通风机选型及优化设计系统研究

分类号： 单位代码：11232 密级： 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 北京机械工业学院工学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 通风机选型及优化设计 系统研究 学科(专业)：机械设计及理论 研究生：李伟国 指导教师：王建华 教授 二oO六年一月 摘要 摘要 通风机在许多场合经常被选用，由于通风机型号种类多，手动选型不但花 费时间多，而且会让人觉得繁琐，容易遗漏和出错。通过编写的通风机选型软 件进行选型，可极大地提高选型效率，只要用户输入所需要的气体流量和出口 全压等参数值，即能自动给出选型过程和结果，并给出所选出通风机的效率和 价格等，选型软件还将给出所选通风机的性能曲线图和外形尺寸图，用户可对 符合要求的通风机有直观的了解从而作出最终的选择。采用无因次特性曲线结 合有因次参数数据的方法进行通风机选型，克服了只用无因次特性曲线选型带 来的误差缺陷，通过大量的通风机选型实例验证了所采用选型方法的准确性。 通风机选型数据库由XML构建，可在软件内部对通风机数据库进行查询、 增加、删除和修改等，不需要借助外部数据库管理系统。实际选型过程表明XML 数据库能够满足选型需要，对数据库的操作能够较容易实现。 当现有的通风机不能满足用户要求时，需要重新设计制造通风机。为了提 高轴流通风机的效率和降低噪音，采用主要目标法处理多目标优化问题，用离 散复合形法对轴流通风机的气动设计进行优化。实例计算表明，用离散复合形 法的优化设计比传统设计有较大优越性。 关键词：通风机；选型；优化设计；离散复合形法 Abs打act ABSTRACT Farmerisoftenselectedinmanysituations，manualfannerselectionwilltake muchtimeandmakepeoplefeelitcockamamie，peopleareeasytoomitthefarmer thatisbeuptothemustardandmakeamistakeinthisway．Throughthecompiled softwareaboutfannerselection，itwillimprovetheefficiencygreatlytoselectthe fannenThesoftwarewillgivetheselectionprocessandresultautomaticallyafterthe userinputsthevalueoftherequestedairfluxandfullexportpressure．Theefficiency andpriceoftheselectedfarmerwillbegiven，andwewillalsoSeetheperformance curvediagramandtheshapesizediagramoftheselectedfarmer,11leuserwillhave theintuitionisticacquaintanceaboutthefannerthatisuptothemustardthroughthe softwareandmakethefinaldecision．ThecombineofthecharacteristiccItllVeon parameterswithnounitandtheparameterdatawimaunitisusedinthefarmer selectionanditovercomethedisadvantageofselectingonlyinthewayofthe characteristicCallNeonparameterswithnounit．Theadoptedselectionmethodis provedrightthoughmanyexamplesofthefarmerselection． ThedatabaseofthefarmerselectionisconstructedthroughtheXMLIt锄be queried，added,deletedandmodifiedthroughthesoftwareanddidn’tneedthe externalDBMS．