功率相同，由于第二级气流相对速度大，虽然可能有比较大的负载，但速度大会使摩擦损失加大，因而效率降低，如在两级负载相同的情况，第二级叶轮效率比第一级下降6个百分点左右，因而电机功率消耗增大为1.1倍左右。实践中对旋式通风机经常发生第二级电机烧毁的现象，其根源在于工作条件恶劣以及功率消耗比较大。所以在前后两级叶轮由相同电机驱动的情况下，不应该使第二级的负载大于第一级。综上所述，应该使前后两级叶轮有相同的负载要求，即p1/p2=1。2.2.2 两级叶轮速度三角形分析当两个叶轮的圆周速度相同时，其速度三角形如图2.1所示。可看出第二级入口前的气流具有负的旋绕速度。图2.1 对旋式通风机叶轮的速度三角形对旋轴流通风机每个叶轮的气动计算方法和普通轴流通风的完全相同。在本次设计中采用了两台相同型号的电动机，则两级叶轮的圆周速度相同，且第二级叶轮出口气流旋绕速度非常小，可假设为零，同时分配每级所产生的理论全压为通风机理论全压得一半。在此条件下，使，致使第一级叶轮的负荷系数大于第二级的，加之，将导致每级叶轮的叶片数目、叶片宽度及叶片安装角等的不同，在以下的计算结果中都有所体现。2.2.3 叶型的选择从目前的资料来看，可用于孤立翼设计方法的翼型有三类。一是平底或接近于平底的翼型；二是等厚圆弧板翼型；三是NACA65系列中的某些翼型。由于NACA65系列自成体系，翼型及叶片中弧线的绘制方法与一般不同，在国内很少使用。已有的性能良好的机翼或螺旋叶型均可作为风机的翼型叶片的原始叶型。叶型的种类很多， 如：20世纪初英国发表的RAF-6E叶型，美国NACA（航空咨询委员会）早期研究发表的CLARKy叶型，参照英国LS型螺旋浆翼型加以修改而得到的LS叶型，德国哥廷根大学在20世纪初研究发表的葛廷根(Gottingen)叶型等。由对这几种叶型的研究可知，任何一种具有尖后缘的机翼叶型，都可在较宽广的攻角范围内工作。各种叶型的空气动力特性，只有数量上的差别，而无实质上的区分。因而可以说，对已有的任何一种叶型，只要在无分离的攻角最佳范围内，均可被采用于设计中。圆弧板叶型的优点是制造方便，但效率比机械翼型叶片低。在风冷和一般通风换气用之轴流通风机上，这种圆弧板叶型应用较多。不同翼型的最佳升力系数、升阻比、翼型相对厚度、失速性能及翼型形状等都有些差别。他们对叶片尺寸、全压效率、稳定工作区域及叶片制造难易等会有不同程度的影响，设计者可根据设计要求，对不同翼型的性能进行分析比较后，来选择合适的翼型。例如，小功率通风机从制造简便及降低成本等角度出发，可采用等厚圆弧板翼型；功率较大的通风机可选用机翼型翼型。为减小叶片尺寸可选用较大的翼型；为了提高效率可选用升阻比尽可能大的翼型；为了扩大通风机稳定工作区域可选择脱流电推迟的翼型。为了得到高的全压系数，有时采用开襟翼型。在所查找的资料中，对旋式通风机翼型多选择LS翼型和圆弧板型，本次设计采用了LS翼型。图2.2 LS翼型50注：1.r1为前缘相对半径，r2位后缘相对半径；2.中心距翼弦的距离；3.重心距翼型前缘的距离图2.3 LS叶型性能曲线2.2.4 电动机的选择本次设计中选用的是YBF系列隔爆型三相异步电动机，是防爆轴流式通风机配套的专用电动机，防爆性能符合GB3836. 2-83爆炸性气体环境用隔爆型电器设备“d”的规定，并吸收国际上同类产品的优点自行设计制造的，具有体积小、效率高、温升裕度大、噪声低、启动及运行性能好等特点。该系列电动机制成隔爆型，防爆标志为d ，dAT4 ，dBT4，分别适用于煤矿井下及工厂A级、B级，温度组别为T1T4组的可燃性气体或蒸汽与空气形成爆炸性混合物的场所。