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毕业设计(论文)-离心通风机设计
发布时间:2020-04-29 17:37

  中国矿业大学2007届本科生毕业设计(论文) 1.1矿用通风机行业概况 世界各主要产煤国对矿井通风机需求逐年增加。原苏联主要产品B 15 型离心式通风机和 BO —18 型轴流式通风机,离心式通风机直径达 3.12~ 4.17m,效率 84%~86%,轴流式通风机直径达 1.18~4m,效率 80%。美国矿井 用的通风机以轴流式通风机为主,因为其调节范围宽,加速性能、动态性能和 运行效率优于离心式通风机。其叶轮最大直径达 4.127m,最大功率 7600kW, 最高转速 3600r/min,动叶单独可调。近 70 年来,通风机在采矿工程中的应用 方式不断变迁。从1922 年JR罗宾逊所写的“实用矿井通风”技术手册 时起,预示通风的控制由自然方式进入了机械方式。而此时所使用的大型、机 械驱动的风机就是离心式的。当时的离心式风机运行速度低,大约 300r/min, 而且大部分是由蒸汽机驱动。20 年代末至30 年代初,矿井规模的扩大,要求增 大风机的压力和流量。由电机驱动的高速(700~800r/min)轴流式风机应运而 生。它体积小且安装费用低,在矿井通风的应用中占了统治地位。然而,由于 开采方式的变更,矿井通风静压的需求逐步提高,离心式风机又成为矿井通风 的一种较理想选择。70 年代,后退长壁开采方式被普遍采用。早期的长壁工 作面宽90~120m,长1200~1800m。90 年代的超大型工作面宽达275m,长达 4440m。在国外即使采空区塌落而形成废石充填区,但由于开采工艺要求,气流 还需流通该区。塌落区的空气阻力系数明显高于开阔的风道,所以矿井主风扇 还必须提高其压力以满足通风的需要。一些矿井曾尝试采用高转速的轴流风 机(甚至为 级叶轮,1.5m 直径,运行转速 1780r/min)。但该类风机噪音大,普 遍存在叶片及轴承的故障。 1.2 通风机在矿上的应用 为了冲淡和排除井下的有害气体和粉尘,为井下各巷道及采、掘工作面提 供新鲜风流,保证井下工作人员有足够数量、符合要求的空气供呼吸,确保井 下工作人员的人身安全,改善井下工作环境,在煤矿生产中必须不间断地向井 下供给大量的新鲜空气。煤矿用主通风机就是向井下输送空气的设备,通常情 况井下每采1t 煤炭就要向井下输送4~6t 新鲜空气,矿井主通风机的电耗平均 约占煤矿电耗的8%~15%,它是煤矿井下通风不可缺少的安全设备,也是矿井 的关键设备。在通风设备的选择设计时,对其可靠性必须予以足够的重视。随 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 着世界范围内能源短缺和经济增长对能源需求的增加,迫切要求人们节约能源和保护环境。而矿井主通风机每天都必须运行,选择节电、低噪型通风机就 显得非常重要。20 世纪80 年代后,由于采用了新技术、新工艺,通风机的效率 提高了 5%~10%,扩大了调节范围,提高变负荷条件下通风机的运行效率,是 通风机运行的重要方面。有的国家还应用电脑优化控制调节,成为代表世界科 技进步的趋势之一。随着社会的不断发展,矿井主通风机会更加具备安全可 靠、高效节能、低噪、自动化程度高和安装简便等特点,矿井理想的主通风设 备会越来越多。 1.3 通风机选型对经济运转的影响 矿用通风机包括离心式和轴流式两类。一般说,离心式通风机较之流式通 风机的额定效率高,但效率曲线陡,高效区窄,平均效率低。所以这类风机与网 路的适应性差,一旦网路特性发生变化,工况效率则必大幅下降。因此,离心式 通风机较适合在整个运转期间,网路阻力变化不大的矿井。而轴流式通风机虽 最高效率不及离心机,但它的等效率曲线与网路特性曲线夹角很小,近似平行, 故当网路特性发生变化时,工况效率的变化比离心式要小,所以运转期间的平 均效率较高。