ItshowsthatXMLdatabase伽meettheneedofthefaaner selectionduringtheactualfarmerselection．Itiseasytomanipulatethedatabase． Weneednewlydesignandmanufacturefarmerwhentheexitingfarmercan’t meettheuser’Srequest．Toimprovetheefficiencyandreducethenoiseoftheaxial fan，optimizationismadeforthepneumaticdesignbydiscretecompositeshape arithmetic．Multi-Objectoptimizationquestionisdealtwithbythemainobject method．11leinstanceshowsthatoptimumdesignbydiscretecompositeshape arithmetichasmoreadvantagesthantraditionaldesignmethod． KeyWords：farmer；farmerselection；Optimumdesign；Discretecompositeshape aritlrmetic II 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：鸯德国 ‰e年3月IEl 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：， 学位论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：徘国 伽(，年3月 i日 第1章绪论 第1章绪论 1．1通风机选型、优化设计技术及发展现状 风机主要用来输送气体。它的用途主要有：①解决一定空间内空气质量差的 问题，一方面风机为这些空间提供了连续的新鲜空气，以保持空间内的氧气浓度 在人体可接受的范围；另一方面，风机可将空间内的有害气体稀释，并逐渐排到 空间外，使空间内的有害气体浓度低于致害水平。②风机还可以通过强制气体流 动而将热量散发出去，加速气体流动从而加快热量发散速度。人们对怎样增加气 流量和增强冷却效果等有很多研究，这些在很多产品上都能用到。如果只凭空气 自然对流是达不到预期的散热效果的，在一些产品中风机是散热不可缺少的。③ 能产生压力很高的压缩气体并输送出去，这在一些通风系统中是必需的，如果压 力太低则达不到所要求的通风效果。 风机在火力发电、钢铁、化工、炼油、轻纺、水泥、污水处理、矿山、隧道 施工、实验研究以及厂房、大厦中等均有着广泛的重要应用。目前用户对风机的 需求向新产品、多品种、高质量方向发展。同时，由于用户环境地域的变化，对 风机的运行环境、工况、布置形式等又有多种要求，使得风机的设计和选型任务 繁重。沿用以往手工设计、选型和绘图的手段已不能满足产品开发及结构调整的 需要，尤其是在产品设计投标时，要求设计周期短，需要高质量地完成 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计。 因此采用现代化的设计方法和CAD技术，提高企业的竞争能力，赢得市场，推进 企业技术进步，是当前厂家尚待解决的一项实用课题。 通过查阅国内外文献，可以看出风机选型在许多产品系统设计中都需要用 到，对选出的风机要求大多是在满足气体流量和出口全压的前提下使效率较高， 同时由用户考虑价格等方面的因素做出最终选择。现在各种产品都要求节能环 保，如果选择的风机不合适则可能达不到预期的目标，可能导致风机效率太低。 当前在很多地方还是手工对风机进行选型，但由于风机类型越来越多，手工选型 花费时间长，而且还容易出现遗漏和差错，工作效率低，而实际选型过程中各方 面要求越来越高，结合已积累的经验和已有的资料通过计算机自动优化选型是当 前的趋势。已出现的风机选型软件有MGS通风机选型软件和亚太建设科技信息 研究院开发的风机选型计算软件等。现在互联网应用越来越广泛，应用软件的网 络化也是一种趋势，西安交通大学流体机械研究所的陈雪江等实现了离心通风机 选型系统的网络共享【”，在此系统中登陆Internet网络后以管理员身份可以对通风 机产品样本网络数据库进行维护管理及进行用户数据管理，而以一般会员登陆后 第1章绪论 可以进行风机查询、风机选型和结果数据处理。 