轴流式通风机课程设计

第一节 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（m/h）、全压p（pa）、工作介质密度（kg/m3）或工作介质温度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＝4426m/h，风机全压p＝261Pa，介质为空气，其进口状态为标准状态（p0为1个大气压，温度为20℃，空气密度1.24kg/m3），设计一广泛应用于一般工厂、仓库、办公室、住宅内的轴流式通风机，要求全压效率不小于80%。 设计目的：要求学生熟练掌握轴流式通风机的基本理论和设计方法，并初步掌握用所学的理论和方法进行轴流式通风机的设计。

设计要求：

（1）满足所需流量和压力的工况点应在最高效率点附近； （2）最高效率值要尽量大些，效率曲线平坦；

（3）通风机结构简单、工艺性好、材料及附件选择方便； （4）有足够的强度、刚度，工作安全可靠； （5）运转稳定、噪声低；

（6）调节性能好，工作适应性强； （7）通风机尺寸尽可能小，重量轻；

（8）操作和维护方便，拆装运输简单易行。

第二节 设计计算的主要内容

设计计算的主要内容为：通风机类型的选择（离心式、轴流式），方案选择与比较，驱动方式选取，计算比转速ns，叶轮设计计算，叶型选型与设计（确定叶轮外径及轮毂直径），计算圆周速度ut及压力系数p，求轴向速度cz，计算扭速cu，计算平均相对速度wm及气流角m，选择叶片数z，选取各截面的升力系数cy及相应的攻角，求叶片宽度b，叶型的安装角A，叶片型线的绘制，集流器、整流罩和扩散筒的设计计算，通风机主要零部件材料选取，主要零部件强度计算与校核，通风机临界转速计算，零部件图和总装配图的绘制。 目前大多数轴流通风机都是采用孤立叶型设计法，这种方法较为简便有效。此处就采用孤立叶型的设计法来设计一般用的轴流式通风机。其设计计算的主要内容有：

一、方案选择与比较

方案类型：叶轮前设置前导叶；叶轮后设置后导叶；单独叶轮级；叶轮前后都设置导叶。 要求：说明选择这种方案的原因与分析。

33根据给定条件，此处可用选用： 单级：电机直接驱动叶轮的方式。

实际通风机具体的结构方案选择问题涉及的因素较多，可根据用户的使用要求及制造厂的生产经验，参照性能良好的已有产品，初步选定方案。

二、选择电动机及转速

风机的转速可根据用户使用要求选取。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轴功率为：

P（1）

Qp826390..01118KW1000360010000.8

所需电机功率为：PdkP(1.2~1.3)0.01180.0134KW~0.0145KW （2）

（k取1.2—1.3）

根据所需要的电动机功率P按PmPd来选取电动机型号，即可选d，结合用户的情况，择合适的电动机及相应的转速。

电机额定转速选择1410，根据单级比转速选择。 如下T30例子

我们可以选择AQ26314和No.3型号的电动机，转速为1410r/min。

三、叶型设计计算

1、计算比转速ns

13nsnQp2414103600141043.283934

（3）

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=2850r/min；依照有关比转速的应用，可大致确定通风机类型及叶片型式。一般轴流式通风机有ns18~90 （100~500）。

2、确定叶轮外径及轮毂直径

由ns查图7－5和图7－6，选取轮毂比及系数Ku，则叶轮外径为： 一般轮毂比的选择范围为：＝0.25~0.75。

图7－5 轮毂比υ与比转速ns的关系 图7－6 比转速ns与系数Ku的关系 由图得Ku=2.62对于标准状态下的空气取：

77.4Kup77.42.4239Dt0.264m

n3.141410轮毂外径为：DhDt(0.25~0.75)0.360.09~0.27m，取ν=0.34，则Dh

=0.12m 。

3、计算圆周速度ut及压力系数p

utDtn603.140.264141019.48m/s

60pp390.083 ut21.2419.482 算出的圆周速度ut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9角度出发，应取ut6080m/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ut130m/s。根据算出的p及ns，即可检验本方案的选择是否合理。

4、求轴向速度cz

8263600cz4.47m/s2222(DtDh)3.14(0.2640.092)44Q（9）

5、将整个叶片分成几个截面，分别计算各截面的扭速cu值 方法：这里就采用变环量设计

先计算平均直径Dm2Dt2Dh0.26420.09220.198m截面的扭速cum 22cumpp，由于η≥0.8， Dnumm60392.69m/s，取cum2.69m/s，