尤其是 90 年代初,我国开始生产的 2K56、KZS 型轴流式通风 机,不仅最高效率比80 年代生产的2K60 要高,而且高效区普遍向低压区移动, 如表1 所示,因而也就更适合我国矿井负压普遍较低的实际。 1.4 矿井通风机使用情况 从我国的矿业发展过程看,五六十年代的中小矿井也大多采用离心式风 机,随着矿井规模不断扩大,轴流式风机的采用逐渐增多,而且显示出流量大、 风量调节简单、返风方便的优点。今后会不会向国外那样发展呢?根据我国 矿井的开采工艺和有关规范规定分析认为: (1)虽然后退式长壁采煤方法在我 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 国已普遍采用,但国内的采空区和塌陷区一般不需进行通风,而采取与工作面隔离的方式,因此矿井阻力不会大幅度增加;(2)目前我国矿井的采深普遍在 600m 以内, 随着矿井的开拓延深,工作面距离越来越远,通风阻力也会不断增 加,在一定程度上选择高静压的离心式风机要好于轴流式风机。例如,河南省 某矿井开采深度大于 500m 最小负压1143Pa, 最大负压 2928Pa, 风量 ,选择G4-73-11No.28型离心式风机或BDK65A-10-No.28 型轴流式风 机都能满足要求。当开采深度在 700m 水平时,采区工作面距离井口约 7km, 负压将达到4020Pa,风量 ,这时如果仍利用原风井风机通风,轴流风机的静压就不够了,而离心风机仍旧可以使用。但是,我国《煤矿设计规范》第 10.1.5 条明确规定“矿井通风的设计负,压,不应超过 2940Pa”,这在根本上限 制了通风负压。 1.5 国内使用的矿井主通风机简介 目前,。我国煤矿在役的主要通风机,以下几个系列的使用占有90%以上。这对有些矿井在通风机能力不足时的改造、对设计及现场选购通风机、对现 有通风机改造起到参考和帮助的作用。 1.5.1 2K 系列通风机 2K 系列轴流通风机按轮毂比不同分为2K56、1K58、2K58、2K60 和KZS 等几个系列,主要由沈阳鼓风机厂、沈阳风机厂和吉林鼓风机厂生产。叶轮直 1.12m~3.16m,可满足不同大小矿井的需要。该系列通风机均为单、双级叶轮,机翼为扭曲叶片,叶片角度可在较大范围内进行有级(1K58、2K58、 KZS)或无级(2K56、2K60)调节,且均可直接反转反风。这是我国煤矿以前用 量较大、较多的一类通风机。可以满足多数矿井对通风机低压力、大风量的 需要,刹车、测温、测震基座等附属装置也较为齐全。现场实测表明其静压效 率可达75%以上,但气动噪声大。该系列通风机除适用于新建和改扩建矿井外, 由于其外形与我国较早使用的70B2 和2By 型轴流通风机相近,更适用于对这 类通风机的改造,可较大幅度的节约改造费用,缩短改造时间。 1.5.2 BD(K)系列通风机 BD(K)系列通风机近年来发展很快,生产厂家也较多,主要有湘潭平安、南 阳、燕京等厂家,该系列通风机最大已经生产到了 4m。该风机采用双级双电 动机驱动结构,两级叶轮相对并反向旋转,其结构相当于两台同型号轴流通风 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 机对接在一起串联工作,因此被广泛称之为对旋通风机。由于这种结构可省去中间及后置固定导叶,且涡流损失较小,具有传动损耗小、压力高、高效范围 较宽、效率也较高的特点。厂家提供的通风机最大静压效率可达86%,现场实 测其装置静压效率可达77%。该系列通风机除了可在较大范围内调整叶片角 度外,还可对前后级安装角度进行适当组合,并可单级运行,因此可调范围更 宽。但实测结果表明:单级运行时通风机的效率太低,仅有50%左右,不宜长期 使用。此外,由于该系列通风机结构的整体性和密闭性均较好,且可以实现反 转反风,使用该系列通风机可以不建通风机房,不用反风道,具有基建工期短、 节省基建费用等优越性,适合于要求尽快投产的新建风井。 