轴流式通风机的设计.doc

1、中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 1 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

2、计，联轴器、键和法兰等零件的选型校核。 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、主体风中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 2 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

3、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，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

4、。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。

5、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。 188

6、0 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中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 3 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 100 300 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。

7、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

8、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

9、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

10、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，中小风中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 4 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

11、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

12、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 2940 14700N/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

13、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 2m /s、 3m /min 或 3m /h. 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 5 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

14、压df HH和两部分组成，即 fdH H H 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 xN 表示 1000x QHN 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 fH 表示 1000ff QHN 式中 Q-通风机的风量， 3ms ； H、fH-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

15、与轴功率的比值 1000xN QHNN 如通风机的风压参数是用静压表示，则称为静效率 1000fff N QHNN 1.6.5转速 n 指通风机轴每分钟的转数，单位为 minr 。 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

16、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 (包括几中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 6 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 UDQ24 2UH234 UDQH 式中

17、 、 、 分别为流量系数、压力系数、功率系数， 无因次； 空气密度， kg/ m3； D 风机的叶轮外径， m； U 叶轮周边切线速度， m/s； H 风机的风压， Pa； Q 风机的风量， m3/s。 根据相似理论及上式无因次系数式，可得同类型风机性能的换算关系式为 : )/()/(/ 3 nnDDQQ 2)/)(/)(/(/ nnDDHH 35 )/()/)(/(/ nnDDNN 式中 /QQ 分别为所要换算的两台风机的风量， m3/s； /HH 分别为所要换算的两台风机的风压， Pa； /NN 分别为所要换算的两台风机的功率， kW； /DD 分别为所要换算的两台风机的叶轮直经， m；

18、/nn 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，风压低。轴流式风机风压一般在 450 Pa 4500 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

19、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中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 7 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

20、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 2 24。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

21、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，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，

22、 P 0.3。而流量系数 Q =0.3 0.6。单级轴流风机的比转数 sn =18 90（即 100 500）。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：拟定总体结构方案的确定，轴的设计计算，叶

23、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 %85 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 特性实验中国矿业大学 2012 届本科生毕业

24、设计 8 所得的数据进行设计，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

25、叶片的空气动力特性进行设计，并根据设计结果，参照广泛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

26、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； 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

27、，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

28、从掘进巷道排出的速度慢，中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 9 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 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

29、，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。在瓦斯矿井中一般不使用抽出式通风。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 10 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

30、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%，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 %85 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