毕业设计（论文）-30KW动压气浮曝气风机设计

密级公开学号全套图纸加V信153893706或扣334638941130kW动压气浮曝气风机设计姓名：班级：专业：指导教师：教师职称：任务书学院（系、部）专业班级学生姓名指导教师/职称1.设计题目30kW动压气浮曝气风机设计2.任务起止日期年月日至年月日3.设计的主要内容与要求3.1课题简介曝气风机是种高速旋转叶轮机械，主要广泛应用于污水处理行业，由主轴、永磁高速无刷直流电机、叶轮、蜗壳、密封、空气动压径向/止推箔片轴承和基座组成。其中，叶轮和电机永磁转子安装在主轴上形成旋转部件。动压气浮曝气风机设计涉及到空气动力学计算、传热学、材料力学、工程制图和三维建模，能有效锻炼本科生机械设计的综合能力。3.2任务与要求曝气风机的情况调研；曝气风机的工作原理和气动设计理论研究；曝气风机的一维气动计算，电机主要尺寸计算，流道的气动仿真；设计该型号曝气风机的整机结构，并绘制三维模型图以及核心部件的加工制造二维CAD图，包括主轴、叶轮、密封、空气动压径向/止推箔片轴承（选型）、电机等。3.3原始数据及应提交的成果一篇外文文献及中文译文；开题报告一份；提交整机的三维模型装配图一份；提交核心部件的二维CAD加工制造图一份；符合规定格式的设计一份，详细论述计算过程和核心部件的设计流程（纸质版和电子版）；设计工作日记。4.主要参考文献杨策.径流式叶轮机械理论及设计[M].北京:国防工业出版社,2004闫国军.叶片式泵风机原理及设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2009王法义.空气箔片轴承设计制造及其静态和动态特性实验研究所[D]:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2014徐长缨.风机用外转子永磁无刷直流电机及其驱动系统的设计[D]:[硕士学位论文].济南:山东大学,20075.进度计划及指导安排2.22～2.28接受设计题目，查阅高速曝气风机的最新进展和相关文献,包括教材,硕博士论文,期刊论文,专利等,注意随时记录；2.29～3.06进行外文翻译；3.07～3.13对文献进行综述，初步完成开题报告；3.14～3.20进行开题答辩并完善开题报告；3.21～4.03曝气风机叶轮与流道的气动计算；4.04～4.17永磁无刷直流电机的结构研究；4.18～4.24曝气风机叶轮及其蜗壳的三维图绘制；4.25～5.01永磁无刷直流电机、动压箔片径向/止推轴承的三维图绘制；5.02～5.08主轴设计、三维图的和二维图的绘制；5.09～5.15密封和基座三维图绘制；5.16～5.22修正每个部件的三维模型，对整机进行三维图装配；5.23～6.05撰写毕业论文；根据评阅教师意见修改设计和论文；6.06～6.19制作Powerpoint答辩文稿，答辩。任务书审定日期20XX年月日系（教研室）主任（签字）任务书批准日期20XX年月日教学院（系、部）院长（签字）任务书下达日期20XX年2月21日指导教师（签字）计划完成任务日期20XX年6月6日学生（签字）30kW动压气浮曝气风机设计摘要空气悬浮离心鼓风机，是一种全新概念的曝气风机，遗弃了传统单级高速涡轮鼓风机所必需的转速齿轮、联轴器、冷却系统和油润滑系统，它具有效率高、噪声低、振动低、磨损低、无冷却系统及无油润滑系统等优点。主要应用于污水处理行业，由高速永磁无刷直流电机、离心式叶轮、空气动压径向/止推箔片轴承等组成。本文主要对离心压缩机叶轮和轴流风扇进行气动设计计算，以及设计高速永磁无刷直流电机的主要尺寸，介绍并选取了空气动压悬浮轴承，然后用CFturbo软件对一维叶轮设计和计算结果进行校核，并三维造型离心式叶轮和流道。本文还采用Numeca软件对离心压缩机叶轮和流道进行了三维气动仿真与性能预测，预测结果显示设计达到了预期效果。同时，本文采用SolidWorks和UG软件绘制了本次设计的动压气悬离心鼓风机的整机结构，并用autoCAD软件绘制了主要零部件的二维加工图。关键词：离心压缩机，空气悬浮轴承，高速永磁无刷直流电机，设计与仿真

AbstractAirsuspendingcentrifugalblowerleadanewconceptofaerationblower,whichabandonsomenecessarypartsoftraditionalsinglestagehighspeedturbineblower,suchasspeedgear,coupling,coolingsystemandoillubricationsystem.Theadvantagesofthenewblowerarehighefficiency,lownoise,lowvibration,lowwear-out,nocoolingsystem,nooillubricationsystemandsoon.AirsuspendingcentrifugalblowerconsistsofhighspeedpermanentmagnetnobrushDCmotor,centrifugalimpeller,airdynamicpressureradial&thrustbearingsandothercomponents.Theblowerismainlyappliedinsewagetreatmentindustry.Inthispaper,firstly,pneumaticdesignoftheimpellerandaxialflowfanaremade,primarydimensionofhigh-speedpermanentmagnetbrushlessDCmotorisdesigned,Airfoilbearingisintroducedsimply,andthetypeofairthebearingisselected;secondly,thecalculationresultsofthepneumaticdesignischeckedbyCFturbosoftware,bywhich3-Dimensionsolidmodelandflowchannelsaredesignedaswell,aerodynamicsimulationandperformancepredictionoftheimpelleraremadebyNumecasoftware,whichturnedoutthattheperformanceoftheimpellermeettherequirementsneeded;finally,thewhole3-DmodeloftheairsuspensioncentrifugalblowerisdrawnbySolidWorkSandUGsoftware,and2-DmanuscriptofmainpartisfinishedbyAutoCADsoftware.Keyword:Centrifugalcompressor，Airfoilbearing，HighspeedpermanentmagnetbrushlessDCmotor，Designandsimulation