3.140.19814101.240.860则cum设气流分布规律为cmrcumrmconst，则任一截面r处的扭速cu值为 cumrmcu r通常可选取5个截面进行叶栅的计算，则截面的半径为：

r5，

Dt0.264(0.015~0.025)Dt(0.015~0.025)0.2640.125~0.128m22r1，

Dh0.092(0.015~0.025)Dt(0.015~0.025)0.2640.039~0.042m22则取r10.041m,r50.126m，则

r3r1r5rrrr0.084m,r4350.105m,r2130.062m 222通常变环量指数ɑ的取值为0~1，取ɑ=0.5，

则r30.50.290m，r40.50.324m,r20.50.249m,r10.50.202m,r50.50.355m

0.5Dm0.5cumrm0.5r()0.315m得 由cu，m0.52rcu14.16m/s，cu23.38m/s,cu32.90m/s,cu42.60m/s,cu52.37m/s

式：η为风机的全压效率

6、计算平均相对速度wm及气流角m

2wmcz(ucu2c) ，marcsinz

wm2

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p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Z可按表7－1来选取：

表7－1 最佳叶片数

轮毂比υ 叶片数Z

0.2 2~6

0.4 4~8

0.5 6~12

0.6 8~16

0.7 10~20

本设计一般只选择3至9个叶片。 由于ν=0.34，则取Z=6。 8、叶型选取

有：RAF－6E叶型、CLARK y叶型、LS叶型、葛廷根叶型和圆弧板叶型。注意要根据其坐标比值来绘制叶片各截面。

选取CLARK y叶型，其相对厚度c0.1 9、选取各截面的升力系数cy及相应的攻角

在选取cy时，应使cy值从叶尖向叶根逐渐增加，如果叶型的相对厚度c不变，可取额定工况点的c（一般c＝（0.8~0.9）cymax）作为叶根的cy值，然后按直线规律依次向叶

yy尖减小。如叶型的相对厚度c为变值，可按c选取值。各截面的cy值确定后，相应的攻角可根据叶型的cy~曲线选取。

注意：攻角从叶根到叶尖应逐渐减小。 10、求叶片宽度b

由气动力基本方程式（6－17）得：

b2n4p（）

60cyzwm11、叶型安装角A

A＝m+

项目 单位 1 m 0.404 2 0.498 计算截面 3 0.580 4 0.648 5 0.710 D cumrmcu rm/s 4.16 3.38 2.90 2.60 2.37 uη Dn60 m/s m/s 29.80 0.8 4.47 36.75 0.8 4.47 123.22 36.34 42.80 0.8 4.47 123.13 41.59 47.82 0.8 4.47 123.38 46.74 52.39 0.8 4.47 123.17 51.30 cz pucu cwmcz2(uu)22 N/m2 122.98 m/s 28.08 cmarcsinz wm(º) 9.16 7.07 6.17 5.49 5.00 cy(选取) α（选取） 1.36 1.13 9 16.07 6 147.58 0.022 0.95 5.2 11.37 6 147.58 0.019 0.81 3.8 9.29 6 147.58 0.017 0.70 3 8.00 6 147.58 0.016 （º） 9.7 （º） 18.86 1/s m 6 147.58 0.028 Am z（选取） 2n 604p bcyzwm 12、叶片型线的绘制

根据上述计算的数据及所选取叶型剖面的几何尺寸，绘制截面的叶片型线，再按强度及结构工艺的要求作适当修正。为改善叶片的受力状况，各计算的截面叶型的重心，应当位于同一半径上。

