超低噪環(huán)保風(fēng)機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

1、1 前言1.1低噪風(fēng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：隨著現(xiàn)代生活對(duì)節(jié)能、環(huán)保要求日益提高，對(duì)開發(fā)高效、低噪風(fēng)機(jī)的呼聲也愈益強(qiáng)烈，同時(shí)又提出要求在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段就能預(yù)估噪聲，因?yàn)檫@對(duì)低噪風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)噪聲控制都有重要意義。直到90年代初期，工程上一直采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即用一維或二維理想流處理加上一些設(shè)計(jì)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)選擇，而不考慮風(fēng)機(jī)各個(gè)部件之間相互影響(包括間隙影響)的設(shè)計(jì)方法。其中對(duì)離心風(fēng)機(jī)只分別設(shè)計(jì)葉輪、蝸殼；對(duì)軸流風(fēng)機(jī)只分別設(shè)計(jì)動(dòng)葉、靜葉。雖然用這種方法也有不少產(chǎn)品具有接近當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的綜合(即兼顧效率、噪聲、工藝、尺寸、壽命、高效工作區(qū))性能，至今仍占領(lǐng)著我國(guó)的風(fēng)機(jī)市場(chǎng)，但這些產(chǎn)品的開發(fā)不僅耗去大

2、量錢財(cái)和時(shí)間，而且如仍用這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步提高性能的潛力已很小，必須充分利用現(xiàn)代科技手段，全面考慮風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維、粘性流動(dòng)，考慮部件耦合影響的整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)展一種新的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 近年來(lái)我國(guó)成功地將國(guó)際上流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算最通用的商用軟件FLUENT用于離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)估，它在幾何(數(shù)值)建模、網(wǎng)格生產(chǎn)等前處理、計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)的后處理等方面都比我國(guó)開發(fā)的原有程序好很多，而且我國(guó)已經(jīng)用FLUENT6.1發(fā)展到可以整機(jī)計(jì)算，即對(duì)離心風(fēng)機(jī)是進(jìn)風(fēng)口-葉輪-蝸殼一起算，并考慮進(jìn)風(fēng)口和葉輪的間隙；對(duì)軸流風(fēng)機(jī)是進(jìn)口管道-動(dòng)葉-靜葉-風(fēng)室一起算，并考慮動(dòng)葉和管道的間隙，因而和實(shí)

3、測(cè)結(jié)果符合更好，同時(shí)還對(duì)影響風(fēng)機(jī)性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析它們的影響，形成了比較完整的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 這種優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法即將在美國(guó)暖通和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)主辦的研究雜志- TheAHSRAE(AmericaSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-ConditioningEngineers)Resaerch Joural 發(fā)表，題目是“Numerical Simulation of Flow Field for a WholeCentrifugalFanandAnalysisoftheEffectsofBladeInletAngleandImpelle

4、rGap”。圖1.1軸流通風(fēng)機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖隨著軸流風(fēng)機(jī)（軸流風(fēng)機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖1.11）在通風(fēng)、空調(diào)、冷卻設(shè)備和交通工具中的應(yīng)用日益廣泛,風(fēng)機(jī)噪聲的影響日漸受到重視,針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)噪聲控制方面的研究已成為當(dāng)前氣動(dòng)聲學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)估與控制，這是當(dāng)今最熱門也是難度極大的課題。在新設(shè)計(jì)空氣輸送和通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)常常必須預(yù)先估計(jì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲,并提供合適的噪聲控制措施。從離通風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理入手，對(duì)降噪設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)致的研究，開發(fā)設(shè)計(jì)超低噪環(huán)保風(fēng)機(jī)具有重要意義。1.2離心風(fēng)機(jī)離心風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動(dòng)的流體機(jī)械。離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量大效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、躁聲低、結(jié)構(gòu)完整便

5、于維護(hù)拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。離心風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)；谷物的烘干和選送；風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)等。1.3軸流風(fēng)機(jī)軸流式風(fēng)機(jī)是與風(fēng)葉的軸同方向的氣流(即風(fēng)的流向和軸平行)的風(fēng)機(jī)，如電風(fēng)扇,空調(diào)外機(jī)風(fēng)扇就是軸流方式。軸流風(fēng)機(jī)又叫局部通風(fēng)機(jī)，是工礦企業(yè)常用的一種風(fēng)機(jī)，它的電機(jī)和風(fēng)葉都在一個(gè)圓筒里，外形就是一個(gè)筒形，用于局部通風(fēng)，管道加壓送風(fēng)等，所以很多客戶也叫圓筒風(fēng)機(jī)、管道風(fēng)機(jī)。安裝方便，通風(fēng)換氣效果明顯，安全，可以接風(fēng)筒把風(fēng)送到指定的區(qū)域。2軸流風(fēng)機(jī)噪聲分析我國(guó)大量使用的軸流