1.5.3 GAF 系列通风机 GAF 系列通风机是在引进国外技术的基础上,结合国内的实际情况加以 改型改造的轴流通风机。该通风机具有风量风压调节范围宽、静压效率高、 叶片角度调节自动化程度高等优点,尤其是采用液压调节和涡轮涡杆同步调 节装置调整叶片的通风机,改变叶片运行角度非常容易,特别适用于需要经常 改变运行工况的矿井使用。此外,GAF 系列通风机的叶轮直径、轮毂比分档 较多,再加上叶片数和转速等的变化,可形成上千种基本型号,上万种标准产品, 为用户根据技术参数和使用要求进行量体裁衣式的选型提供了方便。由于叶 片角度调整方便,这类通风机可通过改变风叶角度实现通风机反风,既不需要 反风道,也不需要通风机反转控制装置,且反风量也满足规程要求。但该类通 风机与同等能力的其他系列通风机相比,初期投资较大。 1.5.4 G4—73、4—72 系列离心式通风机 我国矿井使用的离心式通风机主要就是这两个系列,生产厂家较多。G4 —73 系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风)设计的,后来被引用到矿井 通风中并拥有一定的市场占有量。该系列离心式通风机的特点是特性曲线较 平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门 (也叫前导器), 具有启动功率较小,启动容易的特点。运行时调节门可在0~70范围内调 节,用以改变运行工况,还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适 应性较好。4—72 系列通风机的特性曲线较平缓,运行噪声较小,效率高,适用 于通风阻力不是太大的中小型矿井。我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风 机较多,由于机型小,配置电动机的容量也小,可配用380V或660V电压的电动 机,特别适用于无高压(6000V)供电的矿井使用。但对初、后期风压变化大的 矿井,离心通风机的调节性能差。 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 1.6离心通风机的应用现状与经济分析 鉴于我国风机的应用现状,研究高效率的风机,再大幅度地提高风机本身的效率不大可能。目前,研究和应用最佳的风机调速才是降低风机电耗的最有 效途径。风机的耗电量与转速的立方成正比。风机的转速降低,其耗电量将以 其立方的比例下降,例如:根据工艺要求,风机的风量下降到 80%风机的转速 也下降到 80%,其风机轴功率则到额定功率的 51%;若风机的风量下降到 50%,则风机的转速也下降到 50%,其风机轴功率降到额定功率的 13%,节电 87%;从节能角度以风机调速最为有利,调节范围最大,其经济也最佳。同时,采 用变转速调节后,可以降低噪声,减轻引风机叶轮的磨损,延长叶轮的寿命。所 以,风机的节能重点应放在风变转速调节上。风机变转速调节,需要通过装置 来实现。 1.7 风机经济性评价方法【1】 采用“将来费用折算现值”的方法,对离心通风机调节方案进行经济性评 价。所谓“费用折算现值”是指购买附加设备费、安装费,维持风机和附加 设备在全部使用寿命期间运需的运行费、维修费的折算现值。总现值最小方 案为最优方案。“将来费用折算现值”法,较全面而准确地反映各方案经济性 的优劣,风机改造时可作为主要的参考依据。将来折算现值的计算公式为 F=TTE+T(HDDF+WX)Y F———将来费用现值,万元T———风机台数 TE———风机和附加装置的总投资,万元 HD———系统年耗电量,万kWh/a DF———电费,元/kWh WX———风机和附加设备的年维修费,万元 Y———使用寿命,a 1.8 离心通风机几种调速装置的特点 离心通风机调速装置有:液力耦合器、电磁滑差调速电机、双速电机、晶闸管串级调速装置及变频调速装置。 