大型风机结构与气动性能试验分析.docx
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大型风机结构与气动性能试验分析
大型风机结构与气动性能试验分析
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
在现代技术的日益进步的情况，风机的存在是必不可少的。
风机不仅在各个领域里都占有一席之地，而且正在处于稳步上升发展状态。
日常生活中，风机也已经是人类生活不可或缺的一部分了。
风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。
风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，压缩机以及罗茨鼓风机，离心式风机,回转式风机,水环式风机,但是不包括活塞压缩机等容积式鼓风机和压缩机。
气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械转换为气体压力能和动能，并将气体输送出去的机械。
图1-1离心风机
风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。
风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。
图1-2高压风机
图1-3风机运行曲线
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主要的风机设计指标。
流量也称风量，以单位时间内流经风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指风机的输入功率，即轴功率。
风机有效功率与轴功率之比称为效率。
风机全压效率可达90％。
1.2课题研究主要内容
我国目前中小容量机组（200MW及以下）在火电厂中占相当大的比例，这些机组的监控模式为模拟控制系统加以常规仪表为主的数据采集系统。
这种监控模式存在着检修维护工作量大、没有可靠的历史记录等缺点。
而且常规模拟仪表也进入老化淘汰期，设备可靠性明显降低，某些仪表的备品备件也得不到保障，因此中小型机组监控系统的技术改造工作已势在必行。
结合我国国情，借鉴国内类似系统的研制经验，开发出一套经济实用的FDC-Ⅱ型分布式发电厂运行实时数据监测系统，既可用于中小机组技术改造，又可应用于变电站、供电局等电力生产、管理部门。
图1-4数据采集系统
数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。
数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
比如条码机、扫描仪等都是数据采集工具（系统）。
图1-5数据采集
用来批量采集网页，论坛等的内容，直接保存到数据库或发布到网络的一种信息化工具。
可以根据用户设定的规则自动采集原网页，获取格式网页中需要的内容，也可以对数据进行处理。
比如乐思（Knowlesys）数据采集系统等。
目前我国国产机组热控装置的质量和主辅机的可控性不尽人意，设计、安装、调试、运行水平等都存在一些问题，针对这一现状设计了FDC-Ⅱ型分布式发电厂运行实时数据监测系统。
它是只有监视功能而没有控制功能的计算机监视系统，即数据采集系统——DAS。
该系统可以采集的发电厂运行数据包括电气参数和非电气参数两类。
其中电气参数主要有电流、电压、功率、频率等模拟量，断路器状态、隔离开关位置、继电保护动作信号等开关量以及表示电度的脉冲量等。
而非电气参数种类较多，既可以是采集火力发电厂运行中的各种温度、压力、流量等热工信号，也可有水电厂中的水位、流速、流量等水工信号，还可以采集诸如绝缘介质状态、气象环境等其它信号。
该系统还包括用VisualC++开发的后台处理软件，主要有数据处理、数据库管理、实时监视、异常处理、统计计算及报表、性能分析及运行指导等功能。
该系统具有如下特点：
a.数据采集通用性较强。
不仅可采集电气量，亦可采集非电气量。
电气参数采集用交流离散采样，非电气参数采集采用继电器巡测，信号处理由高精度隔离运算放大器AD202JY调理，线性度好，精度高。
b.整个系统采用分布式结构，软、硬件均采用了模块化设计。
数据采集部分采用自行开发的带光隔离的RS-485网，通信效率高，安全性好，结构简单。
后台系统可根据实际被监控系统规模大小及要求，构成485网、Novell网及WindowsNT网等分布式网络。
由于软、硬件均为分布式、模块化结构，因而便于系统升级、维护，且根据需要组成不同的系统。
c.数据处理在WindowsNT平台上采用VisualC++语言编程，处理能力强、速度快、界面友好，可实现网络数据共享。
d.整个系统自行开发，符合我国国情。
对发电厂原有系统的改动很小，系统造价较低，比较适合中小型发电厂技术改造需要。
1.3风机概述
风机主要由风叶、百叶窗、开窗机构、电机、皮带轮、进风罩、内框架、机壳、安全网等部件组成。
开机时由电机驱动风叶旋转，并使开窗机构打开百叶窗排风。
停机时百叶窗自动关闭。
风机按使用材质分类可以分好几种，如铁壳风机（普通风机）、玻璃钢风机、塑料风机、铝风机、不锈钢风机等等
风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。