目录摘要 1Abstract 2目录 3第一章绪论 51.1课题的背景 51.2研究意义 61.2.1效率高和节能 61.2.2可靠性高、维护要求低 61.2.3无振动、低噪声、环保和变频技术的优势 71.2.4无润滑油系统及冷却系统 71.3曝气风机的概述 81.4国内外研究应用现状 91.5本文研究的主要内容及实施方案 101.6本章小结 11第二章流道气动计算、电机计算与轴承选型 122.1离心压缩机的设计 122.1.1原始数据 122.1.2进气道参数 122.1.3压缩机叶轮参数 132.1.4无叶扩压器段参数 172.1.5蜗壳参数 202.1.6压缩机参数校核 212.2轴流风机的设计 222.2.1原始数据： 222.2.2主要结构参数的设计计算： 222.2.3叶型参数的设计计算： 232.330kw永磁无刷直流电机的主要尺寸计算 272.3.1原始数据： 272.3.2设计主要计算过程： 282.4空气悬浮轴承与止推轴承的选型 312.5本章小结 34第三章基于CFturbo软件的气动设计与叶片造型 353.1CFturbo软件概述 353.2利用CFturbo设计离心压缩机叶轮 353.3本章小结 40第四章基于Numeca软件的气动仿真与性能预测 414.1Numeca软件介绍 414.2离心压缩机叶轮的气动仿真 414.2.1叶轮子午流道面气动参数分布 414.2.2流动分析 434.2.3叶轮B2B截面马赫数分布 454.2.4叶轮B2B截面总压分布 474.2.5叶轮B2B截面速度矢量图 484.3本章小结 50第五章动压气浮曝气风机整机结构设计与三维造型 515.1SW、UG软件三维绘图软件介绍 515.2离心压缩机叶轮绘制 515.3离心压缩机蜗壳绘制 545.4装配整机结构 585.5本章小结 59第六章总结与展望 60参考文献 61致谢 63声明 64

第一章绪论1.1课题的背景我国是一个水资源比较贫乏的国家，目前全国2/3的城镇面临缺水危机。随着工业化进程加快，产生了大量的污水。目前，污水处理工艺五花八门，但其中使用最普及、运行数量最大、也最成熟的技术是活性污泥法。在该法中保证污水处理效果非常重要的一部分是曝气系统。下图就是曝气系统在某污水处理厂的使用情况。曝气系统所消耗的能量占整个系统所消耗能量的一半以上、设备的维护费和基建费在污水处理系统中也占有相当比重。因此，曝气系统的设计，安装，运行和管理在整个处理系统中举足轻重，在如今提倡高效节能，环保的大背景下，选用节能、环保的鼓风机尤为重要。在污水处理系统中通常使用的风机基本上不外乎以下两大类：容积式鼓风机（旋片式、罗茨式）；离心式鼓风机（旋涡式、多级离心式风机、单级高速离心式风机）。常见的这些鼓风机存在诸多问题，如耗电量大，噪声大等[1]。图1-1某污水处理厂曝气系统现场上世纪80年代前，由于鼓风设备少，多数采用罗茨鼓风机，优点是价格便宜，耐用；缺点是效率低，噪音高。上世纪80年代中期多数采用多级离心风机，因污水处理规模大，使用罗茨风机台数多，故改用多级离心风机。特点是转速相对低、噪音低、设备结构简单、维护简便，流量随背压变化而变化，但多台风机联动时易产生互相干扰,不适合变水位处理工艺。上世纪90年代中期，多数选用单级高速涡轮离心鼓风机，该机转速高、噪音高、转速一定时风压比较稳定，流量变化范围较多级离心风机宽，但仍属带功调节，优于罗茨风机及多级离心风机，无需变频装置。但设备精度高而复杂，需要润滑循环系统和冷却系统等，维护不易，辅助系统也需能耗。该风机适用于大型污水处理厂。本世纪初选用磁悬浮鼓风机或空气悬浮离心鼓风机。对各类处理工艺都适用,特别对中小型污水处理厂选用两类悬浮鼓风机更合适[2]。1.2研究意义下面就简单介绍一下单级空气动压箔片悬浮离心鼓风机在污处理方面的运用，能有效地解决诸如上述等问题。1.2.1效率高和节能与罗茨鼓风机相比，可节能25％～35％；与传统多级离心鼓风机相比，可节能约15％～20％；与传统单级涡轮离心机相比，可节能约10％～15％。一般污水处理厂的生化曝气系统的能耗约占全厂能耗的50％～60％，如果选用曝气风机，３年内可收回成本。单级空气悬浮风机和现在普遍使用的罗茨风机做比较，最大有30%以上的效率提高,利用变频器可调节风量和风压[3]。由于单级高速离心鼓风机采用的空气轴承，是完全无油润滑方式，因此在效率方面相对其他产品有一定的优势。由于采用了可调范围更为宽泛的叶轮设计，并且摒弃了传统的导叶片调节方式，因此本鼓风机运行时将比传统类型的鼓风机更高效、节能。有资料表明，运行时只需变频控制电机转速就可在40％～100％范围内调节鼓风机的进风流量而无需采用任何其他辅助控制方式。在如今提倡高效节能，环保的大背景下，高效率的鼓风机类型将在市场占有主导地位。目前，我国空气悬浮风机制造技术，经过长期经验的积累，取得了长足进步，在今后技术进一步的发展中，为效率不断提高奠定了坚实的基础。1.2.2可靠性高、维护要求低由于采用了“高速直流电机”和“空气悬浮轴承”这两大核心高科技，摒弃了传统单级高速涡轮鼓风机所必需的增速齿轮、联轴器、润滑系统和冷却风扇等系统，从而大大提升了产品的工艺性能以及运行可靠性，避免了噪音、振动以及废弃润滑油等对环境造成的二次污染，大大减少了设备维护工作量，节约了设备维护成本。单级高速离心鼓风机经过各种状态的严格测试，证明其性能非常优异、可靠。由于结构简单，技术先进加上运用稳定可靠，减少了维护工作量，并且对维护的要求也比较低。1.2.3无振动、低噪声、环保和变频技术的优势由于采用了“空气悬浮轴承”技术，无复杂的转速齿轮、油润滑轴承，有效地避免了机械接触和摩擦，从而达到了低噪音及无振动的目的，距机器1米噪声测试，噪声值为80~85dB。没有润滑系统，不产生有公害的废润滑油，维护当中也不产生废料，所以原则上达到了环保的效果。壳体内不需要润滑，气体不会被润滑油污染等优点。在污处理设计中为了节省耗电量，要根据曝气池的负荷来改变供气量，在英国有的污水处理厂已设置溶解氧自动控制装置，以减少不必要的能耗。在曝气池负荷不变的情况下，由于气温的变化，空气容重也在改变。如气温从40度下降至10度，空气的容重约增大19%。如风量不变，则供气量将大大超出曝气池的需要，同时，电机也将超负荷运行。选用离心式鼓风机时，负荷选得过于富裕是无益的，往往因需调节风量而造成风机发生喘振。单级空气悬浮风机采用了变频系统，提供了定转速、定风压及定风量模式，可根据具体的需氧情况方便地调节风机供气量。1.2.4无润滑油系统及冷却系统无油空气压缩机不依靠润滑油而是靠空气来达到润滑的目的。因此其具备了诸多有油空气压缩机所达不到的特点。在洁净的环境及特殊的空气压缩气体方面有广泛的应用。如新型全自动面粉加工线，各类皮革制品气动装置及食品饮料部门中型生产设备等。具体特点有以下四个方面：（1）无油无污染被压缩的气体不带油污，不需要脱油处理，不污染环境。随着技术进步和人民生活水平的提高，对不含油污的洁净空气压缩的需求量越来越大。传统的有油空气压缩机不加装空气净化设备的情况下，己经难以满足人们对的要求，而且在某些情况下无油空气压缩机可达到有油空气压缩机所达不到的效果。例如，合成氮厂中合成塔的触媒会因氢气含油而使合成效率降低，故最好能用无油润滑级氢气压缩机:空气分离装置中的氧气，因含油会引起燃烧、爆炸，此时也需要使用无油润滑空气压缩机。（2）无油润滑的典型应用和意义德国德斯兰空气压缩机配件由于无需润滑油的润滑因此大大节省了润滑油的消耗，并且由于空气洁净，无需空气净化设备，节省了空气净化时所消耗的电能与热能，仅以节省的润滑油为例，一台无油润滑高压循环机每年可节省润滑油3600kg。在当今能源越来越紧缺的时代，具有很大的现实意义及发展前景。（3）结构相对简单无油润滑空气压缩机配件系统取消了注油器、油分离器等设备。