6、風(fēng)機(jī)普遍存在著效率低、噪聲高的缺點(diǎn)。目前經(jīng)常采用加裝消聲器來(lái)降低噪聲, 不僅增加了投資, 而且在風(fēng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中, 由于消聲器的壓力損失而造成能源損失, 這對(duì)于節(jié)約能源是很不利的, 所以從風(fēng)機(jī)本身來(lái)找出降低噪聲方法是最根本的2。2.1軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲源軸流風(fēng)機(jī)含有各種噪聲源, 其中氣動(dòng)噪聲是主要的, 其它如機(jī)械噪聲、電磁噪聲等, 在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行條件下都是次要的3。根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的頻譜分析, 其特點(diǎn)為在寬頻帶上疊加離散頻率的頻帶, 所以風(fēng)機(jī)的噪聲有兩種產(chǎn)生的機(jī)理: 離散峰值的旋轉(zhuǎn)噪聲和寬頻帶的湍流噪聲。2.2旋轉(zhuǎn)噪聲旋轉(zhuǎn)噪聲是由動(dòng)葉周期旋轉(zhuǎn)及周圍障礙物的相互作用產(chǎn)生的。 對(duì)于動(dòng)葉片均勻

7、分布的風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō), 這種相互作用是周期性的, 所以產(chǎn)生噪聲也是周期性的, 旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為:f= i(Nz/60) (1)在噪聲頻譜上, 旋轉(zhuǎn)噪聲表現(xiàn)為離散的峰值, 其基頻與風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)頻率相同, 因此通常成為離散峰值的噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲取決于葉片的負(fù)荷或風(fēng)機(jī)的節(jié)流度, 當(dāng)葉片工作在大流量區(qū)而負(fù)荷比較小時(shí)旋轉(zhuǎn)噪聲占噪聲的主要部分。2.3湍流噪聲湍流噪聲主要是由葉尖渦、 風(fēng)機(jī)葉片后緣隨機(jī)渦流的脫流、 葉片表面邊界層的湍流分離形成的。 一般葉片表面邊界層在后緣會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的分離, 渦流的脫落將引起較大的升力脈動(dòng), 這種脈動(dòng)具有較大的隨機(jī)性質(zhì), 引起的噪聲具有寬頻帶的性質(zhì), 通常稱為寬帶湍流噪聲。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)

8、公式,寬帶的湍流噪聲頻率為: （2.1）湍流噪聲與轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)關(guān)或者說(shuō)與葉片通常頻率無(wú)關(guān)。它只取決于轉(zhuǎn)子葉片上流過(guò)的相對(duì)速度,及機(jī)匣與葉片的葉尖間隙和氣動(dòng)負(fù)荷。 由于旋轉(zhuǎn)噪聲在大流量時(shí)占主導(dǎo)地位而湍流噪聲在小流量時(shí)占主導(dǎo)地位, 所以最小噪聲出現(xiàn)在這兩個(gè)范圍之間。旋轉(zhuǎn)和湍流噪聲兩種噪聲源強(qiáng)弱取決于葉片的幾何形狀和運(yùn)行工況。3軸流風(fēng)機(jī)噪聲的控制噪聲的控制方法是盡力避免和減小噪聲源產(chǎn)生的噪聲輻射, 即盡力減小脈沖力。 通過(guò)改進(jìn)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)的最佳選擇、 合適的安裝及運(yùn)行方式來(lái)降低軸流風(fēng)機(jī)的噪聲。3.1減小徑向間隙和增加機(jī)匣與轉(zhuǎn)子的同心度減小轉(zhuǎn)子葉尖與機(jī)匣的徑向間隙, 增加機(jī)匣與轉(zhuǎn)子的同心度, 既可減

9、小比噪聲又可提高風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)和擴(kuò)大風(fēng)機(jī)的失速余度。而文獻(xiàn)2一給出了一種軸流風(fēng)機(jī)在三種徑向間隙值下的試驗(yàn)結(jié)果, (見圖3.1)。而文獻(xiàn) 4 采用在葉尖加旋轉(zhuǎn)環(huán)方法降低汽車風(fēng)扇的噪聲, 取得一定效果。正確的選擇轉(zhuǎn)子的徑向間隙, 并且要保持其在圓周方向的均勻性, 可以顯著的降低風(fēng)機(jī)的噪聲和提高風(fēng)機(jī)的效率。通常風(fēng)機(jī)的徑向間隙取決于加工精度和輔助工藝水平。徑向間隙應(yīng)盡可能減小并保持與機(jī)匣盡量同心。圖3.1風(fēng)機(jī)三種葉尖間隙的氣動(dòng)性能和比噪聲特性3.2合理的氣動(dòng)設(shè)計(jì)合理的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是降低風(fēng)機(jī)本身噪聲的最根本的方法, 并且還有很大的降噪潛力。3.2.1沿徑向加功規(guī)律的選擇對(duì)小輪轂比風(fēng)機(jī)采用等環(huán)量設(shè)計(jì)時(shí), 葉片

10、扭曲角大, 在靠近葉根處安裝角大, 氣流脫離葉片形成湍流, 渦流噪聲很大。因而必須慎重選擇流型,采用 “可控渦設(shè)計(jì)” 思想5,使徑向加功規(guī)律合理。另外,對(duì)于單轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī), 轉(zhuǎn)子出口的絕對(duì)速度的周向投影是一種旋轉(zhuǎn)損失的壓頭, 因而希望其數(shù)值越小越好, 以便提高風(fēng)機(jī)的效率。再?gòu)臏p小葉尖間的渦流損失和渦流噪聲考慮, 應(yīng)該控制葉尖間隙和控制葉尖部分的加功量及優(yōu)化的葉尖葉型。綜合上面的因素, 并使用擴(kuò)壓因子D 作為限制葉片負(fù)荷的條件, 對(duì)于轉(zhuǎn)子: （3.1） 對(duì)于靜葉: （3.2）其中:V 絕對(duì)速度W 相對(duì)速度r徑向分量對(duì)于轉(zhuǎn)子葉片, 葉尖擴(kuò)壓因子D 0145, 葉根擴(kuò)壓因子D 016; 對(duì)于靜子葉片,