四：风筒的设计

1、风筒结构：采用圆柱形，其内部直径DDt（δ为叶轮外缘与风筒内壁的径向间隙尺寸）

由表得机号为No.4的风机的D1=410mm=0.41m，即风筒内部直径D=D1=0.41m 2、风筒尺寸的确定：

长度L=（1.5~2.2）D=0.615~0.902m，D为风筒的内壁直径；另外，风筒长度也要兼顾考虑

到电机和叶轮安装好后的轴向尺寸L0 ，应使L>L0 。

五、主要零部件材料选取，强度计算与校核

1、电机固定件的设计与材料的选择

1、叶片材料选取，强度计算与校核：

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。

Pc F式中 —叶片根部的离心拉应力，单位为N/m3 Pc—叶片根部所受离心力，单位为N

F—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b、相对厚度C可以表示为：

cch___1k2(rrh)1k2x

式中b—半径r处的截面弦长，单位为m；

bh—叶根截面弦长，单位为m； k1—弦长沿径向变化的系数；

r —叶片任意截面所在半径，单位为m rh—叶根半径，单位为m；

c—半径r处的截面的相对厚度；

_ch—叶根截面相对厚度；

_k2—相对厚度沿径向变化的系数；

x—叶轮半径r处叶片截面离叶根的距离，单位为m

根据文献[13]，计算叶片所受的离心力

PcVRcFh(lk1x)(1k2x)(rhx)dx

022l2式中l—叶片长度，单位为m。

利用上式可以比较精确的求出叶根的离心力。由于叶片是边截面的，应根据

文献[13]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：

b0.022 m，bh0.05,c0.0436 m,ch0.0192m,x0.074m。

__可以得到

Pc=4.610N

计算叶根截面面积F1.210-3m2。

5

Pc38.3MPa Fb235

式中b为ZL402的拉伸极限强度。所以叶轮选择ZL402可以满足条件。 （2）键的校核 1 键的基本尺寸

选用键22×60(GB/T 1095-1979)，其机构如图5-1所示

图5-1 键结构简图

键的尺寸为b=22mm,h=14mm,a=85mm,l=60mm。 （2 ）键的校核

1.计算键的剪切力：

M9551Psh22955171.23Nmn2950

M71.231.27106(Nm)0.5dbl0.50.0850.0220.060

式中M — 键所传递的扭矩，N/ m；

2

d — 轴径，m；

b — 键的宽度,m；

 — 剪切应力,N；

[]— 键的许用剪切应力，一般键为45号钢，可取

[]5.88106(Nm)。

[]可知键是安全的。

2.计算键的挤压应力：

M71.232

p3.99106 N/m

0.25dhl0.250.0850.0140.06[p]— 许用挤压应力，一般应按轮毂材料进行校核，因为轮毂材料的许用

号钢的许用挤压应力可取

挤压应力较键的要求，45

[p]8.82106~10.78107(N/m2)

键的选用符合设计要求。风机联轴器是用铸铁制造P[]p所以联轴器上的键也是安全的。

（3）轴的校核

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。

轴材料选用45钢，调质处理HB241~286，许用应力[]5.88106N/m2。 1.轴的转矩 轴的转矩Mn9551Psh22955171.23N.m n2900式中 Psh——通风机轴功率，单位为kW； n——叶轮转速，单位为r/min。

2.扭转应力

转矩为Mn的转轴直径为d（单位为m）处的扭转剪切应力（单位为Pa）的计算公式如下：

MnMnMn71.23262.1410N/ m 30.2d30.20.0553W1d16式中 W1——抗扭截面模量

可以看出[]，所以轴是安全的。

2、风筒材料选取

（1）风筒结构：采用圆柱形，其内壁直径D=Dt+2δ（δ为叶轮外缘与风筒内壁的径向间隙尺寸）

（2）风筒尺寸的确定： 长度：，D为风筒的内壁直径；另外，风筒长度也要兼顾考虑到电机和叶轮安装好后的轴向尺寸Ｌ0，应使L > L0。

3、主要零部件材料选取，强度计算与校核 （1） 主要零部件材料选取，强度计算与校核 （2） 风筒材料选取

（3） 电机固定件的设计与材料选择 4、转子的临界转速计算

为保证风机安全可靠运行，应使工作转速n离开临界转速cn一定范围。设计时，要求满足如下条件：

的轴，称为刚性轴。对刚性轴工作转速的要求：

称为柔性轴。对柔性轴工作转速的要求：式中：

分别为转子的一阶临界转速和二阶临界转速。

。

；

的轴，

一般通风机的转速较低，通常在一阶临界转速以内工作（即刚性轴），可采用单盘临界转速的公式近似计算：

此处，柔度y0取叶轮与风筒内壁的径向间隙的δ的一半 5、零部件图和总装配图的绘制 （1）电机的选取；

（2）叶片、叶轮（包括轮毂）的绘制；（叶片可采用焊接方式焊在轮毂上） （3）风筒的绘制（包括电机固定架）； （4）总装配图的绘制。 第三节 设计总结与考核 1、设计总结阶段

本阶段学生要认真完成课程设计报告书，整理技术资料，如有需要还应写出课程设计的心得体会和改进意见。 2、考核办法 通过进度检查、课程设计答辩和报告评审的形式了解学生的设计水平，根据学生任务完成的情况，设计报告的质量，答辩水平及平时的学习态度、工作作风、思想表现各全面准确评定成绩。对每个学生要写出评语。成绩按优秀、良好、中等、及格、不及格五级记分。

参考文献 1、《通用机械设计》，潘英，中国矿业大学出版社，2000. 2、流体机械原理（上、下册），张克危，北京：机械工业出版社，2000. 3、流体输送设备，王荣祥、郭亚兵，等，北京：冶金工业出版社，2002.