1.8.1 液力耦合器 是利用流体的动能来传递功率的一种动力式传动设备。安装在电动机和 风机之间,可以在电动机转速不变的情况下,实现无级变速来改变风机的特性 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 曲线和电动机的空载启动。但液力耦合器在调速的过程中,存在着固有的滑差功率损失,所以传动效率较低。液力耦合器装置技术上比较成熟,在电厂风机 中应用也较多,并取得了一定的节电效果,但不能盲目使用。经过调查得出,若 风机的富裕量不是太大,那么节电效果就不明显;若在锅炉带额定负荷时采用 液力耦合器,不但不能省电,甚至还多耗电。电磁滑差调速电机能实现无级变 速,速度调节平滑,无失控区能空载调速,转速变化率小;其控制设备也简单,初 投资低,维护方便,节电效果明显。但在调速时其转差功率会以发热形式损耗 掉,所以经济效益较低。双速电机是采用单绕组变极方法实现速度变换的,初 投资低,使用时能使整机结构紧凑,可降低噪声和节约能源,维护也简单。但低 速时的启动力矩小,往往需先在高速下启动,然后再切换到低速运行。运行人 员不敢在运行中进行变速操作,开关的可靠性也差。 1.8.2 晶闸串级调速 就是在转子绕组回路中串接一个反电势,通过改变转差率来调节绕线式 异步电动机转速的一种调节方法,该装置不仅可以对电机进行无级变速,而且 在调速时还可将转差功率转化为机械能加到负载,或转化为电能返回电网,因 而系统效率较高。该装置的初投资较高,调速装置需进行维护,还得采用绕线 式电机,增加了维修工作量。 1.8.3 变频调速 是交流电动机调速的最新技术,是通过改变定子的供电电源频率来改变 旋转磁场的同步转速,从而改变转子的转速。对于交流电动机,转速n 与频率f 成正比,所以,连续调节电动机的频率能改变电动机的转速,鼠笼式三相异步电 动机采用变频方法可以实现无级变速。调节效率高、调速范围大(电机可在 0%~100%频率转速下运行),与其他调节装置相比,性能最佳。当调速范围在 同步转速的 30%以上时,装置本身的效率不低于 90%。变频调速不存在励磁 滑差损耗和挡板、阀门节流功率损耗,不存在转差损耗,因此节能效果良好。 1.9 大型离心通风机叶轮的三维应力计算 利用三维有限元方法,对大型风机叶轮进行了强度的计算和分析。针对复杂形状叶片———机翼型叶片的特点,对具有复杂叶片叶轮模型建立的方法 进行了探讨,并分析了整个叶轮的应力分布,在强度方面为叶轮的设计提供理 论依据,以达到改进实际叶轮结构的目的。离心叶轮强度的常规算法仅反映叶 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 轮平均应力的大概情况,不能很好地反映真实应力的分布。对实际叶轮的设计也就只能靠设定安全系数来保证叶轮的安全运行。有时为了保证强度,如果安 全系数取得过大,就势必会造成原材料的浪费,对降低生产成本不利;如果安全 系数给得过小,又不能在强度方面得到保证。 自从 1960 年克拉夫首次提出有限元的概念至今,有限元方法已发展成为 数值分析计算中的一种有效方法。它同样在风机行业中得到了广泛的应用。 目前,对有些离心压缩机强度采用轴对称有限元模型进行计算,这种有限元方 法对实际的模型做了一些简化(如将弧型叶片简化成径向直叶片,并将其扩散 成一变刚度、变质量的盘型夹层),与实际情况不太相符,不能很好地真实反映 整个叶轮的应力分布,这种简化可能会影响结果的精确性。而且这种方法对机 翼型叶片或曲线叶片的叶轮的计算存在一定的困难。对于三元流叶轮来说, 叶片具有复杂的几何形状,如对带有筋板的机翼型叶片的叶轮,采用三维有限 元计算方法可以很好地处理模型上复杂的几何问题,建立模型时不需做任何 简化,可按实际叶轮的几何尺寸建立。