轴流式通风机的设计

1、中国矿业大学2012届本科生毕业设计 摘 要在矿井掘进巷道时，为了供给工作人员呼吸新鲜空气，稀释掘进工作面的瓦斯及产生的有害气体，矿尘，创造良好工作条件，必须对掘进工作面进行通风。目前对掘进工作面进行通风的主要设备为JBT系列轴流式通风机。本次设计的内容是对JBT62轴流式通风机总体方案和通风机总体结构设计，机械传动部分设计，对轴流风机工作原理，主要工况参数的意义的掌握。具体内容包括：通风方式的选择，总体结构方案的确定，轴的设计和校核计算，叶轮的设计和校核计算，导叶的设计计算，疏流罩、扩散器和集流器的设计和选择，壳体的设计，通风机消声装置的设计，电机的选择和固定方式的设计，联轴器、键和法兰等零

2、件的选型校核。关键词 轴流风机 ；局部通风设备 ；机械设计绪论通风机是煤矿的主要能耗设备，轴流式通风机主要由进风口、工作轮、整流器、主体风筒、扩散器和传动轴等部件组成，它的主要原理是风机运转时，空气沿着风机的轴向方向进入叶轮，被叶片挤压向前推动，经扩散器排出（轴向进入，轴向流出），其主要特点，结构紧凑，便于调节风量、风压，但构造复杂，较难维护。叶轮是由固定在轴上的轮毂和以一定角度安装其上的叶片组成。叶片的形状为中空梯形，横断面为翼形。沿高度方向可做成扭曲形，以消除和减小径向流动。叶轮的作用是增加空气的全压。叶轮有一级和二级两种。二级叶轮产生的风压是一级两倍。整流器安装在每级叶轮之后，

3、为固定轮。其作用是整直由叶片流出的旋转气流，减小动能和涡流损失。通风机的气动性能参数设计是通风机设计中的重要部分，过去气动参数大多通过手工运算获得，工作量大、精确度低、周期长。同时，在气动参数设计完成后，绘制叶片截面图过程中，大量尺寸数据通过手工输入完成，工作重复程度高、易出错，从而延长设计周期，降低工作效率。计算机技术的飞速发展为计算人员带来了福音。如今计算机软件的应用已经渗透到科学研究工作的各个角落，通过编程可以使繁杂的计算工作一挥而就。性能优良的风机叶型也不断涌现。采用先进的航空空气动力学理论设计动叶、静叶。应用先进的航空叶片机s2流场计算程序，精确计算s2流场并相应进行s1流面计算，最

4、后运用叶栅理论及实验数据选定动叶和静叶的叶片型面参数，可以设计出气动性能较好的风机叶型。当前所使用的主要叶型有RAF-6E叶型、CLARK-y 叶型、LS叶型、葛廷根叶型、圆弧板叶型、C-4叶型和NACA-65叶型，其中C-4叶型和NACA-65叶型最为常用。随着压气机第一级负荷的不断提高，简单的、固定弯度的可调进口导叶结构，对继续满足压气机稳定有效的运行来说，已经不太合适。为了进步改善可调导叶的性能，国外60年代末提一种新型进口导叶结构，即将导分成两部分，或者三部分。叶片的前缘部分固定，后面的部分可以自由转动。这种导叶的优点是能在保证进口气流条件不变的情流况下，改变出口气流方向，使其满足后排

5、叶栅进口气流方向的要求。从而缓解流攻角对进口流场的均匀性和气流的稳定性会带来不利影响。目前，对于变尾缘导叶还缺乏深入、系统的试验研究1.2通风机的发展历史通风机已有悠久的历史，在国内外的得到了较快的发展，并取得了还多优秀的成果。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通风机基本相同。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通风机，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

6、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100300帕，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。在当代经济发展过程中，由于风机属于在发电、化工等行业应用范围较广的通用机械，对国民经济具有重大影响，发达国家以及包括我国在内的发展中国家对风机产品的制造都很重视。世界上比较大的风机制造国主要有日本、德国、意大利、瑞士、美国等。比较

7、大的风机制造商主要有日本的日立制作所、荏原制作所、三菱重工业株式会社、川屿重工业株式会社等；英国主要有詹姆斯豪登公司；德国有德马格德拉瓦透平机械公司和KKK公司；瑞士主要有苏尔寿公司等。风机方面，我国国情不同于工业发达国家，中小型风机是劳动力密集型产品，附加值较低，先进的工业国家不会再在技术和工艺方面大量投资，但仍在提高产品质量、降低成本、便于维护、环保四个方面注重对产品的改进。国外先进发达国家主要对技术含量高的离心、轴流压缩机等大型风机较为关注。一些著名厂商，如瑞士苏尔寿公司不但生产风机，还生产汽轮机、锅炉、大型柴油机等用于大型项目的设备。对于风机产品，国外公司在质量上注重于提高机械效率及延