11、擴(kuò)壓因子D016。 設(shè)計(jì)時(shí), 可經(jīng)過(guò)各加功方案的仔細(xì)比較和分析后, 決定最優(yōu)流型。3.2.2合理選擇葉柵參數(shù)試驗(yàn)證明軸流式風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲, 特別是渦流噪聲與葉柵參數(shù)有很大的關(guān)系。因此, 在保證風(fēng)機(jī)的流量、 壓力和效率的情況下, 根據(jù)葉柵試驗(yàn)得到的氣動(dòng)特性和聲學(xué)特性曲線來(lái)合理選擇葉柵的稠度、攻角、相對(duì)彎度和相對(duì)厚度等參數(shù), 以保證葉柵具有最小噪聲參數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)不能在徑向全部滿足時(shí), 應(yīng)首先使葉尖的葉柵參數(shù)得到滿足, 以便得到最小噪聲。試驗(yàn)進(jìn)一步證明, 在一定的葉柵稠度下, 增加葉片弦長(zhǎng)可以獲得降噪效果。在設(shè)計(jì)參數(shù)相同時(shí), 選用較大弦長(zhǎng)葉片, 減少葉片數(shù)也可以提高風(fēng)機(jī)的效率。風(fēng)機(jī)效率的提高將

12、進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)的噪聲, 因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的噪聲可看成風(fēng)機(jī)損失的一部分能量轉(zhuǎn)化成聲能。 這與試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)效率高效區(qū)附近, 風(fēng)機(jī)噪聲低的情況相一致。風(fēng)機(jī)噪聲的聲功率級(jí)與風(fēng)機(jī)各參數(shù)的關(guān)系,如下:Lw = Lw0+10lg()+70logDt+ 50lgN （3.3）從公式3.3可以看出,風(fēng)機(jī)的噪聲與風(fēng)機(jī)的效率、葉輪直徑和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。提高風(fēng)機(jī)的效率和降低風(fēng)機(jī)葉輪圓周速度和外徑都能有效地降低噪聲。但是葉輪圓周速度和直徑的減小, 會(huì)使風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓下降, 而提高效率則會(huì)在節(jié)能和降噪兩個(gè)方面都得到效益。3.2.3采用前掠和前傾葉片研究證明葉片尾緣邊界層厚度決定著湍流噪聲的大小, 對(duì)風(fēng)機(jī)的噪聲影響很大。 當(dāng)采用前掠(

13、在 r- z 平面)和前傾(在 r- 平面)的葉片時(shí),葉片的尾緣邊界層會(huì)減薄, 這就使風(fēng)機(jī)寬頻的湍流噪聲降低。試驗(yàn)進(jìn)一步證明, 葉片在一定范圍內(nèi)的前掠和前傾對(duì)葉片特性的影響不大。圖3.2給出了3種風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)特性曲線。1風(fēng)機(jī)是原始風(fēng)機(jī), 即葉片既不前掠也不前傾。2風(fēng)機(jī)只有前傾而無(wú)前掠。 3風(fēng)機(jī)既有前傾又有前掠。從圖3.2可以看出, 當(dāng)2風(fēng)機(jī)與1風(fēng)機(jī)相比,風(fēng)機(jī)的最大流量減小, 最高效率點(diǎn)的效率增加,失速點(diǎn)左移,而比A 聲級(jí)噪聲降低。3風(fēng)機(jī)與1和2風(fēng)機(jī)相比較, 可以得到最低的比噪聲Ls。圖3.2葉片前掠前傾對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響3.2.4合理選擇風(fēng)機(jī)動(dòng)葉與靜葉的葉片數(shù)5旋轉(zhuǎn)噪聲是軸流風(fēng)機(jī)輻射的主要噪聲。對(duì)

14、動(dòng)葉前( 后) 有靜葉的軸流通風(fēng)機(jī)而言,動(dòng)葉與靜葉數(shù)合理匹配可以有效降低其干擾噪聲, 動(dòng)葉與靜葉的葉片數(shù)可按下列原則。選擇:動(dòng)葉數(shù)Z 為偶數(shù)時(shí), 取靜葉數(shù)V = Z -1;動(dòng)葉數(shù)Z 為奇數(shù)時(shí), 取靜葉數(shù)V = Z -1有助于減少動(dòng)靜葉間的相位干涉。3.3進(jìn)口氣流場(chǎng)的均勻, 盡力減小氣流湍流度當(dāng)進(jìn)口流場(chǎng)不均勻氣流有很大的湍流度時(shí),進(jìn)口的噪聲增加, 風(fēng)機(jī)的效率會(huì)降低。如圖3.3所示,風(fēng)機(jī)工作輪前的湍流度大時(shí), 將引起葉片進(jìn)口攻角的周期變化而產(chǎn)生升力的脈動(dòng)而引起噪聲。 因此, 在軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)口增設(shè)進(jìn)氣集流器和整流罩以保證進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流速度的徑向均勻分布。實(shí)驗(yàn)證明這種方法不僅增加了風(fēng)機(jī)的效率, 同時(shí)也降

