大功率风机的设计

机械设计专业课综合课程设计地铁消防救援机器人风机设计说明书2015年3月24日

目录一、引言………………3二、设计原始条件和要求……………4三、设计计算的主要内容……………4四、风筒的设计………12五、主要零部件材料选取，强度计算与校核………13六、零部件图和总装配图……………16七、零部件设计造价清单表…………19致谢………………19参考文献…………20

一、引言本小组设计项目为地铁消防救援机器人，成员为五位同学。其中本人主要负责系统中风机的设计。送风方式：离心式高压鼓风机和轴流式风机。两者的主要区别如下：（1）离心风机改变了风管内介质的流向，而轴流风机不改变风管内介质的流向；

（2）前者安装较复杂；

（3）前者电机与风机一般是通过轴连接的，后者电机一般在风机内；

（4）前者常安装在空调机组进、出口处，锅炉鼓、引风机等等，后者常安装在风管当中、或风管出口前端。

离心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，它是一种从动的流体机械。离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

轴流风机，就是与风叶的轴同方向的气流，如电风扇，空调外机风扇就是轴流方式运行风机。之所以称为“轴流式”，是因为气体平行于风机轴流动。轴流式风机通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合。轴流式风机固定位置并使空气移动。普通型轴流风机可用于一般工厂、仓库、办公室、住宅内等场所的通风换气，也可用于冷风机（空气冷却器）、蒸发器、冷凝器等的强制通风。防腐、防爆型轴流风机采用防腐材料及防爆措施，并匹配防爆电机，可用于易爆、易挥发、具有腐蚀性气体的场所作一般用途的通风换气设备。要求轴流风机输送的气体应无显著灰尘，无粘性和纤维物质；电动机直连型温度不超过40℃，皮带传动型温度不超过60℃。轴流风机主要由叶轮、机壳、电动机等零部件组成，支架采用型钢与机壳风筒连接。其中防腐型轴流风机叶轮、机壳均为玻璃钢制成，其它型式轴流风机一般采用钢板制成。轴流风机的工作原理：当叶轮旋转时，气体从进风口轴向进入叶轮，受到叶轮上叶片的推挤而使气体的能量升高，然后流入导叶。导叶将偏转气流变为轴向流动，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入工作管路。

轴流风机的叶片一般都是可以转动角度的，大部分轴流风机都配有一套叶片液压调节装置。当风机运行时，通过叶片液压调节装置，可调节叶片的安装角，并保持在一定角度上，使其在变工况时仍有较高的效率。轴流式风机叶片的工作方式与飞机的机翼类似。但是，后者是将升力向上作用于机翼上并支撑飞机的重量，而轴流式风机则固定位置并使空气移动。轴流式风机的横截面一般为翼剖面。叶片可以固定位置，也可以围绕其纵轴旋转。叶片与气流的角度或者叶片间距可以不可调或可调。改变叶片角度或间距是轴流式风机的主要优势之一。小叶片间距角度产生较低的流量，而增加间距则可产生较高的流量。先进的轴流式风机能够在风机运转时改变叶片间距（这与直升机旋翼颇为相似），从而相应地改变流量。这称为动叶可调(VP)轴流式风机。轴流风机又叫局部通风机，是工矿企业常用的一种风机，但不同于一般的风机它的电机和风叶都在一个圆筒里，外形就是一个筒形，用于局部通风，安装方便，通风换气效果明显，安全，可以接风筒把风送到指定的区域。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。流量也称风量，以单位时间内流经通风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在通风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指通风机的输入功率，即轴功率。通风机有效功率与轴功率之比称为效率。通风机全压效率可达90%。二、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Q（m³/h）、全压p(Pa)、工作介质密度ρ（Kg/m³）或工作介质温t、大气压力，以及结构上的要求和特殊要求等。初始条件：流量Q=90000m³/h，风机全压p=1200Pa,介质为空气，其进口状态为标准状态（为一个大气压，温度为20C，空气密度ρ=1.2Kg/m³）。设计要求：送风能力达90000m³/h。轴流式风机风压一般在450Pa～4500Pa之间，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，目前最大的轴流通风机的流量可达1500万m³/h。综合考虑本系统风机决定采用轴流式风机。三、设计计算的主要内容1、通风机类型的选择轴流式风机风压一般在450Pa～4500Pa之间，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，目前最大的轴流通风机的流量可达1500万m³/h。综合要求考虑本系统风机决定采用轴流式风机。并通过调研调查决定选用GXF系列轴流式风机，全压p：50-1200pa，流量Q：3000-150000m³/h符合要求。2、选择电动机及转速风机的转速可根据实际工作环境使用要求选取。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电动机功率为：P=Q*p/(3600*1000*η*η)=90000*1200/（3600*1000*0.8*0.98）=38.265kw（η取0.8，η取0.98）根据所需的电动机功率P，结合实际工况，即可选择合适的电动机及相应的转速。如下GXF-Ⅱ型轴流式通风机例子我们可以选择机号14A的GXF-Ⅱ型轴流式通风机，根据计算功率和风机使用环境的要求，选择电机型号YB200L1-2。YB280S隔爆型三相异步电动机技术数据：额定功率=40kW满载时\额定电流=26.9A满载时\额定转速=960r/min满载时\效率=92.0%满载时\功率因数cosφ=0.87堵转转矩/额定转矩=1.8N.m堵转电流/额定电流=6.5A最大转矩/额定转矩=2.0N.m重量=140kg3、电瓶的选择3.1电瓶的种类现在主流的分3个小类，一个是普通的铅酸电池，一个是锂离子电池，一个是磷酸铁锂，当然还有其他的电瓶，但是用的不是很多。