8、长使用寿命，向节约资源和节省能量方向发展；在成本上则加强新材料的研制，降低物耗，并注重整个系统总成本的降低；在维护上从部件的通用化、维护换件简易化向自动化、无需维修、节省人力方向发展；在环保方面，注重于谋求安全可靠、向低噪声、低振动等防公害技术方向发展。近几年我国风机生产企业通过加大科研投入，加强科研攻关和技术改造，采用新技术、新工艺、新材料努力开发适销对路产品，同时采用引进技术、与国外合作等方式发展高新技术产品，使我国风机行业企业在产品的标准化、系列化、通用化、大型化、高效、节能、低噪声等方面有了长足进步，出现了一大批处于国际先进水平的产品，缩短了与发达国家的差距。但就行业整体而言，一些历史

9、长、包袱重的国有企业受资金、体制等因素困挠，技术水平较低。当前世界先进工业国家大型风机产品开发的主要特点是：1) 以节能、节约资源为核心，提高单件效率和耐久性，进而提高整个系统的效率；2) 加强系统的自动化、事故警报系统的研制，节省维护、监控方面的人力；3) 为提高竞争能力，力求包括附属部件在内的产品标准化和组合化；4) .进一步加强了对低噪声、低振动技术的研究；5) 不断针对新的需要，开发新的产品；6) 在工艺上引进柔性制造系统，最大限度地提高产品生产的自动化程度。风机产品大多根据用户需要有不同特性要求，多属小批量生产，特别是一些大型风机产品甚至是单件小批生产，对工艺要求复杂。目前国内生产自

10、动化程度很低，而国外通过研制和采用柔性制造系统，提高了生产的自动化程度。以美国为例，中小风机的生产已全部通过自动线完成，从工艺角度提高了产品质量，降低了产品成本。通风机未来的发展将进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机；降低通风机噪声；提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。1.4通风机的发展趋势1.进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗2.用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机3.降低通风机噪音4.提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性5.实现准变速调节和自动化调价1.5通

11、风机的应用 通风机广泛的应用于各个工业部门，一般讲，离心式通风机适用于小流量、高压力的场所，而轴流式通风机则常用于大流量、低压力的情况。1.5.1通风换气用通风机 这类通风机一般是供工厂及各种建筑物通风换气及采暖通风用，要求压力不高，但噪声要求要低，可采用离心式或轴流式通风机。 1.5.2工业炉（化铁炉、锻工炉、冶金炉等）用通风机 此种通风机要求压力较高，一般为294014700N/m2，即高压离心通风机的范围。因压力高、叶轮圆周速度大，故设计时叶轮要有足够的强度。 1.5.3矿井用通风机 它有两种：一种是主通风机（又称主扇），用来向井下输送新鲜空气，其流量较大，采用轴流式较合适，也有用离心式

12、的；另一种是局部通风机（又称局扇），用于矿井工作面的通风，其流量、压力均小，多采用防爆轴流式通风机。 1.5.4煤粉通风机 输送热电站锅炉燃烧系统的煤粉，多采用离心式风机。煤粉通风机根据用途不同可分两种：一种是储仓式煤粉通风机，它是将储仓内的煤粉由其侧面吹到炉膛内，煤粉不直接通过风机，要求通风机的排气压力高；另一种是直吹式煤粉通风机，它直接把煤粉送给炉膛。由于煤粉对叶轮及体壳磨损严重，故应采用耐磨材料。1.6通风机的性能通风机的性能参数主要有流量、压力、功率、效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是通风机的主要技术指标。1.6.1风量Q单位时间内通过通风机输送气体的体积量，称为风量。其单位为/s

13、、/min或/h.1.6.2风压H单位体积的空气流经通风机后所获得的全部能量，称为风压，也叫做风压。其单位为Pa。通风机的全压H有静压两部分组成，即静压用于克服矿井通风阻力，而动压为扩散器出口（抽出式通风时）或出风井出口（压入式通风时）的能量损失。1.6.3功率N电动机传递给通风机轴的功率，即通风机的输入功率，又称轴功率。其单位为KW。当通风机工作时，单位时间内空气自通风机所获得的实际能量，即通风机的输出功率，称为有效功率，用表示上式风压是用全压表示的，故也叫全压输出功率。如果用静压表示式中 Q-通风机的风量，；H、-通风机的全压，静压，Pa。1.6.4效率（全效率）全效率是指通风机的有效功率

14、与轴功率的比值如通风机的风压参数是用静压表示，则称为静效率1.6.5转速n 指通风机轴每分钟的转数，单位为。流量、风压、功率和效率等参数之间有一定的函数关系，当其中一个参数发生变化时，其他各量也随着变化。将它们之间的关系绘成曲线，称为性能曲线。性能曲线形状与通风机类型有关。改变通风机的风量和风压，以满足使用工况变化的要求称为性能调节。常用的调节方法有5种。在进气管或排气管中安置节流阀或风门控制流量。这种方法最简单，但调节效果差。叶轮进口前安置导流器改变气流方向。改变通风机转速。这种方法经济性能最好，但比较复杂。改变转速需考虑叶轮强度和电动机负荷条件。改变叶轮宽度。可使工况改变时，通风机的使用效