15、低了風(fēng)機(jī)的噪聲。圖3.3進(jìn)口湍流度對(duì)葉片攻角的影響w.最大速度為w 的湍流進(jìn)口速度;相應(yīng)攻角脈動(dòng)的范圍4控制風(fēng)機(jī)選型、 安裝和運(yùn)行引起的噪聲軸流風(fēng)機(jī)的噪聲不僅靠改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)完成, 而且對(duì)于給定的任務(wù), 可以通過(guò)優(yōu)化風(fēng)機(jī)型式和尺寸, 以及合理地安裝和運(yùn)行來(lái)降低噪聲。4.1正確地安裝風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)或A 聲級(jí), 隨著流量和壓力的增大而增大, 安裝時(shí)應(yīng)盡力減少不必要的阻力損失。在流道中及葉輪前盡力應(yīng)避免障礙物產(chǎn)生的尾跡吸入到葉輪中而產(chǎn)生噪聲。在通風(fēng)機(jī)噪聲中,進(jìn)、出氣口輻射的空氣動(dòng)力性噪聲強(qiáng)度最大,所以控制通風(fēng)機(jī)噪聲,首先應(yīng)將這部分噪聲降下來(lái)。在通風(fēng)機(jī)進(jìn)、出氣口安裝消聲器是抑制通風(fēng)機(jī)噪聲的最有效措施。根據(jù)

16、通風(fēng)機(jī)的用途和降噪聲要求,通風(fēng)機(jī)安裝消聲器有如下三種情況。(1)對(duì)于壓入式通風(fēng),噪聲的主要輻射部位在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口,可以在進(jìn)氣口處安裝消聲器。(2)對(duì)于抽出式通風(fēng),噪聲的主要輻射部位在通風(fēng)機(jī)的出口,可以在出氣口處安裝消聲器。(3) 若在氣流進(jìn)、出氣口處均有降噪要求,則應(yīng)在通風(fēng)機(jī)進(jìn)、出氣口管道上都安裝消聲器。消聲器的安裝應(yīng)與葉輪留有一定的安裝長(zhǎng)度, 以避免對(duì)葉輪造成影響。4.2風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和安裝布置在與電機(jī)直聯(lián)式風(fēng)機(jī)中, 軸流風(fēng)機(jī)通常有電機(jī)前置式Q Z 和電機(jī)后置式HZ 電機(jī)前置式(Q Z 型)風(fēng)機(jī)是氣流先通過(guò)電機(jī)然后進(jìn)入工作輪, 如圖4.1(a)所示。由于氣流經(jīng)過(guò)電機(jī)及支撐時(shí)產(chǎn)生的湍流后再進(jìn)入

17、工作輪, 此噪聲高于電機(jī)后置型風(fēng)機(jī),見圖4.1(b)。因而在不得不采用電機(jī)前置時(shí), 其支撐做成流線型以盡力減少其對(duì)氣流的影響是很必要的。在軸流風(fēng)機(jī)中, 為改進(jìn)系統(tǒng)中的風(fēng)壓, 經(jīng)常在第一級(jí)風(fēng)機(jī)后增加第二級(jí)風(fēng)機(jī)或者采用對(duì)旋風(fēng)機(jī)的方法。圖4.1(c)為對(duì)旋風(fēng)機(jī)安裝的型式。對(duì)旋風(fēng)機(jī)采用圖4.1(d)的方式噪聲就比圖4.1(c)低。而圖4.1(f)產(chǎn)生的噪聲最低。但因?yàn)閮晒ぷ鬏喚嚯x太大, 只能作為兩級(jí)工作輪單獨(dú)運(yùn)行考慮, 其氣動(dòng)相互作用似乎可以忽略。與后置電機(jī)型HZ 單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)的噪聲相比: Q Z/ HZ 型風(fēng)機(jī), 噪聲增加10dB(A),HZ/ HZ型風(fēng)機(jī), 噪聲增加6dB(A),QZ/QZ 型風(fēng)機(jī)

18、, 噪聲增加6dB(A),HZ/QZ 型風(fēng)機(jī), 噪聲增加4dB(A )。圖4.1軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式4.3選用合理的調(diào)節(jié)方式由于多數(shù)是在變工況下運(yùn)行, 風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓都要根據(jù)管網(wǎng)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié), 因而調(diào)節(jié)方式應(yīng)盡力采用前導(dǎo)葉或動(dòng)葉可調(diào)式以及變轉(zhuǎn)速等高效調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 因這些高效調(diào)節(jié)方法, 也是產(chǎn)生附加噪聲較小的方法。4.4其他降低軸流風(fēng)機(jī)噪聲方法從Fukano噪聲公式，結(jié)合前人的大量試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)還可以采取的降低氣動(dòng)噪聲的方法。 1）選擇流型時(shí)，使靜壓沿徑向逐漸加大，從而使葉片低部附面層更多的集中在靠近葉根處，比如采用前掠動(dòng)葉的軸流風(fēng)機(jī)。 2）降低葉片表面粗糙度，從而減小附面層的厚度。 3）