风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：
轴流式风机、离心式风机和斜流（混流）式风机。
风机按用途分为压入式局部风机（以下简称压入式风机）和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机（以下简称抽出式风机）。
风机按照加压的形式也可以分单级、双级或者多级加压风机。
如4-72是单级加压，罗茨风机则是多级加压风机
风机按照用途划分可以分为：
轴流风机、混流风机、罗茨风机、屋顶风机、空调风机等。
风机按压力可分为低压风机,中压风机,高压风机。
风机选型是一个技术性很强的工作，具体的选型方法也很多，比如：
按无因次特性曲线选型、按对数坐标曲线选型、按有因次特性曲线或性能表选型、变型选型、按管网阻力选型等，目前还有通过Web网上选型系统和运用专门的选型软件来选型。
方法纷繁复杂，有的方法的掌握需要一定的专业知识。
对于一般业务人员，熟悉和掌握有因次性能表选型和风机专门的选型软件两种方法就可以了。
这两种方法简单容易操作。
选用风机时，首先根据所需要风机的风量、全压这两个基本参数，就可以通过风机的有因次性能表（各家风机产品说明书都有相关数据）确定风机的型号和机号，这时可能不止一个产品满足要求；这时再结合风机用途、工艺要求、使用场合等，选择风机的种类、机型以及结构材质等以符合所需的工作条件，力求使风机的额定流量和额定压力，尽量接近工艺要求的流量和压力，从而使风机运行时使用工况点接近风机特性的高效区。
具体原则如下：
在选择通风机前，应了解国内通风机的生产和产品质量情况，如生产的通风机品种、规格和各种产品的特殊用途，新产品的发展和推广情况等，还应充分考虑环保的要求，以便择优选用风机。
根据通风机输送气体的物理、化学性质的不同，选择不同用途的通风机。
如输送有爆炸和易燃气体的应选防爆通风机；排尘或输送煤粉的应选择排尘或煤粉通风机；输送有腐蚀性气体的应选择防腐通风机；在高温场合下工作或输送高温气体的应选择高温通风机等。
在通风机选择性能图表上查得有二种以上的通风机可供选择时，应优先选择效率较高、机号较小：
调节范围较大的一种，当然还应加以比较，权衡利弊而决定。
如果选定的风机叶轮直径较原有风机的叶轮直径偏大很多时，为了利用原有电动机轴、轴承及支座等，必须对电动机启动时间、风机原有部件的强度及轴的临界转速等进行核算。
选择离心式通风机时，当其配用的电机功率小于或等于75KW时，可不装设仅为启动用的阀门。
当排送高温烟气或空气而选择离心锅炉引风机时，应设启动用的阀门，以防冷态运转时造成过载。
对有消声要求的通风系统，应首先选择效率高、叶轮圆周速度低的通风机，且使其在最高效率点工作；还应根据通风系统产生的噪声和振动的传播方式，采取相应的消声和减振措施。
通风机和电动机的减振措施，一般可采用减振基础，如弹簧减振器或橡胶减振器等。
在选择通风机时，应尽量避免采用通风机并联或串联工作。
当不可避免时，应选择同型号、同性能的通风机联合工作。
当采用串联时，第一级通风机到第二级通风机之间应有一定的管路联结。
所选用的新风机应考虑充分利用原有设备、适合现场制作安装及安全运行等问题。
第2章大型风机气动性能测试系统结构分析
2.1轴流风机风管出气试验系统介绍
轴流风机，就是与风叶的轴同方向的气流，如电风扇，空调外机风扇就是轴流方式运行风机。
之所以称为“轴流式”，是因为气体平行于风机轴流动。
轴流式风机通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合。
轴流式风机固定位置并使空气移动。
图2-1气动通风机
轴流式风机叶片的工作方式与飞机的机翼类似。
但是，后者是将升力向上作用于机翼上并支撑飞机的重量，而轴流式风机则固定位置并使空气移动。
轴流式风机的横截面一般为翼剖面。
叶片可以固定位置，也可以围绕其纵轴旋转。
叶片与气流的角度或者叶片间距可以不可调或可调。
改变叶片角度或间距是轴流式风机的主要优势之一。
小叶片间距角度产生较低的流量，而增加间距则可产生较高的流量。
先进的轴流式风机能够在风机运转时改变叶片间距（这与直升机旋翼颇为相似），从而相应地改变流量。
这称为动叶可调（VP）轴流式风机。
轴流风机又叫局部通风机，是工矿企业常用的一种风机，安不同于一般的风机它的电机和风叶都在一个圆筒里，外形就是一个筒形，用于局部通风，安装方便，通风换气效果明显，安全，可以接风筒把风送到指定的区域。
轴流式通风机工作时，动力机驱动叶轮在圆筒形机壳内旋转，气体从集流器进入，通过叶轮获得能量，提高压力和速度，然后沿轴向排出。
轴流通风机的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，小型的叶轮直径只有100毫米左右，大型的可达20米以上。
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。
图2-2风机风管出气试验系统
性能测试
性能测试是通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对系统的各项性能指标进行测试。
负载测试和压力测试都属于性能测试，两者可以结合进行。
通过负载测试，确定在各种工作负载下系统的性能，目标是测试当负载逐渐增加时，系统各项性能指标的变化情况。