15、率变化不大，但比较复杂。改变动叶片安装角。采用这种方法设备费用最高、维护最复杂，但流量变化范围大、经济性好，一般用于大型轴流通风机。 1.6.6无因次的流量系数风机性能也可用无因次的流量系数, 压力系数和功率系数来表示。这些无因次性能参数(也称无因次系数)的换算公式是由相似理论推导出来的。同一类型的风机相似(包括几何相似, 运动相似和动力相似), 因此, 同一类型风机的无因次性能参数相等。即式中 、分别为流量系数、压力系数、功率系数，无因次；空气密度，kg/ m3；风机的叶轮外径，m；叶轮周边切线速度，m/s；风机的风压，Pa；风机的风量，m3/s。根据相似理论及上式无因次系数式，可得同类型风

16、机性能的换算关系式为:式中分别为所要换算的两台风机的风量，m3/s；分别为所要换算的两台风机的风压，Pa；分别为所要换算的两台风机的功率，kW；分别为所要换算的两台风机的叶轮直经，m；分别为所要换算的两台风机的转速，rad/min；分别为所要换算的两台风机工作的空气密度，kg/ m3。上式可用于同类型风机中任意两台风机之间的性能参数换算，也可用于同台风机不同转速, 不同空气密度条件下的性能变化的分析。1.7轴流通风机原理 轴流式通风机原理是依靠叶轮旋转，叶片产生升力来输送流体，把机械能转化为流体能量。由于流体进入和离开叶轮都是轴向的,故称为轴流式风机。轴流风机属于高比转数，其特点是流量大，风压

17、低。轴流式风机风压一般在450 Pa4500 Pa 之间，主要用于矿井、隧道、船舰仓室的通风；纺织厂通风、工业作业场所的通风、降温；化工气体排送；热电厂锅炉的通风、引风；热电站、冶金、化工等冷却塔通风冷却。1.7.2 轴流通风机基本结构上图是轴流通风机的典型结构简图。气体从集流器进入。通过叶轮使气流获得能量，然后流入导叶，导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能，最后，气流通过扩散筒将一部分轴向气流动能转变为静压能，然后从扩散筒流出，输入管路。低压轴流式通风机的压力在490Pa以下，高压轴流式通风机的压力一般也在4900Pa以下，因此，相对于离心式通风机而言，轴流式通风机具有流量大、体积小，压头低

18、的特点。除上述的典型结构外，轴流通风机的型式和构造是多种多样的，小的轴流风机，其叶轮直径只有100多毫米，大的直径可有20多米。目前最大的轴流通风机的流量可达1500万m3/h。小型低压轴流通风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流通风机由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为224。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为10°45°，安装角越大，风量和风压越大。轴流式通风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。风机布置形式有立式、卧式和倾斜式三种。轴流通风机很多是电机直联传动的，也可通过其他

19、装置进行变速传动。为了便于安装和维护，轴流风机广泛采用滚动轴承。由于叶轮强度和噪声等原因，轴流风机叶轮外径的圆周速度一速高时，将产生比离心风机大的噪声。现代轴流通风机的动叶或导叶常做成可调节的，即其安装角可调。这样不仅大大扩大了运行工况范围，而且显著提高了变工况下的效率，因此，其使用范围和经济性均比离心式风机好。尤其是近年来，动叶可调机构被成功地采用，使得轴流风机在大型电站（80万千瓦以上）、大型隧道、矿井等通风、引风装置中获得日益广泛的应用。此外，轴流风机还广泛应用于厂房、建筑物的通风换气、空气调节、冷却塔通风、锅炉鼓风引风、化工、风洞风源等方面。目前单级轴流通风机的全压效率可达90%以上，

20、带有扩散筒的单级风机的静压效率可达到80%。一般轴流风机的压力系数较低，<0.3。而流量系数=0.30.6。单级轴流风机的比转数=1890（即100500）。近年来，轴流风机逐渐向高压发展，例如日本某电站用的丹麦VARIAx型动叶可调轴流送风机，其全压已达到14210Pa，因此，许多大型离心风机有被轴流风机取代的趋势。1.7.3主要问题及解决方法本次设计的内容及工作量是确定JBT62轴流式通风机总体方案设计，总体结构及其组成，掌握轴流风机工作原理，主要工况参数的意义。完成主要机械部分设计。JBT62轴流式通风机过流部件由集流器，叶轮，导叶，扩散器等几部分组成。具体设计内容包括：拟定总体结

21、构方案的确定，轴的设计计算，叶轮的设计计算，导叶的设计计算，疏流罩的设计计算，扩散器的设计计算，集流器的设计计算，壳体的设计，联轴器、法兰等零件的选型校核。保证设计参数流量达到Q=5.6m3/s、全压达到H=3100Pa、效率在以上。此外还包括设计说明书的编写，外文资料的翻译工作。图纸的绘制工作。包括：总体装配图 1张；叶轮零件图 1张；导叶零件图1张；壳体零件图1张；轴零件图1张。其中主要的任务是对叶片叶型、叶片整体及叶轮结构设计和通风机其他结构的整体设计等。（1）叶型设计目前，轴流通风机的设计方法主要有两种，一是利用单独翼叶进行空气动力特性实验所得的数据进行设计，称为孤立叶型设计法；另一种