铅酸：路面上用的基本都是这个。一般大体上分12A的和20A的，但是也有14A的，这个主要是便宜，但是寿命一般就是一年半。

锂电：这个电池比铅酸的贵价格在1000左右，但是使用寿命长，多用在电动车上。优点就是电池比较轻，车基本上可以走电梯。

磷酸铁锂：这个一般用的非常少，都是改装车用的比较多，还有些人为了增加里程用这个电瓶，优点，寿命长，放电量大，一般都是20A30A40A这样，缺点就是贵。综合考虑本风机选择用磷酸铁锂离子电池作为电机电源。3.2电机与电池的匹配3.2.1匹配原则根据电驱动风机的设计目标和所选电机、蓄电池的特性，可以确定他们的匹配原则：（1）负载功率最大时，电机与电池同时输出功率，电机输出额定电流26.9A；电池以较大放电率发电提供后备功率，且不会发生过放。（2）负载功率中等时，主要由电机输出功率满足负载所需，电池根据设定的SOC限值及电机的工况进行自动充放电。（3）负载功率较小时，由电机输出功率满足负载所需，电池基本不放电。3.2.1匹配计算蓄电池放电电流与容量的关系遵循Peukert方程：C=In*t式中，C—容量（Ah）I—电流（A）t—时间（s，min或h）n—常数负载电流为26.9A，正常运行时直流电压为380V±15%10%,支持时间要求最少为5h。基本计算如下：根据电机与电池匹配规范标准，有式中，——电机输出额定电流时的输出电压值——电池输出最大电流时的端电压值——电机输出额定电流时的输出功率——电池输出最大电流时的输出功率——负载最大功率计算结果为：=10.36A所要求的放电容量：C=10.36A×5h=51.8Ah要想蓄电池在整个寿命期限内均能可靠地支持系统的工作，选型时还应考虑蓄电池寿命终止的规定：当蓄电池的放电低于额定容量的80%时，寿命终止。实际的放电容量应为：C=51.8Ah×120%=62.16Ah4、叶形设计计算4.1计算比转速nn=n*QP式中：n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=960r/min；依照有关比转速的应用，可确定通风机类型及叶片形式。一般轴流式通风机有n=18—90。上式计算得n=23.54，符合要求。4.2确定叶轮外径及轮毂直径叶轮参数的设计计算: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、钢板焊接或其他材料制成。叶片的空气动力计算，是在满足流量Q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。由n查《风机设计通用手册》图7-5和图7-6，选取轮毂比u及系数K：一般轮毂比的选择范围为：u=0.25—0.75。由图得取K=1.69，u=0.6则对于标准状态下的空气叶轮外径为：D=77.4轮毂外径为：D=D由上面GXF-Ⅱ型风机外形及安装尺寸可知，对于14A的风机，D=δ+D=1.410m（δ取0.006m），而D=1.404m<D4.3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<=60—80m/s，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<=130。根据算出的及，即可检验本方案的选择是否合理。