19、按照不等距葉片設(shè)計(jì)，使葉片間夾角不相等，達(dá)到減少各個(gè)葉片所產(chǎn)生的噪聲間的同相疊加的目的。 4）采用小弦長(zhǎng)和薄葉型靜葉，動(dòng)葉與靜葉的間距為0.51倍弦長(zhǎng)， 這樣對(duì)降低干涉噪聲有利。 5風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1葉輪的設(shè)計(jì) 基本設(shè)計(jì)參數(shù)：流量 200m/min（3.3 m/s）風(fēng)壓大于 15mm風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壓力 390pa（H=390kg/）設(shè)計(jì)溫度 300輸送的實(shí)驗(yàn)氣體：氫、烴混合氣轉(zhuǎn)速 960r/min流量調(diào)節(jié)方式：變速流量調(diào)節(jié)范圍：30%-100%5.1.1比轉(zhuǎn)速的計(jì)算6 由=110.7100 （5.1）故選用軸流式風(fēng)機(jī)。軸流式風(fēng)機(jī)有主軸、葉輪、集流器、導(dǎo)葉、機(jī)殼、動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置、進(jìn)氣箱和擴(kuò)壓器等主要

20、部件。軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式見圖5.1所示。 圖5.1 軸流式（通）風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（兩級(jí)葉輪）1 進(jìn)氣箱 2 葉輪 3 主軸承 4動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置 5 擴(kuò)壓器 6 軸 7 電動(dòng)機(jī)5.1.2確定輪轂比和外徑7根據(jù)圖5.2，輪轂比比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系圖5.2輪轂比與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系取輪轂比=0.7。根據(jù)圖5.3，圖5.3比轉(zhuǎn)速與系數(shù)的關(guān)系系數(shù)Ku=1.63。代入公式： =0.82m （5.3）根據(jù)公式：=0.57m （5.4）5.1.3計(jì)算軸向速度由公式：=Q/F=12.1 （5.5）5.1.4確定葉片各截面氣流全壓分布，計(jì)算各截面的對(duì)于輪轂比=0.7的葉輪，可以采用等環(huán)流，也可采用變環(huán)流設(shè)計(jì)方法。將葉片沿葉片高方向取

21、五個(gè)等截面，所以各截面直徑=0.57m，0.64 m,0.71 m,0.78 m，0.85m。=0.71m （5.6）各截面相應(yīng)的圓周速度由公式 =得 （5.7）=28.7,32.2,35.7,39.2，42.8。35.2。各截面相應(yīng)的由公式 =得 （5.8）=6.9。=（得 （5.9）=7.7,7.3,6.9,6.6,6.3,由公式=得 （5.10）=35.4,37.6,39.4,41.4,43.1。軸向速度由公式 =得 （5.11）=12.1。風(fēng)機(jī)各截面的的進(jìn)口角由公式=得 （5.12）=22.9，20.6，18.7，17.2，15.9。風(fēng)機(jī)各截面的的進(jìn)口角由公式=得 （5.13）=30.

22、0，26.0，22.8，20.4，18.3。由公式=得 （5.14）=27.6,31.0,34.3,37.9,41.5。由公式=得 （5.15）=26.0，23.0，20.6，18.6，17.0。升力系數(shù)根據(jù)圖5.4 RAF-6E翼型空氣動(dòng)力性能得=0.80，0.75，0.70，0.65，0.60沖角=4.0，3.5，2.9，2.5，2.0由公式 =+得 （5.16）=30.0，26.5，23.5，22.1，19.0。圖5.4RAF-6E葉型特性數(shù)據(jù)根據(jù)國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于用孤立翼型法設(shè)計(jì)的軸流風(fēng)機(jī)，最佳葉片數(shù)大致如下：表5.1輪轂比與葉片數(shù)的關(guān)系8輪轂比0.30.40.50.60.

23、7葉片數(shù)Z2-44-86-128-1210-20選定葉片數(shù)：12由葉片弦長(zhǎng)公式b=得 （5.17）b=0.123，0.124，0.125，0.129，0.133。修正后的弦長(zhǎng)值b=0.123,0.125,0.128,0.130,0.133。表5.2葉片各截面的計(jì)算數(shù)據(jù)截面1截面2截面3截面4截面5（m） 0.570.640.710.780.85（m）0.710.710.710.710.71（）28.732.235.739.242.8（）35.235.235.235.235.2（）7.77.36.96.66.3（）6.96.96.96.96.9（）35.437.639.441.443.1（）12

24、.112.112.112.112.1（度）22.920.618.717.215.9（度）30.026.022.820.418.3（）27.631.034.337.941.5（度）26.023.020.618.617.00.850.750.700.650.60（度）4.03.52.92.52.0（度）30.026.523.522.119.0Z1212121212b（m）0.1230.1240.1250.1290.133從上述計(jì)算結(jié)果可以看出葉片弦長(zhǎng)隨著葉片各截面直徑的增大而增大，是葉尖寬，葉根窄的機(jī)翼型葉片。因此 ，將該風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)成整體式固定葉角型，呈外寬內(nèi)窄前掠狀，并且是不等距排列，及柵距，