22、是利用叶栅的理论和叶栅的吹风试验成果来进行设计，称为叶栅设计法。对于轴流通风机来说，由于叶栅稠度不大，一般b/t < 1 ,可以把叶片当作一个个互不影响的孤立叶片而按孤立叶型法设计，即假定孤立叶型的升力系数与叶栅中叶型的升力系数相等。由于这种方法计算简便迅速，试验数据较完整，计算结果也较准确，因而国内外都广泛采用孤立叶型法设计轴流通风机，特别是对于低压轴流风机，可获得很好的结果。但是不论采用何种叶型数据及计算公式，其基本理论都是完全一致的，只不过其表现形式略为不同而已。这两种设计方法，在整个过程中都需要根据现有的轴流式通风机的基本理论对叶片的空气动力特性进行设计，并根据设计结果，参照广泛

23、应用的基本的原始叶型，构造出该叶片叶型主要形式结构。本设计采用了孤立叶型进行叶片叶型的设计。通风机主要部件设计通风机的主要部件包括叶片整体结构、集流器、中导风筒、主风筒、流线体、轮盘、扩散筒等。对于这些部件的设计，其难点在于设计出合理的结构、尺寸以及指定各部件具体的加工方法、工艺过程和加工过程所应满足的技术要求等。为了设计出满足要求、便于加工的结构，主要采取了以下几种方法：实习参观制造通风机的企业车间，实地考察整个通风机加工、装配的实际操作过程，通过与工人师傅、公司技术人员交流，了解基本技术要求；查阅有关通风机设计的技术资料，严格执行相应的国际标准，参照现有的在实际应用的轴流风机设计加工的图纸

24、；设计过程中向指导老师请教，不断的发现、纠正错误，优化整体、局部结构和加工过程。轴流通风机总体结构方案设计2.1通风方式的确定局部通风机是井下局部地点通风所用的通风设备。局部通风机通风是利用局部通风机作动力，用风筒导风把新鲜风流送入掘进工作面。局部通风机通风按其工作方式不同分为压入式、抽出式、混合式三种。2.1.1压入式通风压入式通风是把局部通风机和启动装置安装在离掘巷道口10m外的进风侧，局部通风机把新鲜风流经风筒压送到掘进工作面，污风沿巷道排出。工作面爆破后，烟尘充满迎头形成炮烟抛掷区。风流由风筒射出后，按紊动射流的特性使炮烟被卷吸到射出的风流中，二者掺混共同向前移动。用于以排出瓦斯为主的

25、煤巷、半煤岩巷掘进通风。其机构如图2-1所示压入式通风的优点是局部通风机和启动装置都位于新鲜风流中，不易引起瓦斯和煤尘爆炸，安全性好；风筒出口风流的有效射程长，排烟能力强，工作面通风时间短；可用柔性风筒，其成本低、重量轻，便于运输，而抽出式通风的风筒承受负压作用，必须使用刚性或带刚性骨架的可伸缩风筒，成本高，重量大，运输不便。缺点是污风沿巷道排出，污染范围大；炮烟从掘进巷道排出的速度慢，需要的通风时间长。适用于以排出瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进通风。压入式通风的缺点是污风沿巷道排出，污染范围大；炮烟从掘进巷道排出的速度慢，需要的通风时间长。适用于以排出瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进通风。图2-1

26、 压入式通风2.1.2抽出式通风抽出式通风是把局部通风机安装在离巷道口10m以外的回风侧。新鲜风流沿巷道流入，污风通过铁风筒由局部通风机排出。其机构如图2-2所示在瓦斯矿井中一般不使用抽出式通风。抽出式通风的优点是污风经风筒排出，掘进巷道中为新鲜风流，劳动卫生条件好；放炮时人员只需撤到安全距离即可，往返时间短；而且所需排烟的巷道长度为工作面至风筒吸入口的长度，故排烟时间短，有利于提高掘进速度。抽出式通风的缺点是风筒吸入口的有效吸程短，风筒吸风口距工作面距离过远则通风效果不好，过近则放炮时易崩坏风筒；因污风由局部通风机抽出，一旦局部通风机产生火花，将有引起瓦斯、煤尘爆炸的危险，安全性差。在瓦斯矿

27、井中一般不使用抽出式通风。图2-2 抽出式通风2.1.3混合式通风安装两台局部通风机，一台作压入式，一台作抽出式。新鲜风流由压入式风机和风筒压入，氢气工作面后由抽出式风机和风筒排出。这种通风方式综合了抽出式和压入式的有点，避免了各自的缺点。但它有引起瓦斯、煤尘爆炸的危险，及有电耗打与管理复杂的缺点。以上三种通风方式中，为了避免产生循环风流，应当满足：（1） 风机的风量不得超过风机所在的巷道风量的70%；（2） 压入式风机应置于贯穿风流巷道的上风侧，抽出式风机置于下风侧，风机距掘进巷道口不得小于10m；（3） 混合式通风除应满足上述要求外，还应使抽出式风机风量大于压入式风机风量的20%-30%，