当现有通风机类型不能满足用户对通风机效率和噪音等要求时，便需要重新 进行通风机设计。通常轴流通风机的主要设计目标是提高通风机效率和降低噪 音，对轴流通风机进行优化设计比用传统设计方法设计通风机有很多优点，能较 大地提高有关通风机的目标参数。为了优化设计轴流通风机而采用的优化算法有 很多，如遗传算法【21、离散惩罚函数法和离散复合形法等。 1．2课题来源及意义 本课题主研单位是北京机械工业学院，协作单位是北京风机二厂。北京风机 二厂是有着悠久历史的风机生产专业厂，是全国风机行业的骨干企业，所开发的 低、中、高压风机及其它产品有11大类、90多个系列、500多种机型和120多 种配套设备，并承接各类通风工程。 目前北京风机二厂在产品设计中主要通过手工进行通风机选型，由于通风机 系列众多，手工选型耗费时间较长，工作量繁重而且容易遗漏。用传统方法设计 通风机很难使设计出的产品效率和噪音等目标参数得到较大改善。为了更好地适 应市场需要，完成传统行业的技术改造，缩短产品设计和厂家供货时间，厂方希 望借助于本课题研究的软件系统改变手工选型设计现状。 运用软件进行通风机选型，可极大地提高选型效率和准确性，快速地为用户 提供良好服务，对于提高企业产品的市场占有率，具有重要的现实意义。通过通 风机优化设计软件，可以使设计出的通风机效率和噪音等目标参数值比用传统方 法设计出的有较大改善。只要输入用户需求的参数数据即可自动产生设计过程和 结果，减少设计者的重复劳动和节省时间。借助于软件，设计者可以较快地设计 出效率高和噪音低的轴流通风机，加快企业产品开发速度，缩短开发周期和降低 成本，提高企业产品的竞争力。项目完成后，一直困扰设计人员的风机手工选型 设计现状将被计算机辅助选型设计所取代，对推进企业技术进步将起到较大促进 作用。 13课题研究的内容和技术关键 通风机选型及优化设计系统软件采用Visual饼．net语言编制，在软件中实现 了通风机的自动选型和轴流通风机的优化设计，它的主要内容和技术关键包括： ①通风机的自动选型。根据用户提出的要求查询数据库和进行计算，选出符 合用户要求的通风机，同时给出所选通风机的效率、价格和安装尺寸图等： 2 第1章绪论 ②数据库和数据库管理。准确对XML构成的数据库进行查询、增加、删除 和修改等，满足选型过程的需要，实现通风机选型自动化，对数据库的操作和管 理是通风机选型过程中不可缺少的重要环节。 ③优化设计算法研究。在通风机选型过程中用优化算法根据风机无因次特性 参数计算出此风机的比转速；通过软件优化设计轴流通风机，使轴流通风机的效 率和噪音等参数指标比用传统方法设计出的通风机有所改善。 第2章通风机选型及优化设计系统简介 第2章通风机选型及优化设计系统简介 2．1通风机选型及优化设计系统主要内容 通风机选型与设计系统包括四个部分：通风机选型、选型数据库管理、轴 流通风机的优化设计和帮助模块。软件各个部分的具体内容将在后面作介绍， 在软件中用到的优化算法包括黄金分割法和离散复合形法等，使用黄金分割法 的过程中通过进退法确定搜索区间。通风机选型与优化设计系统程序主界面如 图2．1，主界面中的图片可以由用户替换为所想要的其它图片。 2．2编程语言 图2．1程序主界面 采用高效编程工具MicrosoftVisualc挣．NET进行程序开发，它不仅适用于 网络编程，对数据库等都有强大的开发能力。由于．NET框架及其相关类库， Visual咪．NET有很高的编码效率，公共语言运行库提供了简化的编程和部署模 型。VisualC撑．NET中有专门的类库处理XML文档，所以对XML的支持性很 好，通风机选型数据库可以用XML来编写。 4 第2章通风机选型及优化设计系统简介 2．3帮助模块 为了使刚接触这个通风机选型和设计软件的人尽快熟悉软件的使用方法以 及帮助解决在使用过程中遇到的问题，所编写的软件项目中包含帮助模块，帮 助模块采用具有很多优点的HTML格式，也是目前最常用的帮助格式，用HTML HelpWorkshop等编译而成。HTML帮助文件具有强大的功能，具有目录索引、 全文本搜索、关键词连接和相关主题连接等功能。用户使用HTML帮助文件非 常方便，可以快速找到想要的主题。