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BK55系列轴流通风机的设计

王雁彬 许光君 / 辽宁交通高等专科学校    

摘要:主要阐述了BK55系列轴流通风机叶轮级气动的设计原理和部分过程。在设计计算过程中采用了孤立翼型试验数据、等环量设计方法。同时,在选择R+S级风机基础上增加了对气流只起轴向引导而无预旋作用的集流器,以降低噪声和提高效率。

关键词 轴流式通风机;等环量设计;轮毂比;孤立翼型

中图分类号: TH432.1    文献标识码: B

Design of BK 55 Series Axial-flow Fan

Abstract: This paper specified the design principle and partial process of impeller stage air operated of BK 55 series axial-flow fan. The isolated airfoil test data and the equal circulation design method are adopted in the process of design and calculation. At the same time, in order to induce noise and improve efficiency, the current collector only playing the role of axial guiding the air current not having turned on lathe is added on the basis of selecting R+S stage fan.

Key words: axial-flow fan; equal circulation design; hub ratio; isolated airfoil

O  引言

  BK55系列轴流通风机主要为小型煤矿设计,电机功率范围2.2~11kW,6级电机。设计时综合考虑了小型煤矿通风网络参数、风机成本和风机运行效率等因素,风机级形式采用“叶轮 + 后导流器级”(R+S级),叶片选用圆弧板翼型。该系列风机具有型谱齐全、成本低、高效区域广、噪声低、安装方便等特点,为小型煤矿的主扇更新换代提供了选择。

  该系列风机主要特点是采用逆向设计法,先根据小型煤矿通风特点,选择合适的风机级形式和轮毂比dˉ,然后按高效率、低成本原则,用6-4.0kW电机进行样机设计和数据的验算。

1   基本参数的确定

  通风机样机选用6-4.0kW防爆电机,电机转速960r/min。电机放置于通风机内部,叶轮和电机轴直联,要考虑电机外径,即轮毂直径要小于电机外表直径。考虑电机功率较小,为降低成本,叶片采用圆弧板翼型。根据此样机的实际测试数据,即可绘制出此类风机的基本无因次性能参数曲线,本系列其他型号风机即可按风机相似原理进行设计。

1.1 轮毂比dˉ的确定

  通风机叶轮级的气动设计是设计关键,其设计内容主要包括轮毂的比确定和叶片的设计。轮毂比与通风机全压成正比,与通风机效率和流量成反比。同时,轮毂比小,工作区域宽。小型煤矿通风管网阻力一般情况复杂、产量不高,适合于选用压力高、工作区域宽、流量小的风机。根据文献[1]和经验数据,轴通流风机的轮毂比一般在0.3~0.7之间,同时考虑圆弧板翼型轮阻损失较大,而减小轮阻损失的方法包括减小叶片高度和叶轮轮毂宽度,初步确定轮毂比dˉ为0.55。本设计采用等环量流型进行气动设计,即理论全压为常数,气流轴向速度为常数。

1.2  风量、全压和叶轮直径的确定

根据大量试验的资料统计[2],叶轮直径D与全压p t 、流量Q和转速n之间存在一定关系。即

  结合文献[3],总结出系数K u 与比转数ns 之间存在一定关系。即Ku=0.0061ns+0.956

  根据风机理论,比转数和风机全压、风量的关系为ns=5.54n[(qV1/2)/(pt3/4)] ,而比转数ns和轮毂比dˉ的关系曲线见图1。在相同轮毂比情况下,圆弧板型叶片比转数较低,从图中可知,在一般轮毂比dˉ=0.55 时,比转数ns范围为140~180。

图1 轮毂比dˉ和比转数n s 的关系曲线

  大量试验表明,轴流通风机全压系数随着比转数nS的增加而减小。对于R+S级轴流通风机,当比转数nS=100~300时,全压效率ηf变化不大,一般为0.85左右[4]

  风机电机功率:
            