25、葉片各截面的重心聯(lián)線與徑向直線間的夾角30。前掠角=20-40，在此取=30，前傾角=15-30，在此取=209 。如圖示 圖5.5風(fēng)機(jī)葉片平面示意圖這樣能夠減少了氣流的分離和二次損失，大幅度的降低了風(fēng)機(jī)的噪聲，提高了風(fēng)機(jī)的效率，有效的改善了環(huán)保條件。圖5.6風(fēng)機(jī)葉片前視圖圖5.7該風(fēng)機(jī)葉片三維立體圖5.2導(dǎo)流部分的的計(jì)算導(dǎo)葉是軸流式風(fēng)機(jī)的重要部件，它可調(diào)整氣流通過(guò)葉輪前或葉輪后的流動(dòng)5方向，使氣流以最小的損失獲得最大的能量；對(duì)于葉輪后的導(dǎo)葉，還有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能的作用。導(dǎo)葉設(shè)置如圖5.8所示。葉輪后設(shè)置導(dǎo)葉稱后導(dǎo)葉。后導(dǎo)葉設(shè)置在軸流風(fēng)機(jī)和軸流泵中普遍采用。葉輪前設(shè)置導(dǎo)葉稱為前導(dǎo)葉。

26、目前，中、小型軸流風(fēng)機(jī)常采用前導(dǎo)葉裝置。在葉輪前后均設(shè)置導(dǎo)葉是以上兩種型式的綜合，可轉(zhuǎn)動(dòng)的前導(dǎo)葉還可進(jìn)行工況調(diào)節(jié)。這種型式雖然工作效果好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于軸流風(fēng)機(jī)。前導(dǎo)葉的葉片一般作為可轉(zhuǎn)動(dòng)的，而后導(dǎo)葉的葉片通常是不動(dòng)的。對(duì)功率較大的軸流通風(fēng)機(jī)，在葉輪后要裝設(shè)后導(dǎo)葉，以提高靜壓。前導(dǎo)葉一般作為調(diào)節(jié)手段，可進(jìn)行風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)，由于要實(shí)現(xiàn)超低噪環(huán)保風(fēng)機(jī)，要盡量減少不必要的裝置，所以不加后導(dǎo)葉，由于風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)范圍在的30%-100%，所以可采用加設(shè)前導(dǎo)葉 圖5.8 軸流泵與風(fēng)機(jī)的基本型式（a）單個(gè)葉輪機(jī) (b) 單個(gè)葉輪后設(shè)置導(dǎo)葉 (c) 單個(gè)葉輪前設(shè)置導(dǎo)葉(d) 單個(gè)葉輪前、后均設(shè)置導(dǎo)葉5.

27、3徑向間隙和軸向間隙徑向間隙對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的壓頭和效率有較大的影響，為此，應(yīng)使徑向間隙盡可能的小10 。圖5.9徑向間隙和軸向間隙實(shí)踐證明，當(dāng)時(shí)，=0.01時(shí),間隙可能已被環(huán)端面的附面層所阻塞，因而對(duì)效率影響不大。當(dāng)=0.02時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)效率將下降2-3%，壓頭將下降4-6%。設(shè)計(jì)時(shí)一般將徑向間隙控制在 =0.008-0.01 （5.18）因?yàn)槿~片高度=410mm，所以=(0.25-0.40)b （5.19）b弦長(zhǎng)。 代入b=126.8mm得=（31.7-50.72）mm. 取40mm。5.4集流器、整流罩、擴(kuò)散筒1、集流器集流器的作用是改善進(jìn)口流場(chǎng)，使氣流加速，在損失壓力小的情況下，保證進(jìn)氣口速

28、度均勻。加集流器的風(fēng)機(jī)效率提高10-15%。其設(shè)計(jì)尺寸一般按公式R=0.2=0.2=164mm （5.20）圖5.10 1-集流器 2-整流罩 3-整流體 4-擴(kuò)散筒 圖5.11 流線型整流體集流器的外徑：=（）=（）=1020-1190mm （5.21）集流器的長(zhǎng)度：=（）=（）=164-328mm （5.22）2、擴(kuò)散筒擴(kuò)散筒的長(zhǎng)度一般?。?=1230-1804mm （5.23）擴(kuò)散筒的擴(kuò)散角：tan，=8-12。取=8。5.5水冷耐高溫軸承由于該風(fēng)機(jī)是在高溫（300）和有腐蝕性的氣體（氫、烴混合氣）中工作10，為了保護(hù)電機(jī)，不采用電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接聯(lián)接，而采用聯(lián)軸器傳動(dòng)，將電機(jī)置于機(jī)殼之外。