压力测试是通过确定一个系统的瓶颈或者不能接收的性能点，来获得系统能提供的最大服务级别的测试。
图2-3性能测试图象1
性能测试在软件的质量保证中起着重要的作用，它包括的测试内容丰富多样。
中国软件评测中心将性能测试概括为三个方面：
应用在客户端性能的测试、应用在网络上性能的测试和应用在服务器端性能的测试。
通常情况下，三方面有效、合理的结合，可以达到对系统性能全面的分析和瓶颈的预测。
目的是验证软件系统是否能够达到用户提出的性能指标，同时发现软件系统中存在的性能瓶颈，优化软件，最后起到优化系统的目的。
包括以下几个方面：
评估系统的能力，测试中得到的负荷和响应时间数据可以被用于验证所计划的模型的能力，并帮助作出决策。
识别体系中的弱点：
受控的负荷可以被增加到一个极端的水平，并突破它，从而修复体系的瓶颈或薄弱的地方。
系统调优：
重复运行测试，验证调整系统的活动得到了预期的结果，从而改进性能。
检测软件中的问题：
长时间的测试执行可导致程序发生由于内存泄露引起的失败，揭示程序中的隐含的问题或冲突。
验证稳定性（resilience）可靠性（reliability）：
在一个生产负荷下执行测试一定的时间是评估系统稳定性和可靠性是否满足要求的唯一方法。
图2-4性能测试图象2
性能测试主要是通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对系统的各项性能指标进行测试。
负载测试和压力测试都属于性能测试，两者可以结合进行。
在实际中作中我们经常会对两种类型软件进行测试：
bs和cs，这两方面的性能指标一般需要哪些内容呢？
Bs结构程序一般会关注的通用指标如下（简）：
Web服务器指标指标：
*AvgRps:
平均每秒钟响应次数＝总请求时间/秒数；
*Avgtimetolastbyteperterstion（mstes）:
平均每秒业务角本的迭代次数,有人会把这两者混淆；
*SuccessfulRounds：
成功的请求；
*FailedRounds：
失败的请求；
*SuccessfulHits：
成功的点击次数；
*FailedHits：
失败的点击次数；
*HitsPerSecond：
每秒点击次数；
*SuccessfulHitsPerSecond：
每秒成功的点击次数；
*FailedHitsPerSecond：
每秒失败的点击次数；
*AttemptedConnections：
尝试链接数；
CS结构程序，由于一般软件后台通常为数据库，所以我们更注重数据库的测试指标：
*User0Connections：
用户连接数，也就是数据库的连接数量；
*Numberofdeadlocks：
数据库死锁；
*ButterCachehit：
数据库Cache的命中情况
2.2试验依据的标准与测量参数分析
AerodynamicAcceptanceTest
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3.SymbolsandSubscripts
SYMBOL
DESCRIPTION
SI
A
Areaofcrosssection
m2
D
Diameterandequivalentdiameter
m
Dh
Hydraulicdiameter
m
f
Coefficientoffriction
dimensionless
H
Fanpowerinput
W
HO
Fanpoweroutput
W
Kp
Compressibilitycoefficient
dimensionless
Le
Equivalentlengthofstraightener
m
LX,X’
LengthofductbetweenplanesXandX’
m
N
Rotationalspeed
rpm
n
Numberofreadings
dimensionless
Ps
Fanstaticpressure
Pa
PsX
StaticpressureatplaneX
Pa
Pt
Fantotalpressure
Pa
PtX
TotalpressureatplaneX
Pa
PV
Fanvelocitypressure
Pa
PVX
VelocitypressureatplaneX
Pa
pb
Correctedbarometricpressure
Pa
pe
Saturatedvaporpressureattw
Pa
pp
Partialvaporpressure
Pa
Q
Fanairflowrate
m3/s
QX
AirflowrateatplaneX
m3/s
R
Gasconstant
J/kg·K
Re
Reynoldsnumber
dimensional
td
Dry-bulbtemperature
°C
tw
Wet-bulbtemperature
°C
T
Torqueinputtomotor
Nm
x
FunctionusedtodetermineKp
dimensionless
γ
Ratioofspecificheats
dimensionless
η
Motorefficiency
dimensionless
ηt
Fantotalefficiency
dimensionless
ρ
Fanairdensity
kg/m3
ρX
AirdensityatplaneX
kg/m3
Project
Rev.
Dwg.No.
SheetNo/ofSheets
Dwg.No.