其大大降低了系统的阻力，有利于增加产量，而且还减少了注油器与油分离器的检修工作量和检修费用，减少检修时的停工损失，从而增加了机器的工作效率，为工厂带来更多的经济效益。（4）总投资费用低采用传统的有油空气压缩机配件，必须附带昂贵的气体净化设备，且日常维护费用也很高。采用无油空气压缩技术，被压缩空气基本不与润滑油接触，气体的净化处理相对要简单很多，尽管无油空气压缩机的市场售价高于有油空压机，但在需要洁净气体的场合，选用无油空气压缩机的设备总投入较低。并且理想的无油润滑空气压缩机由于密封效果好，摩擦件摩擦因数小，因而便用寿命长，减少了非生产检修时间。因此，无油润滑空气压缩机比有油润滑空气压缩机的效益高。采用空气悬浮轴承，不需要复杂的转速齿轮及油性轴承，达到了无油润滑的技术要求，也省却了循环油泵等辅助系统，提高了设备的可靠性，减少了设备维护工作量。小机型采用空气自冷技术，配有电机散热翼翅。1.3曝气风机的概述单级空气悬浮离心鼓风机是一种新型的单级高速离心鼓风机，采用高速直联电动机和空气悬浮轴承两大核心技术，具备磁悬浮单级离心鼓风机所具备的无齿轮增速装置、无机械接触、无润滑系统、变频调速调节风量、低噪声、无振动和维护费用低等特点，所不同的是非接触轴承采用空气悬浮轴承。空气悬浮轴承主要包括径向轴承及止推轴承等部件，起动前回转轴承和轴之间有接触，起动时回转轴和轴承相对运动，形成流体动力场，在径向轴承内此气体动力形成浮力，导致轴与轴承不同心。轴回转时在径向轴承里形成流体压力场，使轴承处于悬浮状态，而无接触。单级空气悬浮离心鼓风机叶轮采用三维流动理论设计，采用SVS钛合金材料，抗变形能力强，选择最佳效率角度设计，效率高达88%。采用空气自冷却技术，空气流道设计合理，配有电动机散热翼翅，200马力（1马力=735.499W）以上大机型设有冷媒内循环系统，无需另设冷却风扇或补充水，可确保鼓风机在炎热的夏季仍保持可靠的工作性能。由于采用高速直联电机、高效叶轮设计及空气悬浮轴承技术，节能性能较好，与罗茨风机相比可节能25%～35%，与传统多级离心鼓风机相比可节能15%～20%，与传统单级高速离心鼓风机相比可节能10%～15%[4]。空气悬浮单级离心鼓风机在国内污水处理行业也有应用实例。中国石化洛阳分公司对化纤污水处理装置进行改造，采用空气悬浮单级离心鼓风机替换传统单级高速离心鼓风机，使装置效率由原来低于40%提高到68%以上，年节电72.7万kW·h，节约电费40.7万元[5]。芜湖市三山区滨江污水处理厂采用3台空气悬浮单级离心鼓风机，能耗较单级高速离心鼓风机节省约12%，较罗茨风机节省31%[6]。空气悬浮鼓风机被广泛应用于化工及水泥等原粉材料的传送、排水/污水处理厂的空气供给、发电站脱硫工艺的氧气供给、农畜牧产业粪便处理厂、鱼塘增氧曝气等行业，特别适用于大型污水处理厂使用。1.4国内外研究应用现状在二级污水处理工艺系统中，鼓风机是曝气流程系统的重要设备，鼓风机的效率是最重要的技术经济指标，其电耗占污水处理厂全部电耗的50%~60%，也是最大的噪声源，因此，在曝气系统中，鼓风机的运行要根据污水处理量或溶解氧浓度的变化，要求运行中的鼓风机在恒定压力条件下自动调节所需的风量，而且要求流量调节范围广，调节效率高，以保证系统经济运行。目前，在国外的污水处理系统中，罗茨鼓风机由于存在容量小、效率低、噪声大、供气不均匀、运行维护费用高等问题，已经被淘汰。20世纪80年代以来，由低速多级离心鼓风机取代，其具有噪声低、运行平稳、供气均匀、效率较高等优点，但依然存在体积大、质量重、流量调节性能差、效率不高、能耗大、维护不方便等缺陷。进入20世纪90年代，随着“三元流动理论”在离心式压缩机和鼓风机设计上的应用，设计制造了曝气用的单级、高速离心式鼓风机，由于它具有体积小、重量轻、效率高、节约能源、性能调节范围广泛，自动化水平高等特点，国外已取代了多级、低速离心式鼓风机，并得到广泛应用。当前，国外一些著名的风机制造厂家，如美国的英格索兰、德国的德马克、瑞士的苏尔寿、日本的川崎重工等公司，在设计理论上，采用当代国际先进的三元流动设计理论，随着科技进步的飞速发展，并将在航天领域的磁力轴承技术，应用在离心式压缩机和鼓风机产品上，采用电子控制系统对磁力装置进行监控，提高了机组运行可靠性，其转速高达80000rpm，功率高达3000~4000kW。齿轮增速组装型曝气离心鼓风机是20世纪90年代发展起来的产品，当今，在日本等国家制造了具有磁力轴承的高速电机驱动的曝气单级离心式鼓风机，这种鼓风机无齿轮增速机，叶轮直接安装在电机轴上，转速高达50000rpm，无润滑油和冷却水系统，低噪声，已经投入市场，这是今后的发展方向之一。在目前，国内外市场齿轮增速组装型曝气离心鼓风机还是主流产品。在大中型污水处理厂中，为了保证曝气池内一定的溶解氧水平，有70%~80%能量消耗在充氧系统中，为了节约能耗，加速了污水处理调节自动化的发展，实现了曝气系统的自动控制。在国外，随着污水处理厂的大型化，作为污水处理用的曝气鼓风机有向大容量发展趋势，瑞士苏尔寿公司制造的V112型双级离心式鼓风机，每级都设有进口可调导叶，调节范围为额定流量的35%~107%，其流量1800m3/min，排气压力0.155MPa（绝），功率2250kW，多变效率82%。为适应欧美国家需要，该公司的轴流式鼓风机有VAS63、VAS71、VAS80、VAS90共4个机号，流量范围1800~6000m3/min，压缩比可达2，级数5~15。美国英格索兰公司的X-FL0混流式鼓风机，流量范围：20~1600m3/min，压力范围：0.04~0.27MPa，该机采用整体齿轮增速结构，进口处安装可调导叶，高效率机壳，采用混流式叶轮使得整机效率高，根据需要，叶轮也可选用离心式适应高压力需要。日本川崎重工株式会社的单级、高速离心式鼓风机为齿轮增速单级结构，进口安装可调导叶，故在低负荷条件下保持较高效率运行，流量范围：30~1600m3/min，最高压力范围：0.11~0.15MPa，效率高达83%~85%，叶轮为混流式，GM型产品系列共有9个机号。对于深池曝气、高浓度氧曝气鼓风机有MGM型齿轮增速组装离心压缩机，流量范围：62~920m3/min，压力范围：0.2~1MPa。德国德马克公司，有SEZ、KG两个系列的单级、高速离心式鼓风机，流量范围10~2500m3/min，最高压力可达0.29MPa。目前在我国为污水处理提供的鼓风机多是已被国外用单级、高速离心式鼓风机取代的罗茨鼓风机和低速多级离心鼓风机，而单级、高速离心式鼓风机只有沈阳鼓风机厂、杭州制氧机厂、陕西鼓风机厂、江苏金通灵风机和重庆通用工业集团制造。1995年4月，沈阳鼓风机厂与日本川崎重工作为独家合作伙伴，合作生产齿轮增速组装GM型单级、高速曝气离心式鼓风机，现已生产了150多台，国内用户多达50多家，该产品也远销美国。该机系列产品共有8个机号，流量范围50~1400m3/min，最高压力：0.196MPa，其级效率可达82%，鼓风机进口安装自动调节导叶，流量调节范围广，是高效节能产品，已应用到5~50万吨/日的污水处理厂中[7]。1.5本文研究的主要内容及实施方案本次设计研究的主要内容有以下几点：（1）曝气风机的工作原理，气动设计与结构设计；（2）曝气风机的叶轮流道一维气动设计，电机散热结构设计；（3）设计该型号曝气风机的整机结构，并绘制三维模型图以及核心部件的加工制造二维CAD图，包括主轴、叶轮、密封、空气动压径向/止推箔片轴承（选型）、电机等。以下是具体的研究流程框图：图1-2曝气风机设计流程图1.6本章小结本章首先介绍了空气悬浮离心鼓风机的优点以及它在污水处理厂的应用，说明了设计空气悬浮鼓风机的重要性；然后介绍了空气悬浮鼓风机的基本结构，接着展开了国内外开展的空气悬浮鼓风机的研究现状及其在各方面的应用；最后说明了本文要进行的工作以及具体实施方案。