29、風(fēng)機(jī)軸承是在高溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以軸承的潤(rùn)滑和冷卻就顯得非常重要。在軸承上要保證軸承的可靠潤(rùn)滑并設(shè)置水冷卻裝置。下圖11為高溫軸流通風(fēng)機(jī)冷卻潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)圖。 圖5.12高溫軸流通風(fēng)機(jī)冷卻潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)圖12在軸承周圍設(shè)置冷卻水套，通冷卻水以冷卻降溫。潤(rùn)滑油采用稀油循環(huán)潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油也要進(jìn)行冷卻。為了保證軸承的潤(rùn)滑，在每個(gè)軸承的兩端，設(shè)置一個(gè)骨架油封，以減少潤(rùn)滑油的流失。5.6軸的強(qiáng)度計(jì)算軸流通風(fēng)機(jī)的主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，同時(shí)承受彎矩和扭矩，因而在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)分別求出主軸承受的最大彎矩和扭矩，然后求出兩者所引起的合成應(yīng)力4。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口分為單吸或雙吸，其軸分為對(duì)稱支承軸和懸臂支撐軸，強(qiáng)度計(jì)算略有不同。對(duì)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼

30、（35-45和鋼），軸:=(kg/) （5.24）式中 彎曲應(yīng)力(kg/)，=，是最大彎曲力矩；由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向力(kg/)，=，為扭矩；計(jì)算斷面抗彎矩()，=； （5.25）計(jì)算斷面抗扭矩()，=2= （5.26）如果是使用空心軸，則：=1-() （5.27）=1-() （5.28）上兩式中 d空心軸外徑（cm） 空心軸外徑（cm）合成力矩 =（kgcm） （5.29）扭矩 =97400（kgcm） （5.30）式中 電動(dòng)機(jī)軸功率（kw） n風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。最大彎曲力矩（kgcm）應(yīng)根據(jù)軸的支承情況分別計(jì)算；對(duì)于對(duì)稱軸:=（kgcm） （5.31）式中 葉輪重量（kg）軸重量（kg）a

31、、b兩軸支承中心至葉輪中心距離（cm）。對(duì)于對(duì)稱軸，a=b=；=兩支承軸距離（cm）圖5.13對(duì)稱軸的彎曲力矩葉片重估算：因?yàn)殇X合金密度在2.650-2.750之間，估算單個(gè)葉片面積=11123-9011-3311=932.25，葉片體積=11563.13，又因?yàn)槿~片數(shù)為12，葉片總體積V=1211563.13=.5，所以葉片重=V=.5（2.650-2.750）=370.6-384.6kg （5.32）輪轂重估算：V=6765 （5.33）所以輪轂重=67657.85=53.1kg。所以葉輪重=+=380+53.1=433.1kg。兩支承間距l(xiāng)=197.5cm，該段軸重190.0kg （5.

32、34）最大彎矩 =197.54433.1+197.58190.0kg=.5（kgcm）扭矩 =97400=97400=154.2（kgcm）合成力矩 = = =.6（kgcm）又因?yàn)?0.135=4287.5，所以=24.3(kg/)所以該軸滿足設(shè)計(jì)要求。5.7電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇通風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)傳遞給氣體的能量稱為風(fēng)機(jī)的有效功率13 ， =3.3390=1.29（kw） （5.35）實(shí)際上，由于通風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承內(nèi)部有摩擦損失，以及氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流撞擊和流動(dòng)損失，使風(fēng)機(jī)消耗在風(fēng)機(jī)軸上的功率（軸功率）N要大于有效功率N=1.290.85=1.52kw（取0.85） （5.36）當(dāng)選擇

33、通風(fēng)機(jī)所配用電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，在軸功率基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮通風(fēng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)的能量損失及電動(dòng)機(jī)的安全系數(shù)配用電動(dòng)機(jī)功率可按下式計(jì)算m （5.37）通風(fēng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率m電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)表5.3通風(fēng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率傳動(dòng)方式機(jī)械傳動(dòng)效率電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)1.0聯(lián)軸器直接傳動(dòng)0.98減速器傳動(dòng)0.95皮帶傳動(dòng)0.92表5.4電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)電動(dòng)機(jī)功率(kw)電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)51.15該風(fēng)機(jī)傳動(dòng)方式為聯(lián)軸器傳動(dòng)=2.03kw （5.38）根據(jù)上述計(jì)算為該風(fēng)機(jī)配用電動(dòng)機(jī)：Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M1-6。5.8在進(jìn)風(fēng)口內(nèi)壁出添加吸聲材料當(dāng)聲波入射到物體表面時(shí)，部分聲能要被物體吸收轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，稱為吸聲14

34、。材料的吸聲性能用吸收系數(shù)來(lái)表示，吸聲系數(shù)越大，則表示材料的吸聲性能越好。材料的吸聲性能與材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和聲波的入射角度及聲波的頻率有關(guān)。多孔吸聲材料的吸聲機(jī)理是：材料內(nèi)部有無(wú)數(shù)細(xì)小的相互貫通的孔洞，當(dāng)聲波入射到這些材料的表面，進(jìn)而入射到這些細(xì)小的孔隙內(nèi)時(shí)，要引起孔隙內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，緊靠孔壁和纖維表面的空氣，因摩擦和粘滯運(yùn)動(dòng)阻力而不易運(yùn)動(dòng)，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。故性能良好的吸聲材料要多孔，孔與孔之間互相貫通，并且貫通的孔洞要與外界連通，使聲波能進(jìn)入材料內(nèi)部。如對(duì)應(yīng)1000赫茲聲波，10cm厚的超細(xì)玻璃棉的吸聲系數(shù)是0.87，常用的吸聲材料還有瀝青，橡膠等。所以該風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了進(jìn)一步