28、且抽出式风筒入口与压入式风机入口之间的重叠距离应大于10m。综上所述，三种通风方式各有利弊。但压入式通风安全可靠性较好，故在煤矿中得到广泛应用。考虑到本风机应用环境为矿井掘进段，瓦斯含量较高故采用压入式。2.2结构方案型式采用多段式壳体，即用径向剖分面将壳体垂直于轴线一段一段地分割开为多个部分。将风机叶轮、导叶轴等分别装各段壳体，然后用螺栓将这些零件紧固在一起。已知设计参数Q=5.6m3/s、全压达到H=3100Pa、效率在以上，以电机直接驱动，二级普通轴流的条件下，设计所需风机。一般的矿用轴流式风机主要气动部件有叶轮，前导叶，中导叶，后导叶，外壳，集流器，疏流罩以及出口处的扩散器组成轴流通风

29、机采用如图2-3所示。2.2.1叶轮叶轮是风机的主要部件，决定着风机性能的主要因素是风机翼型，叶轮外径，外径对轮毂直径的比值和叶轮转速。适用于矿用风机的翼型有对称翼型，CLARK-Y翼型，LS翼型和RAF-6E等。叶轮外径和风机轴转速决定圆周速度，直接影响到风机全压。轮毂比与风机比转数有关。一般说来,轮毂比大时,轴向速度Ca增大，叶片数目z和叶片相对宽度b/l(b为弦长，l为叶展)也相应增大,风机的风压系数提高；反之。轮毂比小,多数取0.6，风压系数也较低。叶轮叶片安装角直接影响旋绕速度的增量，影响风机全压。通常，可在1045°范围内调整。图2-3 风机方案简图1-轴；2-壳体；3-

30、中导轮；4-后导轮；5-扩散器；6-叶片；7-叶轮；8集流器；9-流线体2.2.2导叶现在广泛应用的轴流式通风机的结构形式很多，对于本设计而言，只考虑叶轮前加前置导叶、叶轮后加后置导叶、叶轮前后均加导叶以及两级轴流式通风机这四种形式。图2.1 轴流式通风机几种方案1-叶轮，2-前导叶，3-后导叶1、 叶轮前加前置导叶如图2-1-a 所示，这种方案的通风机中，气流在前置导叶中加速并扭转方向，使进气产生旋绕。在通风机中大多数采用的是负旋绕（即c1u<0）,如图2-2-a 所示，这样出口气流的绝对速度方向为轴向，以便将气体能直接输入管道。这种级的特点是压力系数高，反应度>1，一般=1.2

31、51.50左右。这种级的效率=0.780.82。其常用于要求体积尽可能小的场合。2、 叶轮后置后导叶如图2-1-b 所示这种方案在轴流通风机中应用最广，气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，如图2-2-b 所示，经过后导叶扩压整流后，使气体轴向流出。其反应度1，一般为=0.750.90左右。这种级主要应用于压头较高的通风机，而效率也较高可达到=0.820.88，设计制造良好的甚至可达0.9。图2.2 两种形式通风机的速度三角形3、叶轮前后均设置导叶如图2-1-c 所示，此方案前导叶使气流在叶轮进口产生旋绕，后导叶使叶轮出口气流整流后排出。这种方案其实是第一、二种方案的综合，

32、其性能也是介于两者之间。其布置往往使叶轮进出口气流的绝对速度大小相等，而旋转方向相反，故而反应度=1，这种风机的效率=0.820.85。4、 两级轴流式通风机如图2-1-d 所示该方案一般是一个叶轮和一个导叶组成一级，也可以在第一级前设置导叶。在某些情况下，为了使风压较高，而径向尺寸较小，也可以采用两个叶轮中间加一个导叶的方法，这可以看作两极轴流式通风机的改造形式。总体来说两级风机效率较高，其中每一级叶轮单独工作时产生的风压之和都低于两级叶轮同时工作时风压的一半，这样通风机的寿命较高。本设计，在通风机方案选择过程中，主要是对以上四种形式进行考虑，根据经济性、可靠性等方面进行取舍。图2-3表示了

33、两种通风机级的特性对比。压力系数、流量系数及功率系数的特性对比。总体上来说，这四种方案各有特点，其适用范围也在一定程度上有重叠。由于轴流是通风机具体结构方案的选择问题比较复杂，在实际设计过程中，一般情况下需要根据制造厂现有生产技术的具体情况，参照相似条件下已有的典型产品的实际结构选择适当的结构，并在该结构的基础上予以改进。图2.3 两种通风机特性比较1-设置前导叶，2-设置后导叶在进行方案选择的时候，也可以大致参考风机的比转数ns或压力系数进行。其方法大体如下：当=0.150.25或ns=20.8 32.5（115180）时，可以采用叶轮加后导叶的结构；当>0.25或ns=14.520.