第二章流道气动计算、电机设计与轴承选型2.1离心压缩机的设计压缩机气动参数计算的目的是根据给定的原始数据，经过选择和计算，确定压缩机的性能参数及各主要结构参数。一般计算给定的参数有：气体的流量m（或Q）、压强比ε、环境压强p0及温度T0等。计算确定的性能参数有：各组件进出口的气动参数，包括压强、温度、速度、马赫数、效率，以及整个压缩机的效率和功率。计算选择的结构参数有：叶轮进出口的直径、叶片角、叶片数；扩压器的内径、叶片数及叶片角；集气管的外形及各截面面积[8]。现设计一台离心式压缩机，采用轴向进气装置、半开式叶轮、径向直叶片、无叶扩压器，可以装置单出口蜗壳。按下面的步骤进行计算。2.1.1原始数据（1）空气流量m：0.5m3/s（约25m3/min）（2）压强比ε：1.7（3）环境压强p0：101325Pa（4）环境温度T0：293K（5）环境密度ρ0：1.205kg/m3（6）空气气体常数R：287J/(kg·k)（7）空气绝热指数k：1.4（8）转速n：40000rpm（9）预期效率：μad=75%2.1.2进气道参数（1）叶轮对气体所做的绝热压缩功48181.13J/kg（2-SEQ2-\*ARABIC1）（2）叶轮出口的圆周速度 262.36m/s（2-SEQ2-\*ARABIC2）式中，取ψth=0.7。（3）取进气道口的速度（范围50~150m/s）80m/s（2-SEQ2-\*ARABIC3）（4）进气道内空气降温3.19K（2-SEQ2-\*ARABIC4）（5）进气道出口温度289.81K（2-SEQ2-\*ARABIC5）（6）取进气道出口多变指数（范围1.37～1.39）1.39（2-SEQ2-\*ARABIC6）（7）进气道出口空气压强97452.98Pa（2-SEQ2-\*ARABIC7）（8）进气道出口空气密度1.17kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC8）（9）进气道出口面积53.57cm2（2-SEQ2-\*ARABIC9）2.1.3压缩机叶轮参数（1）取叶轮外径125mm（2-SEQ2-\*ARABIC10）（2）叶轮出口圆周速度261.80m/s（2-SEQ2-\*ARABIC11）（3）叶轮出口圆周速度误差0.21%（2-SEQ2-\*ARABIC12）在误差允许范围（2%）内。（4）取叶轮进出口直径（范围0.5~0.7）0.7（2-SEQ2-\*ARABIC13）（5）导风轮进口外径87.5mm（2-SEQ2-\*ARABIC14）（6）导风轮进口内径28.91mm（取整30mm）（2-SEQ2-\*ARABIC15）（7）导风轮进口平均值直径65.16mm（2-SEQ2-\*ARABIC16）（8）导风轮进口外径处的圆周速度183.26m/s（2-SEQ2-\*ARABIC17）（9）导风轮进口处的圆周速度136.48m/s（2-SEQ2-\*ARABIC18）（10）导风轮进口处的圆周速度60.56m/s（2-SEQ2-\*ARABIC19）（11）取导风轮叶片数（范围17~37）18（2-SEQ2-\*ARABIC20）（12）取导风轮进口的阻塞系数（范围0.85~0.95）0.85（2-SEQ2-\*ARABIC21）（13）导风轮进口轴向速度0.85（2-SEQ2-\*ARABIC22）（4）导风轮进口相对速度206.02m/s（2-SEQ2-\*ARABIC23）（15）导风轮进口马赫数0.60（2-SEQ2-\*ARABIC24）校核<0.9满足条件，如果>0.9，则需要重新调整参数、重新计算。（16）导风轮进口处的气流角27.18°（2-SEQ2-\*ARABIC25）（17）导风轮进口处的气流角34.59°（2-SEQ2-\*ARABIC26）（18）导风轮进口处的气流角57.24°（2-SEQ2-\*ARABIC27）（19）取冲角（范围2~8°）2°（2-SEQ2-\*ARABIC28）（20）导风轮进口处叶片角36.59°（2-SEQ2-\*ARABIC29）（21）取工作轮叶片数18（2-SEQ2-\*ARABIC30）（22）滑移系数0.81（2-SEQ2-\*ARABIC31）（23）工作轮出口气流圆周向分速213.17m/s（2-SEQ2-\*ARABIC32）（24）取工作轮出口气流径向分速94.12m/s（2-SEQ2-\*ARABIC33）取64.82°。（25）工作轮出口气流流速233.02m/s（2-SEQ2-\*ARABIC34）（26）工作轮出口气流角23.82°（2-SEQ2-\*ARABIC35）（27）取工作轮出口气流角（径向直叶片时）90°（2-SEQ2-\*ARABIC36）（28）取工作轮出口叶片厚度1.6mm（2-SEQ2-\*ARABIC37）（29）工作轮出口阻塞系数0.92（2-SEQ2-\*ARABIC38）（30）预估工作轮出口气流密度1.5kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC39）（31）叶轮出口宽度9.87mm（2-SEQ2-\*ARABIC40）（32）取轮组损失系数（范围0.025~0.07）0.07（2-SEQ2-\*ARABIC41）（33）叶轮出口气温325.14K（2-SEQ2-\*ARABIC42）（34）取叶轮多变效率（范围0.805~0.921）0.92（2-SEQ2-\*ARABIC43）（35）多变指数项3.22（2-SEQ2-\*ARABIC44）（36）多变指数1.45（2-SEQ2-\*ARABIC45）（37）叶轮出口气体压强141136.88Pa（2-SEQ2-\*ARABIC46）（38）叶轮出口气体密度1.51kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC47）（39）气体密度误差0.83%（2-SEQ2-\*ARABIC48）<2%，在允许误差范围内。（40）叶轮出口马赫数0.64（2-SEQ2-\*ARABIC49）<1，故认可计算结果。2.1.4无叶扩压器段参数（1）无叶扩压器宽度9.87mm（2-SEQ2-\*ARABIC50）（2）入口气流周向分速213.17m/s（2-SEQ2-\*ARABIC51）（3）入口气流径向分速86.40m/s（2-SEQ2-\*ARABIC52）（4）入口气流角22.06°（2-SEQ2-\*ARABIC53）（5）入口气流速度230.01m/s（2-SEQ2-\*ARABIC54）（6）入口气流温度325.83K（2-SEQ2-\*ARABIC55）（7）入口气流压强142193.69Pa（2-SEQ2-\*ARABIC56）（8）入口气流密度1.52kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC57）（9）取出口直径比（范围1.08~1.18）1.16（2-SEQ2-\*ARABIC58）（10）出口直径145mm（2-SEQ2-\*ARABIC59）（11）预估出口密度1.57kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC60）（12）出口气流速度192.45m/s（2-SEQ2-\*ARABIC61）（13）出口气流温度333.73K（2-SEQ2-\*ARABIC62）（14）马赫数0.53（2-SEQ2-\*ARABIC63）<0.95，故认可计算结果。