只要用户使用的是Windows98或更高版本 的Windows操作系统都可以打开该类型的文件，也可用相应的浏览软件打开该 类型的文件。HTML帮助文件实际上是把许多网页组装集成在～起，再加上各 网页相应的目录和索引等内容。 在程序各个主要界面中用户都可以通过点击“帮助”按钮看到相应主题的 帮助信息，程序运行中随时都可以通过按“F1”键取得帮助。帮助文件界面如 图2．2所示。 图2．2帮助文件界面 第2章通风机选型及优化设计系统简介 2．4生成安装文件 全部程序编译成功后，这时虽然打开重重文件夹找到可执行文件也能运行， 但操作起来不方便，和市场上可买到的通用的软件相比缺乏使用便利性，需要 生成安装文件。为了将软件安装到另外一台电脑上时能自动生成桌面快捷方式 和在开始菜单中生成快捷方式，并给快捷方式增加图标，需要将所有生成的可 执行文件和运行必须的相关文件合成为安装文件包。实际程序运行过程中有的 文件并不需要，但是如果存在就会占用系统资源，因此在程序安装包中可以不 加入它们。为此在Visual饼．net中建立安装项目，File->New->NewProject，选择 SetupandDeploymentProjccts选项和根据需要选择右边的选项。在后面选中的 应用程序文件夹中的可执行文件上右击建立快捷方式，再把这快捷方式移到项 且中开始菜单文件夹，在项目中桌面文件夹也建立这样的快捷方式，为这些快 捷方式指定某个图标，这样在另一台电脑上安装程序时就会和一般市场上的程 序一样安装后在被安装的计算机桌面和开始菜单自动生成程序运行快捷方式。 第3章通风机的选型及报价 第3章通风机的选型及报价 通风机的选型方法可以是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、变型选型及按管网阻力选型等。通风机选型软件 计算一般采用无因次性能蓝线选型法，这样同一系列通风机只需一套完整资料， 这便于计算机的存储和查找，更有利于软件选型的实现。同一型号的风机通常是 根据相似理论设计而形成的一系列风机，相似风机之间的流量系数、全压系数、 内功率系数和比转速等在理论上是相等的，因而可按无因次特性曲线选型。 3．1按无因次特性曲线选型步骤 一、确定所需风机的比转速一，： ％。5．54nJ鸟 (3．1) ∞扮o)； 式中／1是通风机的转速，r／min； 矾。是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 状态下通风机的流量，m3／s； Pro是标准状态下通风机的出口全压，Pa； 肠一⋯瓶商=却+鲁)筝一，胁1，其 中K取1．4，只是进气压力。 如果输送空气不是在标准状态下，则应将特征参数换算为标准状态下的值： qvo=qr(m3／s) 孙o-n告口a)，p=面‰(kg／m3)。p KU+￡jj) 式中有注脚0的为标准状态，无注脚O的为使用状态；只为进口压力，t为 进121温度，口为使用状态的密度。 二、计算出比转速以后，查找各种类型的离心通风机的无因次特性曲线。 无因次性能曲线是根据一系列不同工况点的实验数据得到相应无因次参数值，然 后把这些无因次参数值拟合成的曲线。求某一风机的比转速需要根据此风机无因 次特性曲线计算，因为通风机的比转速是通风机的非常重要的一个参数，它是通 7 第3章通风机的选型及报价 风机的分类序列化和相似设计的依据，由于每一个工况点都可以计算出一个比转 数，为了便于比较，规定风机在最高效率点时的比转速作为该风机的比转速，通 过优化算法求取无因次参数曲线的最高效率点，则可得到此最高效率点下的流量 1 系数吼和全压系数妒n，于是可求这种型号风机的比转速／'／sl=138等。找出相 妒。1i 应比转速以。与计算比转速行。相近的那些风机类型。 三、根据风量风压计算出所需风机的叶轮直径。 按流量要求所需的风机叶轮直径： 1D却。f业13(m) (3．2) L n吼 ／ 按压力要求所需的风机叶轮直径： 三 D2P。望f堕12(m) (3．3) 打～P≈lltl， 按流量和压力计算出的叶轮直径应比较接近。如果相差太大，则应放弃而 另选其它模型。求出分别按流量和压力计算出的叶轮直径平均值，可以检索风机 外形尺寸数据库，看看所选型号风机哪一个机号的叶轮直径能满足计算出的叶轮 直径要求，便选这个机号的风机作进一步校验。机号的叶轮直径和计算叶轮直径 平均值的差值限制可以放宽，这样同一型号的风机可能有几个机号需要进一步的 挑选和核查。 