34、8（80115）时，可以采用前导叶加叶轮加后导叶的结构 。通过查阅相关技术资料，参照与该设计所给条件相似的已经投入生产和使用的我国现有的典型轴流式风机的具体结构形式，综合以上所述结构的优点，最终决定采用动叶可调式两级轴流式通风机。轴流式风机其他基本结构，如集流器、流线体、扩散器等都予以保留，并且按照国家相应的标准加以设计。采用这种方案，相比于其他几种形式，具有以下几个优点：两级轴流式通风机的形式，可以使每一级叶轮所承受的风压低于整个风机全压的一半，改善了叶轮的工作条件，这就大大提高了整个风机的寿命，并且效率较高，对于矿用产品而言，可以显著的降低总体成本；采用动叶可调的形式，能够改变叶片的安装角

35、，这就使该风机可以根据矿井的具体情况，调节通风机的运行工况，使通风机的适应范围更广；采用电动机与叶轮直接联接的形式，相对于其他的结构形式，可以使通风机的整体稳定型更好，安装更方便。同时降低了装置的局部阻力，能够避免了传动装置损坏事故，消除了传动装置的能量损耗，在另一个方面上提高了风机装置效率。中导叶和后导叶后在多级轴流式风机叶轮级后设置。它的作用是将前级叶轮的流出气流方向，转为轴向流入后级叶轮。后导叶的作用是将最后一级叶轮的出流方向转为接近轴向流出。剩余的旋绕速度使气流不仅沿轴向，而且是沿螺线方向在扩散器中流动，有利于改善扩散器的工作。2.2.3进风口(集流器和整流罩)集流器是强力风机上的一个

36、关键部件，它是用2mm厚的A3钢板，通过剪板、焊接、翻边制成。 由于其直径较大，板厚较薄，在翻边时容易起皱和出现裂纹，这是不允许的。 以前生产厂家做了一付工装，焊成喇叭口，将圆弧部分在工装上用手工一点一点敲成的。作用是使气流顺利地进入风机的环行入口信道，并在叶轮入口处,形成均匀的速度场。目前，矿用通风机集流器型线为圆弧形，疏流罩的型面为球面或椭球。2.2.4扩散器轴流通风机级的出口动压在全压中所占的比例比离心通风机大的多，这是因为轴流风机工作时，通风机级的出口气流轴向速度相当大，与之相对应的动压约占通风机全压的。为了减少轴流风机出口流速，提高静压，同时由于井下的空气潮湿有毒,所以作为扩散器口消

37、声器的吸声材料应具有防潮，防腐和阻燃性质。此外由于通风机的出口处安装扩散器还可以显著降低通风机的排气噪音。一般由锥形筒芯和筒壳组成,装在风机出口侧。2.2.5外壳风机外壳呈圆筒形,重要的是叶轮外缘与外壳内表面的径向间隙应尽可能地减小。通常 径向间隙和叶片展长在0.010.06之间。2.2.6轴轴是传递机械能的重要零件,原动机的扭矩通过它传给叶轮。轴是风机转子的主要零件，轴上装有叶轮、轴套、轴承等零件。轴靠两端轴承支承，在通风机中作高速回转，因而轴要承载能力大、耐磨、耐腐蚀。轴的材料一般选用碳素钢或合金钢并经调质处理。2.3通风机结构形式的确定2.3.1确定通风机的转速.3.2确定通风机的级型式

38、在二级轴流风机中，常用的级型式有R+R（叶轮级+叶轮级）的对旋轴流风机、R+S+R+S级（叶轮级+中导流级+叶轮级+后导流级）、以及P+R+S+R+S(前导流级+叶轮级+中导流级+叶轮级+后导流级)。考虑到掘进段工作空间相对狭小，所以本设计采用R+S+R+S级，可以减少风机的轴向尺寸。2.3.3确定通风机各级风压比风机的风压比是决定各级叶轮和导叶的主要参数之一。考虑到如果采用风压比为1：1，那么只需要单电机驱动，可以降低所设计通风机成本，还可以减小风机的体积，有利于在相对狭小的掘进工作面使用。2.3.4叶顶圆周速度ut和叶轮直径D 的选择计算圆周速度是轴流通风机设计中的重要参数之一。实践表明，

39、提高轴流通风机的圆周速度，可以提高风机的全压。实验证实，叶轮叶顶圆周速度=m/s比较合适。但是圆周速度的提高，风机的噪音也将随之提高，因为通风机的旋转的噪音与成正比，而涡流噪音与成正比。叶轮直径是轴流通风机的一个重要结构参数，其大小直接影响通风机的性能和结构。常用的一种方法是根据大量试验研究现有通风机的统计资料。人们发现叶轮直径与全压、流量、及转速之间存在一定的关系，即与通风机的比转速存在一定的关系。分别计算各种预选方案中通风机的计算比转数，由比转数查得对应轴流风机的全压系数及全压效率。初步计算出不同方案通风机的叶轮直径，然后圆整为标准直径，在求出其叶顶圆周速度。具体计算结果列与表2-1。由表

40、计算结果看出，当通风机转速n=1450r/min，=77,一般当100时,优先采用离心风机，所以不能满足要求。所以选择转速n=2950r/min，可以满足要求。表2-1 不同方案的计算结果n/(r/min)14502950备注/Pa1550155077157级型式R+S+R+SR+S+R+S0.35由级型式的范围0.85计算D/m0.556圆整D/m0.56按文献12/（m/s）86.502.4计算电动机功率并选择电机型号按下式计算电动机功率为kW kW式中电动机功率储备系数，对于轴流风机，一般。本题K取1.10P=22.59424.706kw。所以根据计算功率和风机使用环境的要求，选择电机型