（15）取多变效率（范围0.6~0.8）0.75（2-SEQ2-\*ARABIC64）（16）多变指数项2.63（2-SEQ2-\*ARABIC65）（17）出口空气压强152270.30Pa（2-SEQ2-\*ARABIC66）（18）出口空气密度1.59kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC67）（19）密度误差1.26%（2-SEQ2-\*ARABIC68）<2%,在误差允许范围内。（20）出口宽度9.87mm（2-SEQ2-\*ARABIC69）（21）出口径向分速70.27m/s（2-SEQ2-\*ARABIC70）（22）出口周向分速179.16m/s（2-SEQ2-\*ARABIC71）（23）出口气流角21.42°（2-SEQ2-\*ARABIC72）（24）长度10mm（2-SEQ2-\*ARABIC73）2.1.5蜗壳参数（1）取蜗壳出口气流速度45m/s（2-SEQ2-\*ARABIC74）（2）出口空气温度351.16K（2-SEQ2-\*ARABIC75）（3）多变效率（范围0.5~0.65）0.65（2-SEQ2-\*ARABIC76）（4）多变指数项2.28（2-SEQ2-\*ARABIC77）（5）出口压强170964.81Pa（2-SEQ2-\*ARABIC78）（6）蜗壳出口密度1.70kg/m3（2-SEQ2-\*ARABIC79）（7）出口滞止温度352.17K（2-SEQ2-\*ARABIC80）（8）出口滞止压强172688.55Pa（2-SEQ2-\*ARABIC81）2.1.6压缩机参数校核（1）压比1.69（2-SEQ2-\*ARABIC82）（2）压比误差0.75%（2-SEQ2-\*ARABIC83）（3）滞止压强比1.70（2-SEQ2-\*ARABIC84）（4）等熵压缩功1.70（2-SEQ2-\*ARABIC85）（5）等熵压缩功误差1.55%（2-SEQ2-\*ARABIC86）<2%，在误差允许范围内。（6）压强系数0.69（2-SEQ2-\*ARABIC87）（7）绝热效率0.78（2-SEQ2-\*ARABIC88）（8）功率30.43kW（2-SEQ2-\*ARABIC89）2.2轴流风机的设计本文采用混合设计法设计轴流风机，该方法兼有孤立叶形法和叶栅法的设计思想。实践证明，该设计方法简单，迭代计算修正过程便于应用计算机程序来完成，而且计算结果具有较高的精度，可以满足本次设计的需要[9]。2.2.1原始数据：（1）空气流量Q：0.033m3/s（约2m3/min）（2）风机全压Δp：800Pa（3）转速n：40000rpm（4）空气密度ρ：1.205kg/m3（5）风机全压效率η：0.95（6）传动效率ηm：0.952.2.2主要结构参数的设计计算：采用第一种孤立叶型设计法计算该轴流风机的主要结构参数（1）计算轴功率29.55W（2-SEQ2-\*ARABIC90）（2）计算比转速ns48.55（2-SEQ2-\*ARABIC91）（3）确定叶轮外径Dt2.62（2-SEQ2-\*ARABIC92）45.55mm（2-SEQ2-\*ARABIC93）取整46mm。（4）当35<ns<80时，利用经验公式计算轮毂比v0.35（2-SEQ2-\*ARABIC94）（5）求轮毂直径15.90mm（2-SEQ2-\*ARABIC95）取整16mm。（6）计算轮缘速度96.34m/s（2-SEQ2-\*ARABIC96）（7）计算压力系数96.34m/s（2-SEQ2-\*ARABIC97）（8）计算轴向速度22.82m/s（2-SEQ2-\*ARABIC98）2.2.3叶型参数的设计计算：采用第一种叶栅设计法进行叶型参数的设计。根据CFturbo软件选取5个截面，直径分别为：16mm、23.5mm、30.9mm、38.4mm、45.8mm。先计算第一个截面D1=16m时的参数：（1）计算各截面的圆周速度33.51m/s（2-SEQ2-\*ARABIC99）（2）采用等环量设计法计算各截面的扭速20.85m/s（2-SEQ2-\*ARABIC100）（3）计算叶轮出口旋绕速度因为，所以对于该轴流风机叶轮，当无前导叶时，则有20.85m/s（2-SEQ2-\*ARABIC101）（4）计算进、出口气流角基元级进、出口三角形中气流角、和的余角分别用、和表示，则55.75°（2-SEQ2-\*ARABIC102）29.01°（2-SEQ2-\*ARABIC103）由于实际气流流经叶栅时有落后角，因此需要对θ2按下式进行修正：25.42°（2-SEQ2-\*ARABIC104）44.18°（2-SEQ2-\*ARABIC105）则进口气流角表示为34.25°（2-SEQ2-\*ARABIC106）出口气流角表示为64.58°（2-SEQ2-\*ARABIC107）平均气流角表示为45.82°（2-SEQ2-\*ARABIC108）（5）求负载系数1.42（2-SEQ2-\*ARABIC109）（6）根据轮毂比确定叶片数z6（2-SEQ2-\*ARABIC110）（7）确定升力系数Cy叶片的升力系数Cy值从叶根到叶尖逐渐减小，并按某种规律变化。一般在设计时，限定叶根处Cy≤1.2，页顶处Cy≤0.7~0.5，最大不超过0.75。故取升力系数Cy分别为1、0.9、0.8、0.775和0.7。（8）计算栅距t8.4mm（2-SEQ2-\*ARABIC111）（9）计算弦长b11.9mm（2-SEQ2-\*ARABIC112）基于叶片受力和强度方面的考虑，叶片的形状通常近似设计成根部宽、顶部窄的梯形。需要说明的是，由于Cy和b之间具有一定的约束关系。因此，在设计过程中，可以在限定的范围内先给定各个计算截面的Cy值，然后计算出相应的b值，在根据需要的叶片形状对其修正。其他截面的计算方法同截面D1，计算步骤重复15~23即可。计算结果见下表：表2-1轴流风机计算参数截面12345单位D1623.530.938.445.8mmu33.5149.2164.7180.4295.92m/sΔCu20.8514.1910.798.687.28m/sC2u20.8514.1910.798.687.28m/sθ155.7465.1270.5774.1576.61°θ229.0156.9167.0672.3575.56°θ2'25.4155.9666.6972.1775.46°θm'44.1861.1968.8073.2276.06°β134.2524.8719.4215.8413.38°β264.5834.0323.3017.8214.53°βm45.8128.8021.1916.7713.93°Cyτ1.420.650.370.230.16Cy70.7t8.3712.3016.1720.1023.98mmb11.938.917.526.195.72mmC0.090.08%C21.060.820.610.51mm（10）验算效率把截面D3的效率近似作为整个叶片的效率进行验算，具体计算如下：系数0.059（2-SEQ2-\*ARABIC113）平均相对速度63.55m/s（2-SEQ2-\*ARABIC114）式中u为基元级的圆周速度，m/s；计算叶栅效率0.95（2-SEQ2-\*ARABIC115）式中ε在1°~4°范围内选取，本此设计取2°。