防护等级：主题外壳IP44接线盒：IP54冷却方式：IC0141绝缘等级：B额定电压：380V额定频率：50Hz安装形式：IMB30型号说明图2.4YBF型号说明图2.5 YBF电机的结构图2.3 叶轮主要参数的选取与计算根据下表，选取对旋式通风机型号为6.3/60，流量Q=5.4，全压 P=3020Pa，总效率 ，工作介质密度取为，转速。2.3.1计算轴功率在2.2.2速度三角形分析中已知，分配每级所产生的理论全压为通风机理论全压得一半，所以在计算轴功率时的全压为给定全压的一半。 则2.3.2计算比转速2.3.3 轮毂比轮毂比是一个重要的结构参数，对风机的压力、流量、效率等都有影响。因而，当通风机的压力、流量和转速为一定的情况下，轮毂比就不能任意选取。由下式 (2-1)可看出，轮毂比与风机的全压成正比，与成反比。说明，当风机的压力或压力系数较高时，应取较大的轮毂比。但轮毂比过大，叶片就过短，叶片流道中的气体流动损失增加，使风机性能恶化，效率降低，并增加尾部扩散筒的轴向尺寸。从式(2-1)还可看出，与和成反比。如果选取的圆周速度较大时，可以选择较小的轮毂比；对于风压高、流量小的风机，可去较大的值。但是，轮毂比过小，对风机的性能也是不利的，会引起叶片根部气流发生分离。另外，从结构方面看，轮毂比过小，会使叶片变得很长，给叶片的布置带来困难，尤其是在动叶可调的情况下，更是如此。一般轮毂比的选择范围是： (2-2)当通风机级的方案采用单独叶轮时，可取。对于其他方案的通风机，可取，也有取低于0.5者。根据=23.2，查图2.6得=0.6。图2.6 轮毂比与之间的关系2.3.4 叶轮外径选择合理的轮毂比后，另一个重要的问题就是确定叶轮外径。的大小直接影响到风机的性能和结构。在所要求的风机全压和流量已给确定的情况下，当转速给定时，风机的叶轮尺寸也基本上确定了。根据大量试验研究的统计结果，人们发现叶轮尺寸与压力、流量Q及转速存在一定的关系，可用与比转数来描述，与基本上是成直线关系，可用下式表示： (2-3)将代入式 (2-3)得： (2-4)式中 风机的全压，； 气体的质量密度，则对于标准状态下的空气，取，则 (2-5)由式(2-4)及式(2-5)求出的叶轮外径还应受到圆周速度的限制。从降低噪声的角度出发，应取，但是，当叶轮直径一定时，过低的圆周速度，将降低风机的流量和压头。在流量和压头给定的情况下，过低的会使风机的尺寸增大。目前可取。 可按下列公式计算得到。，代入（2-5）得2.3.5计算轮缘速度和压强系数2.3.6计算轴向速度2.3.7 翼型相对厚度的选择同一翼型，增加时可以增加升力系数，但是翼型的升阻比也要随之变化，为了提高通风机的全压效率，目前在轴流通风机中，一般采用中等厚度的翼型，沿叶片高度可选为常数或按某种规律变化。按等环量设计叶片时，叶片根部负荷系数较大，可选用较大的以减少叶根处的叶片宽度及叶片安装角，的减小可使整个叶片扭曲的小些，制造较方便，为了增加叶片根部的强度，也可以选的大些。2.3.8 升力系数的选择在轴流通风机气动计算中，为使通风机获得高的全压效率，对于扩压式叶栅，必须在最大升阻比及其附近的区域内选择翼型的升力系数。为了减小叶片尺寸，则应尽可能选择较大的值，但必须留有足够的域度，避免产生脱流，以提高通风机运转的可靠性，这可以从下述两种情况来考虑：一是管网等几孔不变或变化较小时，如地铁通风机 ，可取。当叶片安装角可调时，该值指的是最大叶片安装角时的升力系数。