41、号YB200L1-2,风机主要结构参数选择在进行叶轮叶栅气动设计时，必须合理地选取叶轮的结构参数，如轮毂比、叶片数和外径等。 轮毂比 （2.3）式中：为轮毂直径；为外径。轮毂比是一个重要参数，对风机的压强、流量和效率都有影响。经推导，可得： （2.4）由上式可以看出，与全压成正比，与成反比。当风机压强或压强系数较高时，应取较大的，但是过大，叶片过短，流速损失大，效率降低，使风机性能恶化，如图2.2所示。当较大时，可以选较小一些的，这样较高。对于风压高流量小的风机可取较高的，风压低流量大的风机取较小的。太小，叶片过长，会引起叶片根部气流发生分离。一般常用的轮毂比范围为0.250.75。当采用单独

42、叶轮时，可取0.30.45。对于其他方案的通风机级，可取0.50.7，也有取低于0.5的。图2.2轴流通风机压强系数和效率随轮毂比的变化曲线根据大量试验的统计结果，与的关系如图2.3所示： 图2.3 轴流通风机轮毂比随比转速的变化曲线且近似满足下列关系式：， 35 （2.5）， （2.6） 叶轮外径在给定风机全压和流量的情况下，当转速一定时，叶轮外径也就基本确定了。由图2.4可知： 图2.4 轴流通风机叶轮外径系数随比转速的变化曲线比转速与系数基本呈直线关系。其中 （2.7）根据图2.4，求出下的，然后可以计算出： （2.8）与的近似关系为： （2.9）对于标准状态下的空气（）： （2.10）

43、 计算圆周速度及压力系数 （2.11） （2.12）圆周速度限制如下：如果现场要求低噪声，则一般为6080m/s；受材料限制即使采取降噪措施仍需130m/s。 叶片数的选取一般规律是：叶片数少，叶片宽，支杆直径大；叶片数多，叶片窄，支杆直径小。根据国内设计轴流风机的经验和试验数据，对于按孤立叶型设计法设计的轴流风机，其最佳叶片数推荐如下：轮毂比 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7叶片数 26 48 612 816 10203 主要部件的设计计算3.1叶轮参数的设计计算3.1.1流量系数和全压系数的确定叶轮是通风最主要的部件，其主要作用是把原动机的能量传递给流体。叶轮常用铸铝合金、钢板焊接或

44、其他材料制成。叶片的空气动力计算，是在满足流量和全压的条件下，为获得高效率低噪音而进行的叶片集合尺寸的计算。为此，把整个叶片分成若干个计算截面，然后通过计算得出个基元截面所采用翼型的叶片宽度及安装角。根据上述参数，引入如下几个无量纲系数及其关系表达式。（1） 流量系数：=流量系数代表不同型号风机在相同叶轮直径和相同转速下风量的相对值。（2） 压力系数：压力系数代表不同型号风机在相同叶轮直径和相同转速下风压的相对值。（3） 直径系数： 直径系数代表不同型号风机在相同风量和相同风压下叶轮直径的相对值。（4） 转速系数：转速系数代表不同型号风机在相同风量和相同风压下转速的相对值。（5） 直径系数、转

45、速系数与压力系数、流量系数的关系流量系数、压力系数、直径系数和转速系数这四个无量纲系数由以上的式子可得：可见，上述四个无量纲系数的最佳结合就成为每两个最佳无量纲系数、或、之间的排列问题。若已知最佳的、可以方便的计算一台一定风量风压的通风机的最佳叶轮直径和最佳转速。由以上公式可得最佳直径和最佳转速的表达式 在轴流式通风机的设计中，通常是在给定风量和风压的情况下求最佳的叶轮直径和最佳转速，所以，无量纲系数对叶轮的最佳设计具有重要的意思。二级轴流风机的风压比为1：1，所以第一级叶轮和第二级叶轮参数相同。故不需要分别计算。以第一级叶轮计算为例，设计计算步骤如下：流量系数：0.263全压系数：=0.34

46、53.1.2轮毂比和轮毂直径的确定轮毂比的计算公式为=式中：为轮毂直径，为外径。轮毂比是一个重要的参数，对于风机的全压、流量和效率都有影响由文献可推导出：由上式可以看出，轮毂比和全压成正比，与成反比。当风机生压或压力系数较高时，应取较大的，但是过大，叶片过短，流速损失大，效率降低，使风机性能恶化，当较大时，可以选较小一些的。太小，叶片过长，会引起叶片根部气流发生分离。轮毂比由文献13 ，当通风机的比转数=157时，可选用=0.6。按表3-1, 可见，当=0.345时，=0.50.6，取=0.6是合适的。由此得到叶轮轮毂直径为：d=D=0.60.56m=0.336m表3-1 不同全压系数时所推荐