由上式解出，并与初始假设的效率η进行比较：若满足，则将近似作为整个叶片效率，再进行其他参数的计算；否则，重新假设叶片效率为，继续进行迭代计算，直至相邻两次的效率之差满足为止。（11）确定叶型相对厚度通常用表示叶型相对厚度。基于强度方面的考虑，为了改善叶根处的受力情况，提高叶根的强度，设计时在靠近叶片根部截面选用较大的相对厚度，如取10%~12%，而在靠近叶尖的截面选用较小的相对厚度，如取7%~10%，中间截面的相对厚度可根据半径的变化按某种变化规律取值。本次设计从叶根到叶顶相对厚度依次为12%、11%、10%、9%和8%，取叶根处的D1截面叶型厚度=2mm，根据依次计算其他各截面的相对厚度，并将计算结果填入表1。（12）叶片造型通常选择关于中心线对称的原始叶型，然后将原始叶型沿中线进行弯折得到实际的叶型。为了便于加工制造，叶型中心线又多采用单圆弧形。与叶型相对厚度类似，这里用表示叶型中心线的最大相对弯度，其中的弦长b为原始叶型弯折以后的叶型弦长，而不是原始叶型的中线长度。叶型最大相对弯度（2-SEQ2-\*ARABIC116）式中角度和均需要单位度（°）带入。经计算，本设计叶型的最大相对弯度在叶根处79.77mm（13）叶型安装角52.8°（2-SEQ2-\*ARABIC117）有了各个栅面的安装角，就可以知道各个截面之间的的相对扭转角。中间截面完成后再进行其他截面的计算。2.330kw永磁无刷直流电机的主要尺寸计算本文选用一台内转子式三相无刷直流电动机，绕组为星形接法。利用粘性阻尼系数计算无刷直流电动机主要尺寸[10]。2.3.1原始数据：（1）额定电压U：380V（2）额定转速nN：40000r/min（3）额定转矩T：7N∙m2.3.2设计主要计算过程：（1）取电磁转矩8.4N∙m（2-SEQ2-\*ARABIC118）考虑电感的影响，设额定转速nN时，取2.5（2-SEQ2-\*ARABIC119）计算不计电感时的电磁转矩21N∙m（2-SEQ2-\*ARABIC120）（2）设电磁效率=0.92，计算空载转速43478.26rpm（2-SEQ2-\*ARABIC121）取整43480rpm。（3）计算预期的粘性阻尼系数D0.057N∙m/rad∙s-1（2-SEQ2-\*ARABIC122）（4）设计定子冲片和转子结构取槽数Z=24，极数2p=2，q=1/2。取定子外径为Dt=15cm，内径Da=6.2cm。计算定子裂比0.41（2-SEQ2-\*ARABIC123）取每槽面积，气缝。转子采用铁氧体永磁材料，Br=0.42T，，永磁体径向厚度。（5）计算气隙磁通密度幅值Bm0.2T（2-SEQ2-\*ARABIC124）其中，漏磁系数1.0027（2-SEQ2-\*ARABIC125）（6）计算定子铁心长度L需要几次试算，求得L=90mm。计算过程：设L=90mm，估算绕组元件平均长系数,取槽满率。对于的磁片表贴式电机，每相反电动势可按平顶波计算，所以有，，；而两相合成的反电动势按正弦波计算，并假定合成反电动势基波幅值就等于合成反电动势幅值，由参考书第4章表4-3查得（2-SEQ2-\*ARABIC126）计算系数0.61（2-SEQ2-\*ARABIC127）利用粘性阻尼系数D计算定子铁心长度L91.07mm（2-SEQ2-\*ARABIC128）取定子铁心长度L=90mm。（7）计算电机反电动势系数0.083（2-SEQ2-\*ARABIC129）（8）计算绕组数据一相绕组反电动势系数表示为0.044（2-SEQ2-\*ARABIC130）电机反电动势系数（2-SEQ2-\*ARABIC131）对于线反电动势设为正弦波，由参考书籍表4-3查得29.55W（2-SEQ2-\*ARABIC132）（2-SEQ2-\*ARABIC133）计算一相绕组串联匝数38.97匝（2-SEQ2-\*ARABIC134）取整40匝。每相串联线圈数是Z/3=8，每个线圈匝数N=W/4=10。取漆包线mm，计算并联股数a112.12（2-SEQ2-\*ARABIC135）取整a=110。核算槽满率0.58（2-SEQ2-\*ARABIC136）1.94%（2-SEQ2-\*ARABIC137）校核<2%，在误差范围内。（9）计算绕组电阻查mm漆包线电阻率为，计算两相绕组电阻2.27Ω（2-SEQ2-\*ARABIC138）（10）计算堵转电流167.45A（2-SEQ2-\*ARABIC139）计算不计电感、40000r/min时的电流13.40A（2-SEQ2-\*ARABIC140）（11）不计电感时的平均电磁转矩1.12N∙m（2-SEQ2-\*ARABIC141）（12）计算计及电感、40000r/min时的平均电磁转矩0.45N∙m（2-SEQ2-\*ARABIC142）（13）计算电机功率P29.32kW（2-SEQ2-\*ARABIC143）2.4空气悬浮轴承与止推轴承的选型空气动压箔片轴承是由一层或多层波纹状波箔和顶箔组成的具有良好柔性表面的动压气浮轴承，依靠轴与轴承表面相对运动，挤压一定粘性的气体形成压力润滑气膜达到支承和润滑的作用。这种轴承无油润滑系统，能量损耗低，效率高。空气箔片动压轴承动压原理如图2-1所示，当两个相对运动的表面存在一个楔形空间时，相互运动的表面不断地带动气体进入楔形槽内，使得楔形槽内形成具有一定压力的动压气膜，当气膜压力足够大以至于能够支承起负载时，转轴被浮起摩擦力消失。在空气箔片动压径向轴承中，轴与轴承存在一定的偏心形成一个楔形结构，随着转轴转速的不断提高，楔形空间中的气膜压力不断增大，气体动压润滑膜形成。经过几十年的发展，空气箔片动压轴承结构形式不断地改进，形成了结构各异的空气箔片动压轴承，轴承的承载力和工作性能也得到了很大的提高和改善。按照起弹性支承结构的不同形式，目前空气箔片动压径向轴承主要分为以下几种：张紧型、多楔型、缠绕型、波箔型、悬臂型。图2-1空气箔片轴承动压原理示意图（1）张紧型张紧型箔片径向轴承，是最早的一种弹性箔片轴承，由英国ThomsonHouton公司的A.A.Pollock于1928年研制成功[11]，并在1953年首次由Bloek.H和VanRossomJ.J对其进行理论论证和试验研究，1965年Eshel和Elrod又采用完全挠性和一维流动模型再次对张紧型箔片轴承进行静、动特性分析[12]。随后的十多年时间里，人们对其进行了理论分析和结构改进，美国Ampex公司就将其由L.Licht改进的一种新型轴承成功的应用于透平能量转换器，也在Braton循环涡轮发电机和一些高速涡轮机械中使用，最高转速可以达到21.0xl04r/min；但到了70年代后期它就逐渐被其它形式的箔片轴承所取代[13]。（2）多楔型多楔型箔片气体动压轴承是由德国M.Glenicke教授在1979年设计提出的，并借鉴合适的物理模型计算了它的静态参数、刚度和阻尼。这种轴承由厚度较小的柱形弹性衬片和按一定次序排列的肋板组合而成，转动时产生的气膜是动压气膜。（3）缠绕型缠绕型箔片气体动压轴承也是在70年代末期由美国的L.Licht研究提出[14]，它是使用一张连续的箔片缠绕成多成装入轴承座内而成的，最内层是光滑的圆柱形，其它的是准多边形。（4）波箔型波箔型空气箔片动压轴承是当代使用和研究最多的动压气体箔片轴承，它结构简单，由一层或多层波纹状波箔和顶箔组成。