CADFile（Y/N）:
Scale
Format
AerodynamicAcceptanceTest
4.Evaluationofmeasuredvalues,Methodofevaluation,Determinationofvolumeflow
∙Flowrate
[m3/s]
[m3/s]
[Pa]
[kg/m3]
[kg/m3]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
Project
Rev.
Dwg.No.
SheetNo/ofSheets
Dwg.No.
CADFile（Y/N）:
Scale
Format
AerodynamicAcceptanceTest
∙Totalpressureincreaseofthefan
[Pa]
[mbar]
[Pa]
∙Fanpoweroutput
[kW]
∙Fanpowerinput
[kW]
∙Fantotalefficiency
[%]
[m3/s]
[Pa]
测量参数
*1.大气压力
大气压力（atmosphericpressure.barometricpressure）是地球表面覆盖有一层厚厚的由空气组成的大气层。
在大气层中的物体，都要受到空气分子撞击产生的压力。
也可以认为，大气压力是大气层中的物体受大气层自身重力产生的作用于物体上的压力。
由于地心引力作用，距地球表面近的地方，地球吸引力大，空气分子的密集程度高，撞击到物体表面的频率高，由此产生的大气压力就大。
距地球表面远的地方，地球吸引力小，空气分子的密集程度低，撞击到物体表面的频率也低，由此产生的大气压力就小。
因此在地球上不同高度的大气压力是不同的，位置越高大气压力越小。
此外，空气的温度和湿度对大气压力也有影响。
在物理学中，把纬度为45度海平面（即海拔高度为零）上的常年平均大气压力规定为1标准大气压（atm）。
此标准大气压为一定值。
其值为1标准大气压=760毫米汞柱=1.033工程大气压=1.0133X10的5次方帕＝0.10133MPa。
*2.大气温度湿度
所谓大气湿度就是指空气中的潮湿程度，它表示当时大气中水汽含量距离大气饱和的程度，一般用相对湿度百分比来表示大气湿度的程度。
在一定气温下，大气中相对湿度越小，水汽蒸发也就越快；反之，大气中相对湿度越大，水汽蒸发也就越慢。
在人们实际生活中，冬春季会感到空气干燥，夏季出现天气闷热的现象，这都是由于大气中湿度的变化在起作用。
*3.进气静压
进气口处流体在静止时所产生的压力
*4.出气静压
出气口流体在静止时所产生的压力
*5.出口动压
物体在流体中运动时，在正对流动运动的方向的表面，流体完全受阻，此处的流体速度为0，其动能转变为压力能，压力增大，其压力称为全受阻压力（简称全压或总压，用P表示），它与未受扰动处的压力（即静压，用P静表示）之差，称为动压（用P动表示）。
*6.进口温度
*7.出口温度
*8.风机转速
2.3轴流风机主要组成部件功能分析
大型风机气动性能试验数据采集与处理系统的主要组成部件有测量管路连接，测试台架，变送器信号，多通道数据I/O单元，远程监控计算机，现场监控计算机，冗余监视计算机，以太网等部件组成。
下面专门解释一下以太网。
以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。
以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。
以太网与IEEE802·3系列标准相类似。
图2-5以太网
以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的一个。
人们通常认为以太网发明于1973年，当年罗伯特·梅特卡夫（RobertMetcalfe）给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。
但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。
在1976年，梅特卡夫和他的助手DavidBoggs发表了一篇名为《以太网：
局域计算机网络的分布式包交换技术》的文章。
1977年底，梅特卡夫和他的合作者获得了“具有冲突检测的多点数据通信系统”的专利，多点传输系统被称为CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）。
从此标志以太网的诞生。
1979年，梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐，成立了3Com公司。
3com对迪吉多,英特尔,和施乐进行游说，希望与他们一起将以太网标准化、规范化。
这个通用的以太网标准于1980年9月30日出台。
当时业界有两个流行的非公有网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网大潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。
而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。
梅特卡夫曾经开玩笑说，JerrySaltzer为3Com的成功作出了贡献。
Saltzer在一篇与他人合著的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比以太网优越。
受到此结论的影响，很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置，这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。
这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究，只适合在实际中应用”。
也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：
通常情况下，网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同，而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。
梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院MAC项目（ProjectMAC）的同一层楼里工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了以太网技术的理论基础。
它不是一种具体的网络，是一种技术规范。
该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。
以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10BaseT以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。
直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。
为什么叫以太网？
以太网这个名字，起源于一个科学假设：
声音是通过空气传播的，那么光呢？
在外太空没有空气光也可以传播。
于是，有人说光是通过一种叫以太的物质传播。
后来，爱因斯坦证明以太根本就不存在。
大家知道，声音是通过空气传播的，那么光是通过什么传播的呢？
在牛顿运动定律中，物体的运动是相对的。
比如，地铁车厢里面的人看见您
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