故计算所建立的叶轮模型能较好地反映 实际问题,并能更为详细和准确地反映真实应力的分布,能得到不同位置的应 力和位移值,并能确定最大应力所处的确切位置。从而为叶轮的三元流设计在 强度方面提供理论依据并达到改进叶轮结构设计的目的。 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 第二章离心通风机的理论基础 2.1 通风机的基本方程式 离心通风机叶片入口和出口速度图 βb2c2 c2u u2 βb1 w1 c1m u1 c1 c1u 图2-1叶片出入口速度图 表示相对速度;u表示圆周速度;c 表示绝对速度,圆周速度 之间的夹角用表示,称绝对速度角;相对速度 与圆周速度反方向的 夹角用 表示,称为流动角。叶片切线与圆周速度反方向的夹角用 表示,称为叶片安装角。则在叶片出入口得到下列关系式: 中国矿业大学2007届本科生毕业设计(论文) cmcu 图2-2速度三角形 气体在叶轮内的流动过程可作一些假定,把它当作一元流动讨论,即用 流束理论进行分析,这些基本假定是: 通风机工作时没有任何损失,则原动机加到通风机上的能量等于被输送气体所获得的能量; 叶片数目无限多且无限薄,则气流将被分成微小流束,其形状和叶片完全一致,且叶片入口与出口没有突然收缩和突然扩张现象,因此可认为沿 圆周各点的速度相等; 不考虑气体压缩性。原动机加到通风机轴上的外力矩为M (N*m),设流过叶轮的理论流量为 为叶片入口处半径,在dt时刻流 过叶轮的流体质量流量为 dt,则叶轮进出口处流体相对于轴面的动量矩分别为 coscos 根据以上假设和动量矩定理,上式应等于作用于该流体上的外力矩,此力矩即叶轮旋转时给予该流体的转矩M,则 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) coscos 叶轮旋转角速度为(rad/s)时,该力矩对流体所做的功率为M (2-2)上式即欧拉方程式,它是通风机,水泵,透平压缩机等叶轮机械的基本方程 (2-5)因此,当 ,流体径向流入叶轮时,获得最大的理论能头。由式(2-3)和(2-4)可知, 与流体的密度无关,即与流体性质无关,中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 相等,即泵产生的液柱与风机产生的气柱高度相等。2.2 叶片出口安装角对风机性能的影响 总压头 (2-6)另一部分为动压能 (2-7)反作用度 表示静压能在总压能中所占的比例,即 (2-9)由上式可见,值越大,叶轮出口动压越小,在通风机扩压部分把动压变为 静压的损失就越小,对提高通风机效率越有利。 由叶片出口速度图得 (2-11)中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 由图2-1出口速度三角形得 (2-12)由式(2-12)可知, 增加到等于最大角 代入式(2-12)得中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 表明此时流体机械获得的总压头中全部为动压头。以上分析表明,随出口安装角增加,流体获得的理论压头增加,反作用 度减小,当从 越大,流体从叶轮获得的能量越多,因此,前弯式叶片产生的压头最大,径向式叶片次之,后弯式最小。 由以上分析可知,在 相同的条件下,前弯式叶片产生的绝对速度比后弯式叶片大,而液体的流动损失与速度的平方成正比( 因此,当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时,其能量损失比后弯叶片大。同时为把动能转为压能,在能量转换过程中,必然又伴随着能量损失,因而其效率 远低于后弯式叶片。但前弯式叶片有以下优点:当其和后弯式叶片的转速, 流量及产生的能头相同时,可以减少叶轮外径 ,因此,可以减小风机的尺寸,缩小体积,减轻质量。