波箔型空气箔片动压轴承具有承载能力大、稳定性高、寿命长、较好的耐冲击性、高速和高温性能稳定等优点[15]，在实际中得到了较为广泛的应用。根据波箔型空气箔片动压轴承底层弹性结构的不同，可将波箔型空气箔片轴承划分为以下三代[16-18]：1）第一代波箔型空气箔片动压径向轴承第一代波箔型空气箔片径向轴承是20世纪60年代末由美国MTI公司在美国能源部和美国航空航天局的共同资助下开发完成的。轴承由一层波箔和一层顶箔构成，波箔和顶箔的一端通过焊接或者其他方式固定在轴承壳上，另一端处于自由状态，其结构如图2-2所示。图2-2第一代波箔型空气箔片动压径向轴承2）第二代波箔型空气箔片动压径向轴承1981年Bhushan和Gray等人[19]对第一代波箔型空气箔片动压径向轴承进行了结构上的改进，将原来的整条波箔片沿周向或轴向分割成多条宽度不同的细条波箔片，相邻箔带上的波纹相互交错分布，单条箔带上的波纹布置更加灵活，其结构示意图如图2-3所示。第二代波箔型空气箔片动压径向轴承提供了一种更自由的波纹分布形式，使得轴承的刚度能够根据需要灵活调整，承载力和稳定性都有较大幅度提高。图2-3第二代波箔型空气箔片动压径向轴承3）第三代波箔型空气箔片动压径向轴承第三代波箔型空气箔片动压径向轴承具有更复杂的弹性结构分布形式，在弹性结构的形状和数量较传统波箔型空气箔片轴承都发生了明显的变化，通常第三代波箔型空气箔片动压径向轴承具有增加波箔支承点以减小顶箔的下陷和刚度根据挠度可变的两个重要特征。1999年Heshmat提出了一种新型的波箔型空气箔片动压径向轴承[20]如图2-4（a）所示，顶箔和波箔之间额外添加了一块多孔箔带，这种布置能够防止顶箔的下陷和气体润滑膜的泄露。图2-4（b）为Kang和Sacille等人[21]提出的另一种第三代波箔型空气箔片动压径向轴承，这种轴承有两块具有不同波纹数量和不同刚度的波箔，低负载时刚度较软的波箔起主要支承作用，在较高负载较高转速时较硬的波箔能够提供更大的刚度。这种刚度可变的结构不仅能够更好的适应负载的变化，同时对轴承运行过程中的气膜有较好的稳定性。图2-4第三代波箔型空气箔片动压径向轴承（5）悬臂型20世纪60年代末为了解决航空航天技术发展过程中遇到的轴承在高转速下使用寿命减小和稳定性较低的问题，在美国空军（USAF）与美国航空航天局（NASA）支持下成功开发出悬臂型空气箔片轴承，并将其成功应用到波音系列民航客机，F系列战斗机，麦道DC-10，A300B、A-7E歼击机等飞机的座舱空气循环系统中。悬臂型空气箔片轴承表面由若干个叶型箔片组成，因此又叫叶型空气箔片轴承，这些箔片沿轴承座内壁依次均匀叠加排列，叶型箔片一端刚性的固定在轴承壳内壁的凹槽内，另一端与相邻箔片自由的叠加在一起。轴承的内径可以通过调整叶型箔片的厚度和箔片数量来控制。悬臂型空气箔片轴承是目前应用最为成功的空气箔片轴承之一。经过比较，在本文的设计中，我们选取第二代波箔型空气箔片动压径向轴承作为曝气风机的主轴轴承。2.5本章小结本章主要进行了离心压缩机和轴流风机的流道气动计算，接着根据计算出来的功率对永磁无刷直流电机进行了简单的结构设计；最后详细介绍了空气悬浮轴承的发展历程与主要类型，并根据前边计算出来的叶轮与电机的轴径对空气悬浮轴承与止推轴承进行选型。

第三章基于CFturbo软件的气动设计与叶片造型3.1CFturbo软件概述CFturbo是CFturbosoftware&EngnieeringGMBH公司的产品。该公司是一家德国专业的旋转机械设计软件/咨询公司，总部位于德国的德累斯顿市，公司在旋转机械设计领域已有超过15年的历史，通过大量的工程实践积累了非常丰富的设计经验。涉及领域包括压缩机在内的旋转机械的CFD仿真，FEM仿真，模型设计及优化，并且在旋转机械设计工具中集成了大量的内置经验函数，在推向市场之后，很快就被相关行业的设计人员接受和认可。目前CFturbo在旋转机械设计软件开发上坚持走面向旋转机械行业用户的专业化道路，在软件面世不久便迅速打开市场。目前Grundfos（格兰富），AbelPump，Hoover等行业领先用户都是CFturbo的正式客户。在国内，西安113厂、北京昌宁集团、江苏大学、北京工业大学、西华大学、北京石油化工学院、山东双轮集团等单位均是CFturbo的正式用户。CFturbo是专业的叶轮及蜗壳设计软件，该软件结合了成熟的旋转机械理论与丰富的实践经验，基于设计方程与经验函数开展设计，并且能够根据用户积累的专业技术和设计准则来定制特征函数。作为一个便捷高效的工程设计软件，CFturbo广泛应用于离心泵、混流泵、离心风机、混流风机、压缩机、涡轮等旋转机械的设计，只需要给出流量、压差、转速等性能需求，就可以自动生成叶轮及蜗壳造型。CFturbo具备与多种CAD与CAE软件的直接接口，从而确保CFturbo设计生成的几何造型能够便捷地导入各种软件进行模型修改、性能校核、优化设计、性能分析等相关工作。除了IGES，STEP，DXF以及ASCII文本等中间格式外，CFturbo还具备与多种CAD/CAE/CFD大型软件的直接接口。例如，CFturbo与专业的泵、阀仿真软件PumpLinx即可实现完美集成，从而深层次发挥各自的效能。3.2利用CFturbo设计离心压缩机叶轮根据第二章的设计计算结果，利用CFturbo软件校核前一章计算结果，并设计三维模型，为后两章的气动仿真与三维结构绘制做准备。主要步骤如下：（1）输入初始设计参数，生成叶轮主要性能参数。图3-1离心压缩机全局设计（2）根据计算数据，设计子午面流道。图3-2离心压缩机叶轮主要尺寸下表是计算出的中间子午面各项参数：表3-1Cfturbo计算的离心式叶轮各项参数英文项目中文符号数据单位Meridionalflowcoefficient子午面流量系数ψm0.329Flowcoefficient流量系数ψt0.130Workcoefficient工作系数ψ1.407Diametercoefficient直径系数δ3.025Outlethubdiameter出口轮毂直径dH2125mmOutlettipdiameter出口端直径dS2125mmPeripheralspeedatoutlet出口气流圆周速度u2261.8m/sInletdensity进口气体密度ρS1.1637kg/m3Inletpressure进口气体压力pS96620PaInlettemperature进口气体温度TS289.19KInletmer.velocity进口气流子午速度cmS89.2m/sInletcirc.velocity进口气流圆周速度cuS0m/sInletrel.velocityatdS进口气流相对速度wS197.2m/sInletperipheralspeedatdS进口气流在dS处的牵连速度uS175.9m/sInletMachnumber(cS)进口马赫数McS0.26EyeMachnumber(wS)喉道马赫数MwS0.58Inletrel.flowangle进口绝对气流角βS36.753Tangentialforcecoefficient切向力系数ct4.817Outletwidthratio出口宽度比b2/d20.080Reaction反动度r0.58Diameterratio直径比dS/d20.67Outletdendity出口气体密度ρ21.4833kg/m3续表3-1英文项目中文符号数据单位Outletpressure出口气体压力p21.391E5PaOutlettotalpressure出口气体总压力pt21.7225E5PaOutlettemperature出口气体温度T2326.62KOutlettotaltemperature出口气体总温度Tt2347.2KOutletmer.velocity出口气流子午速度cm286.1m/sOutletcirc.velocity出口气流圆周速度cu2184.2m/sOutletrel.velocity出口气流相对速度w2115.9m/sOutletperipheralspeed出口气流牵连速度u2261.8m/sOutletMachnumber(c2)出口马赫数Mc20.56MachineMachnumbure(u2)机械马赫数Mu20.76（3）根据计算数据，设计叶片各项参数，如叶片数量、安装角、速度三角形等。