35、降低噪聲，首先應(yīng)該在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口內(nèi)壁上添加吸聲材料或設(shè)置消音裝置，該風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)選擇的吸聲材料為超細(xì)耐高溫玻璃棉，其對(duì)用于不同頻率的聲波的吸聲系數(shù)普遍較高，吸聲效果好，并且耐腐蝕，滿足了具有腐蝕性氣體的耐腐蝕要求。且自身重量小，不會(huì)引起風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的過(guò)大變形。6風(fēng)機(jī)的安裝、調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)1、有安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查風(fēng)機(jī)各部件是否齊全、完好；葉輪和風(fēng)筒是否因運(yùn)輸而損壞變形；各零部件是否緊固；如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)修復(fù)、調(diào)整方可使用。2、 安裝風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)應(yīng)具有足夠的的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)結(jié)合面，進(jìn)出風(fēng)口有風(fēng)管連接時(shí)應(yīng)調(diào)整使之自然吻合，不得強(qiáng)行聯(lián)接。3、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口安裝管道時(shí)，以加裝膨脹軟接頭為好，且管道重

36、量不允許加在風(fēng)機(jī)各個(gè)部位上。管道與風(fēng)機(jī)連接之間加裝的膨脹軟接頭應(yīng)適中，如果過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增大系統(tǒng)管網(wǎng)阻力，影響風(fēng)機(jī)送風(fēng)和排風(fēng)的風(fēng)量。4、風(fēng)機(jī)在安裝時(shí)，應(yīng)保證風(fēng)機(jī)的水平位置，如果風(fēng)機(jī)座配有彈簧減震器，彈簧減震器在安裝過(guò)程中應(yīng)沒(méi)有彈簧徑向不垂直和傾斜的現(xiàn)象，應(yīng)保證風(fēng)機(jī)底座上的各個(gè)減震器受力均勻。5、風(fēng)機(jī)的安裝應(yīng)按通風(fēng)系統(tǒng)圖規(guī)定的位置和尺寸進(jìn)行安裝，風(fēng)機(jī)氣流方向應(yīng)與系統(tǒng)要求的送風(fēng)或排風(fēng)方向一致。6、風(fēng)機(jī)安裝完成后如果進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口須加裝調(diào)節(jié)門或電動(dòng)風(fēng)扇，應(yīng)注意調(diào)節(jié)門和風(fēng)扇的開啟位置須與風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣或出氣方向保持一致，不要裝反了。7、風(fēng)機(jī)安裝完成后，檢查葉輪是否靈活；有無(wú)碰撞，摩擦等異常情況；風(fēng)筒有無(wú)雜物，以

37、免進(jìn)入葉輪打壞葉輪；檢查電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)組的潤(rùn)滑情況。8、風(fēng)機(jī)按以上步驟安裝，檢驗(yàn)完畢后進(jìn)行風(fēng)機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)應(yīng)在風(fēng)機(jī)全壓（如果風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口裝有風(fēng)扇，風(fēng)閥應(yīng)在全開位置試機(jī)）狀態(tài)下進(jìn)行，并檢查氣流風(fēng)機(jī)方向和葉輪旋轉(zhuǎn)方向是否與風(fēng)機(jī)銘牌上的箭頭標(biāo)記一致，否則須任意交換電機(jī)的兩相電源線位置而重試機(jī)。如果風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，則逐步將風(fēng)閥調(diào)整到用戶的使用工況點(diǎn)。在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意運(yùn)行的電機(jī)電流不能超過(guò)其額定電流量。并檢查風(fēng)機(jī)和管道系統(tǒng)聯(lián)接處是否密封好、有無(wú)漏氣現(xiàn)象；以免影響風(fēng)機(jī)送風(fēng)或排風(fēng)的風(fēng)量15。7 結(jié) 論針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，采用了如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)超低噪環(huán)保風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì):（1）在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置集流器，內(nèi)部設(shè)置整流

38、罩，流線型導(dǎo)流體，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處設(shè)置擴(kuò)散筒，以上措施改善進(jìn)口流場(chǎng)，使氣流加速，在損失壓力小的情況下，保證進(jìn)氣口速度均勻，使得氣體流動(dòng)阻力減小，穩(wěn)定地減小出口流速，將一定的動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，提高軸流風(fēng)機(jī)裝置的靜壓效率，并同時(shí)降低排氣噪聲，從而有效的降低了噪聲。（2）在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口處的內(nèi)壁上添裝吸聲材料-超細(xì)耐高溫玻璃棉，也能夠有效的降低風(fēng)機(jī)噪聲。（3）減小轉(zhuǎn)子葉尖與機(jī)殼的徑向間隙,控制在3mm內(nèi)， 增加機(jī)匣與轉(zhuǎn)子的同心度, 既可減小聲壓級(jí)又可提高風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)和擴(kuò)大風(fēng)機(jī)的失速余度，從而降低噪聲。（4）合理的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是降低風(fēng)機(jī)本身噪聲的最根本的方法，采用前掠前傾葉片，比非前掠、非前傾的葉片具有更低的聲壓級(jí)。（5）合理的選擇葉柵參數(shù)，按不等距葉片設(shè)計(jì)，使葉片間夾角不相等，達(dá)到減少各個(gè)葉片所產(chǎn)生的噪聲間的同相疊加的目的，也能