应当指出 ，按这种方法选择升力系数时，计算工作点距脱流工况点较近，通风机工作区域会窄些。二是管网等积孔变化很大时，例如矿井主通风机，所选的升力系数应为。按等环量设计叶片环时，从叶顶到叶根负荷系数是逐渐增加的，为了不使叶根处的叶栅稠度过大，从叶顶到叶根逐渐增加升力系数是合理的。2.3.9 叶片数由气动基本方程式 （2-6）及式 (2-7)可知，当叶栅之速度三角形不变时，则，或值不变。也就是说，要求或具有一定的值。对于已选定的孤立叶型来说，在额定工况下，其升力系数是一定的，因而叶片数的改变，意味着变更叶片弦长。叶片数增加，则减小；减小，则增加。对于同一轮毂比和叶片弦长而言，叶片数增加，则叶栅稠度亦增加。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，由式（2-6）可以看出，将使每个叶片的负载增大，从而使气动性能变坏，导致风机的全压的降低。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（或最佳相对叶栅）问题。根据叶栅试验数据，叶片数可按的范围选取。根据国内设计轴流风机的经验数据，对于按孤立叶型设计法设计的轴流风机的最佳叶片数推荐如下表。表2.3孤立叶型法设计之轴流风机的最佳叶片数轮毂比0.20.40.50.690.7叶片数z264861281610202.4第一级叶轮的设计2.4.1确定安装角由上述计算已知，比转速=23.2，叶轮外径=0.586m，叶轮几何平均直径处=0.48m，圆周速度=90，叶轮几何平均直径处圆周速度，压强系数=0.249，轮毂比=0.6。平均半径处的扭速，选择变环量叶栅：，则，选取LS叶形，；选取的5个设计计算断面的直径D分别为0.352，0.422，0.483，0.537，0.586（m），按下列公式在5个断面上分别计算以下各量：通过下图图，依次选取 为1.9、1.7、1.6、1.5、1.4，对应的为5.3、4.6、4.2、3.5、3，则=。图2.7 LS叶型性能曲线2.4.2选取叶片数Z由于=0.6，查表2.3可知，叶片数Z为612，又由公式，其中为平均半径处的叶栅稠度，其最佳范围为0.31.1; 为平均半径处叶片的展弦比，当=0.50.7时，当=0.30.4时，可达到2.0或更多些。则，选取叶片数为Z=9。2.4.3计算弦长，表2.4第一级叶轮各计算量2.4.4叶片绘制1）计算弦长b在额线和轴线上的投影，列于下表：表2.5 b在额线和轴线上的投影2）根据下图，确定重心坐标、重心距翼型前后缘的距离在叶栅额线及轴线方向的投影：图2.8 LS翼型50注：1.r1为前缘相对半径，r2位后缘相对半径；2.中心距翼弦的距离；3.重心距翼型前缘的距离表2.7 重心坐标、重心距翼型前后缘的距离在额线及轴线方向投影3）根据表中翼型断面坐标值，可计算出各计算截面的翼型尺寸：表2.8 各计算截面翼型尺寸4）根据计算所得到的有关数据绘制以上五个截面的翼型，如图截面1 截面2 截面3 截面4 截面5 图2.9 截面翼型2.5第二级叶轮的设计2.5.1确定安装角由于第一级与第二级之间只存在负载系数的不同，所以，第二级比转速=23.2，叶轮外径=0.586m，叶轮几何平均直径处=0.48m，圆周速度=90，叶轮几何平均直径处圆周速度，压强系数=0.249，轮毂比=0.6。平均半径处的扭速，选择变环量叶栅：，则，选取LS叶形，；选取的5个设计计算断面的直径D分别为0.352，0.422，0.483，0.537，0.586（m），按下列公式在