  式中K为安全系数,一般取1.05~1.1。

  结合上述公式,比转数nS分别取140、150、160、170、180时,所计算的全压、风量和叶轮直径见表1。

  一般来说,在风机产生全压相同情况下,全压系数高、流量系数低,风机所产生的静压高,这样有利于提高风机高效区域范围,因此易选择较高全压系数对应的比转数,由表1可取ns=140。确定以上参数后,还要对轮毂比进行验证,以检验在叶片根部是否会发生气流分离,即所选轮毂比必须不小于最小轮毂比。由经验公式和数据,计算出了用以上参数设计风机的最小比为dˉmin=0.49。所以,轮毂比dˉ=0.55满足要求。由于采用内置电机,还要考虑电机直径,经查电机资料, 6-4.0kW防爆电机外圆直径为Ф486,叶轮直径需大于486/0.55=884m,所以选择叶轮直径D=1m能够满足所需电机空间要求。

2  叶轮的设计

  综上所述,风机所确定参数:轮毂比dˉ=0.55、比转数ns=140、风量qv=6.78m3/s=407m3/min 、全压pf=456Pa,叶轮直径D =1m。由以上数据即可进行圆弧板型叶片的设计。

2.1  叶片数的确定

  采用孤立翼型试验数据进行设计时,叶栅稠度越小越准确,其极限值不宜大于1[5]。根据轴流通风机的最佳叶片数Z可采用表2推荐的数值[4] ,初步确定叶片数为8。

表2 叶片数Z与轮毂比dˉ之间的关系

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Z

2 ~ 6

4 ~ 8

6 ~ 12

8 ~ 16

10 ~ 20

2.2  叶片几何尺寸和安装角的计算

  将整个叶片分成5个计算截面,各截面气流参数和几何尺寸计算结果列于表3中。

图2 圆弧板翼型的性能曲线

  翼型中线既可采用单圆弧,也可采用双圆弧[3],本例按单圆弧设计。此时,弦高f的相对距离aˉ=α/b=0.5。经过叶根强度校核,叶片选用厚度δ=4mm钢板比较合适(计算过程略),各截面形状见图3。将各截面平滑过渡,同时保证各截面翼型中线中点落在同一径向线上,即可得到整个叶片中线面的几何形状和尺寸。

图3 叶片各计算截面形状和尺寸

2.3  风机R级的设计

  叶轮宽度B按截面1在轴向投影长度确定,即B=312×sin36.51°=185.6mm,取185mm。叶顶间隙δ取叶片长度的2%,即δ=2%×(1-dˉ)D/2=4.5,取5mm。制造时,叶片长度L=(1- dˉ)D/2=225,与叶片顶端配合的风机主风筒直径为1010mm。叶轮要进行动、静平衡试验,达到国际标准ISOl940:1973(E)的G6.3级别,以降低噪声、能耗,提高风机使用寿命。为减少涡流损失,增加了防喘振的稳流环,风机R级设计的结构见图4。该风机的测试结果见图5。

图4 风机R级基本结构

图5 测试风机曲线

  集流器设计、导流罩设计和扩散器设计过程略。 需要注意的是,轴流风机叶顶圆周速度的约束条件为ut<130m/s,否则噪声过大[6]

3   结论

  经样机测试表明,风机全压、静压、风量、噪声等技术指标和设计数据基本相符,验证了此系列风机设计中所运用理论和采用数据的准确性。根据测试数据即可计算出通风机械的基本无因次性能参数,如流量系数、压力系数、比转数、比直径等。根据轴流通风机的相似原理,通过无因次性能参数即可进行同类型其他规格风机设计。

  该风机结构简单,电机安装在风机筒体中,叶轮与电机轴直联,风机可反转反风,反风率达80%以上。由于风机设置了防喘振结构,运行平稳,噪声不超过82dB,不必安装消声器。

参 考 文 献

[1]步群.轴流通风机最佳叶轮直径的确定[J].风机技术,1988(5):18-23.

[2]程良遒.轴流通风机设计计算[J].透平压缩机械,1975(2):12-16.

[3]李庆宜.通风机[M].机械工业出版社,1981.

[4]昌泽舟.轴流通风机实用技术[M].机械工业出版社,2005.

[5]B.埃克.通风机[M].沈阳鼓风机研究所等译.机械工业出版社,1983.

[6]刘玉成.中低压轴流通风机最优流型气动设计方法[J].风机技术,1988(3):40-43.

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  评论人:lserhpyeq   打分:85 分  发表时间:2015-4-3 7:30:32
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