又因风机输送的流体为气体,气体密度远小于液 体,而摩擦力正比于密度,所以风机损失的能量远小于泵。 2.3 叶片出口角 对风机性能的影响另解高效后向通风机叶片出口角 中国矿业大学2007届本科生毕业设计(论文) 叶轮机械Euler方程的离心通风机全压公式是 ———分别为有限叶片系数和叶轮流动效率由上式可知,如果后向通风机的 越大,全压就越高。但是出口角的增大会导致气流滞后角的增大,叶片出口流动分离增大。这不仅会引起效率下降,全压 也上不去。在现有的工程设计中,不可能给出高效后向通风机叶片出口角 的限值。对于中压离心通风机可通过数值模拟得到:当出口角大于81后,一般 不能再简单地设想用提高出口角来提高风机全压,因为这时随着出口角增大, 全压将保持不变或下降,但效率已经下降。为此,提出中压离心通风机高效后 向通风机叶片出口角 的限值为。2.4 离心通风机的理论特性曲线 通风机的理论全压与理论流量之间的关系曲线,叫做风机的理论全压特性曲 ——叶片出口宽度式(2-11)右边各量,除 以外都是常量,故式(2-11)可写成中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 图上,式(2-12)是一条直线 pt 图2-4理论功率特性曲线 根据以上分析,离心通风机的叶片出口角 的大小对通风机的特性起着很重要的作用,根据 c2uc2m u2 c2u c2uc2m u2 c2u βb2 u2 c2u c2m c2u βb2βb2 后向 径向 图2-5前向,径向和后向叶片的比较 2-5可知,后向叶片, 。根据式2-5,在 随着2u 超载能力后向 中国矿业大学2007届本科生毕业设计(论文) (超载能力:当通风机的流量增大时后向叶片通风机的功率增加最慢,前向叶片的功率增加最快,径向叶片的功率在两者之间) 2.5 通风机的实际特性曲线 从关系式 可知,考虑有限多叶片的影响后的理论全压,是无限多叶片时理论全压的k 倍。叶轮内各部分损失与相应的速度平方成正比,AG亚游手机客户端 因而与流量的平方成正比,可写为 之间的关系曲线为一二次抛物线。冲击损失可表示为 ptq0 qt 流动损失有限叶片压力减小 图2-6 用分析法绘制实际压力特性曲线-无限多叶片的理论曲线-有限多叶片的理论全压曲线-考虑流动损失的性能曲线-实际全压特性曲线 未考虑通风机的容积损失,在一般情况下,容积损失很小, 中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) q0q0 图2-7容积损失的实 际特性曲线 通风机的实际特 性曲线 风机的全压特性曲线 当容积损失较大时,应从曲线 是根据理论计算的,与实验方法求出的实际全压特性曲线 是用实验方法求出的全压特性曲线及实际功率曲线和效率曲线。某些 前向离心通风机的实际压力曲线,在小流量段出现驼峰形状,如图 2-8,这 是因为,当通风机的流量很小时,气流只占叶道的一部分,因而叶道的有效 断面积减小,气流速度增加,对于前向叶轮,气流未充满叶道时的全压将升 高;对于后向叶轮,气流未充满叶道时的全压将降低。因此前向叶片的通风机 在流量很小时,有可能因压力增高而出现如图2-8 所示的驼峰,后向叶片的 通风机则不能。 2.6 气体在离心通风机叶轮内的实际流动情况 实验表明,如果在气体运动的路径上存在某物体,则在此物体以前和以 后都要发生气流扰动,当气流到物体之前,速度就开始发生变化。气流在进 入轮也入口边缘前,在叶轮旋转方向有一预旋速度 1u ,即叶片入口处的气流绝对速度 不是沿半径方向,而是向叶轮旋转方向偏斜,当1u 的与方向一致时,称为正预旋,反之为负预旋。如图2-5 所示, 1u 的比值叫做预中国矿业大学2007 届本科生毕业设计(论文) 表示:c1m c1

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