4.4求轴向速度=m/s4.5将整个叶片分成几个截面，分别计算各截面的扭速Δ值方法：这里就采用等环量设计先计算平均直径=+2=1.404+0.9024Δ=pρη=通常可选取5个截面进行叶栅的计算，则截面半径为=D2-（0.015~0.025）D=0.7182~0.73332m=D2-（0.015~0.025）D=则取=0.42m，=0.72m,则=+2=0.57m，=0.645m，=0.495m由Δ=Δ，变环量指数取值为0~1，取a=0.5，=0.469m,=0.755m,=0.803m,=0.704m,=0.648m,=0.849m，则Δ=40.93m/s，Δ=37.67m/s，Δ=35.13m/s，Δ=33.03m/s，Δ=31.24m/s4.6计算平均相对速度及气流角ß=²+=51.48m/s，=61.52m/s，=70.34m/s，=78.34m/s，=85.45m/sß=arcsinß=43.64，ß=35.28，ß=30.34，ß=26.97，ß=24.574.7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《风机设计通用手册》表7－1来选取：本设计一般只选择7~11个叶片，由于u=0.6，又因为Z则取Z=114.8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。在满足风机流量要求的情况下，由经济性和工艺复杂性选取CLARKy叶型，其相对厚度=0.14.9选取各截面的升力系数及相应的攻角α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~α曲线选取。序号123451.191.231.251.261.27α（。）6.38.69.711.812.1注意：攻角α从叶根到叶尖应逐渐减小。4.10求叶片宽度b由气动力基本方程式得：b=4πp弦长在叶栅周向及叶栅轴向方向的投影列于下表3-10弦长b的投影四、风筒的设计1.风筒选用要求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；2.风筒结构：采用圆柱形，其外部直径D=D+𝜹=1.510m（𝜹取0.01m）3.风筒尺寸的确定：长度L=（0.8~1.5）D=1.208~2.265mm，兼顾考虑电机和叶轮安装好后的轴向尺寸，故选L=1.290m合适。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。然后再对缝焊接而成。叶片材料一般选用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。σ=式中σ—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：=1+（r-）=1+x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，计算叶片所受的离心力=ρVω²利用上式可以比较精确的求出叶根的离心力。由于叶片是变截面的，应根据文献的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10-2m2𝝈=50MPa𝝈<𝝈=235MPa式中𝝈为A3钢的拉伸极限强度。所以叶轮选择A235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。由实际工作环境考虑防腐防潮，则风筒材料选取玻璃钢。3.电机固定件的设计与材料的选择轴承的选择轴流通风机的主轴承受扭转、弯曲和拉压应力，其中拉压变形产生的拉压应力远小于弯曲变形产生的弯曲应力。因为风机为局部通风机，叶轮重量轻，所以弯曲应力较小。故机构在应力计算时可忽略拉压应力和弯曲应力，只考虑扭转的效应。设计要保证轴流风机运行时的轴向载荷和周向载荷，所以选择圆锥滚子轴承。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。轴的校核：(1)轴的转矩轴的转矩=9550*=9550*=71.23N.m式中——通风机轴功率，单位为kW；——叶轮转速，单位为r/min。(2)扭转应力转矩为的转轴直径为（单位为m）处的扭转剪切应力т（单位为）的计算公式如下：t==π16==N/m2式中—