47、采用的轮毂比0.202.0.40.40.350.450.50.60.60.73.1.3轮毂比检验为了判断叶轮叶片根部和后导流器根部是否会发生气流分离，应验算是否所取的轮毂比；求得通风机的轴向速度为：=m/s= 35.53m/s则得到通风机的无因次轴向速度为：= /=35.53/0.85=0.411由表2-1的计算结果得到通风机的全压效率=0.85，则通风机的理论全压系数为：=0.345/.86=0.406最佳计算参数，由文献13 ，查得=0.2。根据表3-2，可以计算出二级R+S+R+S级型式通风机叶轮的计算函数为：表3-2 不同通风机级型式的与计算公式级型式函数RR+SP+RP+R+S-；可

48、以计算叶轮的最小允许轮毂比为：=1/=1/2.531=0.395由于所决定的轮毂比=0.6，所以在叶轮叶片根部不会产生气流分离。对于导流器，可计算函数为：=可以得到导流器的最小允许轮毂比为：由于所决定的轮毂比=0.5，所以在后导流器叶片根部也不会产生气流分离。3.1.4叶片翼型参数的计算1. 确定计算截面将整个叶片分成5个计算截面，其中相对平均半径为2. 各计算截面叶片环的气流参数和空气动力负荷系数计算叶片各参数计算结果列于3-3。从表中可以看出，各计算截面的叶栅稠度均未超过1.0，所以按孤立翼型设计是合适的。表3-3 叶轮气流参数和几何尺寸计算表项目及公式单位计算截面备注12345m0.16

49、80.2020.2310.2570.28D=0.56m0.60.7210.820.9181.0m为叶轮半径m/s51.9062.4072.3679.3986.50n=2950r/minm/s29.2824.3521.2919.1517.57等环量设计时沿程叶高为常数m35.53等环量设计时沿叶高为常数m/s51.4861.5270.3478.3485.45在R+S级中，(°)43.6435.2830.3426.9724.571.1380.7920.6050.5010.4110.1000.0940.0890.0840.080选用1.2000.9根据1/u最大原则选择0.9480.456

50、m1.0010.9410.8920.8430.802中间各截面的bZ插计算0.9840.7410.6150.5220.4551.2001.0680.9840.9600.902(°)8.707.736.906.165.50(°)52.3443.0137.2433.1330.07mm83.4278.4274.3370.2566.83Z=12mm8.347.376.625.905.35根据文献13中对翼型相对厚度懂得选取原则，在叶根及顶截面分别选0为0.1和0.8，中间各截面的可按直线规律变化，通过插值计算得出。叶根几叶顶的叶片总宽度bZ由计算得到，而中间各截面的bZ可按直线规律

51、变化，通过插值计算得出。对于叶片数目的选择计算，由表3-4，当=0.6时，。又因为故选取叶片数目Z=12。表3-4 叶片数目与轮毂比之间的关系0.30.40.50.60.7通过计算可以得出、等曲线，将这些曲线绘制于图3-1中，可以看到各曲线光滑，证明计算是正确的。图3-1 叶片参数坐标3.2叶片翼型的选择从目前资料来看，可用于孤立翼型设计方法的翼型主要有三种：一是平底或接近平底的翼型，国内外常用的有CLARK-Y翼型，LS翼型和RAF-6E翼型等；二是等厚圆弧板翼型；三是NASA-65系列中的某些翼型13。由于NASA-65系列自成体系，其翼型及叶片中弧线的绘制方法于一般方法不同，国内目前应用

52、较少，故不考虑选择。本设计选定LS翼型。3.2.1 LS翼型坐标LS翼型的原始翼型为英国LS螺旋桨翼型，后来稍加修改用于轴流通风机。其结构形式如图3-2所示，其坐标如表3-5所示。图3-2 LS翼型结构图表3-5 LS翼型断面坐标值距前缘点距离5102030405060708090上表面坐标5.9278.696.110099.196.187.374.757.236.93.2.2叶片的绘制弦长在叶栅额线及叶栅轴向方向的投影列于下表3-6。表3-6 弦长的投影的投影单位相对半径0.600.7210.820.9181.00mm66.053.545.038.433.5mm51.057.359.258.

53、857.8各计算截面翼型的重心坐标、重心距翼型前后边缘的距离在叶栅额线及叶栅轴向方向的投影列于表3-7。表3-7 LS翼型各参数投影项目单位相对半径0.600.7210.820.9181.00mm37.134.933.131.329.7mm3.53.12.82.52.2mm29.423.820.017.114.9mm22.725.526.326.225.7mm36.729.725.021.318.6mm28.331.832.832.632.13.3导轮参数的设计计算3.3.1导轮参数的计算计算参数的确定：在叶片设计时，已经得出；风机的理论全压系数=0.406，由文献13得=0.2。导流器叶片气流参数和空气动力负荷系数的计算结果列于表3-8。表3-8导向气流参数和几何尺寸计算表项目及公式单位计算截面12345m0.1680.2020.2310.2570.28m/s29.2824.3521.2919.1517.57m35.53m/s5.864.874.263.833.51m/s39.638.437.837.337.1(&