图3-3叶片性能参数（4）设计叶片前缘与尾缘，通过主视图观察叶轮设计是否合理。图3-4叶轮主视图（5）生成叶轮三维图。图3-5叶轮三维结构至此，完成了CFturbo设计的离心压缩机叶轮结构。3.3本章小结本章首先概述了Cfturbo这款叶轮设计软件，然后详细介绍了如何将自己设计计算的离心压缩机与CFturbo软件结合起来，并将第二章中计算出来的离心压缩机各项参数输入到软件中，检查设计的准确性。

第四章基于Numeca软件的气动仿真与性能预测4.1Numeca软件介绍NUMECA软件是CFD应用软件中的后起之秀，这个软件的前身是布鲁塞尔自由大学与瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中心(ESA)开发的航天飞行器计算软件“EURANUS”，后来发展为通用性的商业化软件，才开始推向市场。由于它的前身是计算高速流动的专业级软件，从而软件的核心部分一离散格式与解法，以及跟求解密切相关的多层网格等方面的质量很高。该软件的主体部分是在90年代初编制的，这些技术体现了当时CFD的最高水平。NUMECA后来重点发展其叶轮机械流动计算模块，由于其高速流动计算的性能很强，从而对于包含跨、超音速区的高速压缩机、汽轮机等的模拟具有明显优势。网格生成器包括IGG和AUTOGRID，其中IGG可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技术和模板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。AUTOGRID可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流、混流、离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片等）的I形，H形和HOH形网格。该软件已经被国际工业部门认为是目前用于叶轮机械速度最快、最方便及网格质量最好的网格生成软件[20]。4.2离心压缩机叶轮的气动仿真4.2.1叶轮子午流道面气动参数分布图4-1至图4-4分别给出了动叶子午流道内的速度矢量、总压、静压及相对马赫数分布状况，从图中可以看出，叶片进口压力较低，随着气流流进叶片后，在转折段后部的叶根处产生了一个低压区域，以此低压区域为中心，工质的总压沿叶高大致呈现均匀的层状分布状态。在叶轮的进口段静压的分布趋势大致与总压分布相似，静压力的低压区较总压的低压区有所前移，在转折段工质的静压力并没有随低压区向叶片根部呈现均匀的层状分布，而是较大范围的梯度很小的均匀分布状态。子午流道内的相对马赫数分布趋势也呈现层状分布。图4-1子午面流道的速度矢量图图4-2子午面流道的总压分布图图4-3子午面流道的静压分布图图4-4子午面流道的相对马赫数分布图4.2.2流动分析本节将就工作轮部分内部流动进行比较分析。来看吸力面和压力面的静压分布，如图4-5至图4-8所示。从图4-5至图4-8可以看到，静压等值线分布比较理想，没有回流和漩涡的存在，且等压线梯度方向比较理想，等压线分布比较均匀。分流叶片压力面的静压分布相对要均匀，压力梯度更流畅；出口没有明显的涡流区出现。图4-5工作轮主叶片压力面静压分布图4-6工作轮分流叶片压力面静压分布图4-7工作轮主叶片吸力面静压分布图4-8工作轮分流叶片吸力面静压分布4.2.3叶轮B2B截面马赫数分布图4-9至图4-11显示的是叶轮不同叶高处的马赫数分布，在不同叶高处，叶片前沿均出现较大的马赫数集中区域，说明有涡流存在。在10%叶高处，马赫数分布最为不均匀，特别是在吸力面上存在明显的低速区。在50%和90%叶高处，叶轮的进口段吸力面侧没有明显的低速区域，能量损失较小。除进口处马赫数较小以外，流场内部大部分区域的马赫数在0.5以内，随着叶高的上升，流场内的马赫数分布越来越均匀，流动的低速区域越来越小，流动损失也相对较小。图4-9叶轮10%叶高处马赫数分布图4-10叶轮50%叶高处马赫数分布图4-11叶轮90%叶高处马赫数分布4.2.4叶轮B2B截面总压分布图4-12至图4-14是叶轮不同叶高处B2B截面的总压分布图。可以看出，不同叶高处的总压基本相同。图4-12叶轮90%叶高处的总压分布图4-13叶轮50%叶高处的总压分布图4-14叶轮10%叶高处的总压分布4.2.5叶轮B2B截面速度矢量图攻角损失是导致涡轮运行尤其是非工况运行时效率下降的主要原因，由下面不同叶高处的速度分布图可以看出，气流攻角在10%叶高处最大，并随叶高的降低逐渐增加，损失也相对减小；随叶高的降低，不同截面内气流的分布也更加均匀。从图4-15、图4-16、图4-17中可以看出，叶顶和叶根处的叶片长度不同，其中弧线曲率也相应不同，叶片内部的速度分布与其攻角及中弧线曲率关系密切，较小的中弧线曲率有助于叶轮通道内部气流的速度分布更加均匀，减小能量损失。图4-1590%叶高处的矢量图图4-1650%叶高处的矢量图图4-1710%叶高处的矢量图综合图4-15至图4-17进行对比分析发现，在叶片顶部，由于曲率过大，导致气流与叶片分离严重，产生较大的回流区，增大二次流损失，影响气流的分布并降低了叶轮的做功能力；而在叶片的根部，由于曲率过小，导致气流流向叶片的吸力面，降低叶片的做功能力。所以，回流区产生与叶片攻角过大有直接关系，攻角损失是导致涡轮运行尤其是非工况运行时效率下降的主要原因。4.3本章小结本章通过对Numeca中叶轮部分的后处理结果分析，对叶轮内部的流动情况有了大致的了解。得出以下结论：对于离心叶轮，叶轮中弧线曲率、攻角是影响其性能的重要参数。当叶轮中弧线曲率过大时，会在倒流段前部靠近吸力面侧产生回流，降低级性能；而当叶轮中弧线曲率过小流道中又有较大的回流区时，会导致叶片后部气流流向吸力面侧，降低透平的做功能力。

第五章动压气浮曝气风机整机结构设计与三维造型5.1SolidWorks、UG软件三维绘图软件介绍SolidWorks是由美国SolidWorks公司推出的功能强大的三维机械设计软件系统，自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立其市场地位，成为三维机械设计软件的标准。SolidWorks主要有草图绘制、零件设计、装配模块、工程图模块、钣金设计、模具设计、运动仿真等。本次设计主要用到零件设计、装配模块、运动仿真的三个模块。UGNX是美国UnigraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。UGNX10.0是NX系列的最新版本，在原有基础上做了大量的改进。本次设计UG作为三维辅助绘图软件，主要用到曲面命令。5.2离心压缩机叶轮绘制（1）首先从CFturbo软件里输