四、初步确定风机机号以后，还要进一步核算风机是否能达到所要求的流 量和出口全压等。应该使所选取的风机实际工作点在风机性能曲线最高效率点附 近，对于离最高效率点很远的风机应该排除，从而实现通风机选型优化。 五、以上是在某个转速下选取风机，通常都会有很多转速，换成另一个转 速重新从第一步开始计算即可，直到在每一个转速下都计算过是否有在这种转速 下运行的风机满足用户要求。根据最后计算结果，可能同时有几种风机满足要求， 这时由用户进行比较，根据所选风机的实际效率和价格等考虑选用。 3．2按无因次特性曲线和有因次参数数据结合进行选型 由于同一型号的离心通风机无因次参数曲线理论上是相同的，因而每个机 号都可以根据样机的无因次参数曲线来选型，但是由于制造等方面因素，一些机 号的实际性能参数曲线并不和样机的相同，例如9-19型离心通风机性能与选用 件表中的4号机和样机10号机的实际流量效率曲线就相差较大。实际存在的一 第3章通风机的选型及报价 些情况是和计算比转速数值最近的通风机类型中没有能满足用户提出的气体流 量和出口全压等要求的通风机，而和计算比转速数值相差远一些的通风机类型中 却可能有某个型号转速的通风机满足用户提出的流量等要求。因此，如果完全只 按照无因次参数曲线去选型，便可能会出现较大误差。如果按无因次特性曲线选 型的步骤能够结合有因次性能曲线选型，将会和实际更吻合，这里指的有因次性 能曲线并不是把风机无因次性能表中的无因次参数值根据公式换算成有因次参 数值，而是直接将通风机性能与选用件表中的各个实验点拟合成曲线而得到，因 为通风机性能与选用件表中对于特定机号和转速的风机通常有7个左右实验点， 每个实验点包括气体流量、出口全压、内效率和内功率等有因次数据，可以对它 们进行曲线拟合。在实际流量和出口全压满足用户提出的流量、全压和效率偏差 范围的前提下，尽量使实际工作效率接近风机的最高效率，把此时的高效工作点 定为实际工作点，从而得到高效工作点下的实际流量、出口全压和效率等。 如果完全只按照通风机性能与选用件表进行选型，则任何一种型号中同一 机号和转速的通风机都需要进行计算和曲线拟合等，特别是当数据库中的通风机 型号很多时计算量太大，事实上很多型号的风机由于实际比转速和计算比转速相 差太大而不需要去考虑计算。因而将无因次参数曲线和有因次数据结合进行选 型，既不会使计算量太大又能使选型比较准确，不会使符合用户要求的通风机被 遗漏。 对于通风机选型程序选出的符合用户要求的通风机，软件将给出它的性能 曲线图和安装尺寸图，使用户可对它有直观的了解，用户可根据程序显示出的被 选择通风机的效率和价格等方便地决定最终选哪一种型号的通风机，通常不会使 符合用户提出的气体流量和出口全压等要求的通风机遗漏从而用户在作最终选 择时没有看到它。在程序测试过程中通过大量类型的离心通风机选型实例验证了 所使用选型方法的准确性。 3．3编程实现 根据上面所述风机选型原理，将过程用程序表示出来，把通风机性能与选用 件表里面的实验数据、风机无因次性能表里面的数据及风机价格数据等输入到数 据库，程序就能在通风机选型过程中检索数据库，从中选用所需要的数据，选型 结束后在程序界面显示所选中的通风机有关数据。 例如：选配一台通风机，它的使用要求为：气体流量为2510m3／h，出1：3全 压为3970Pa，气体在标准状态下。 在通风机选型界面输入选型所需气体流量、出口全压和进气状态等参数后， 第3章通风机的选型及报价 单击“开始选型”按钮后。通过本程序选型结果如图3．1所示，其中通风机性能 曲线图中的坐标值随着所选中的通风机实际性能与选用件表中有因次参数数值 范围的变化而变化，在通风机性能与选用件表中所选中风机各试验点肯定都能在 图3．1所示的通风机性能曲线图中找到。 图3．1通风机选型界面 如果对气体流量偏差和出口全压偏差等有特别要求可单击“参数设置”按 钮，便会出现界面如图3．2，用户可根据自己实际需要修改流量允许偏差及出口 全压允许偏差等。如果不单击“参数设置”按钮而直接开始选型，则按照默认设 置进行选型。最终所有被选中的风机型号及转速等都会出现在图3．1通风机选型 界面内符合用户要求的风机列表框中，单击其中某一行，即会显示所选风机价格、 所选风机所在的通风机性能与选用件表及所选风机的性能曲线图等。 10 第3章通风机的选型及报价 图3．2通风机选型参数设置 星鑫鑫旦垒鼎承， 目录∞|索引凹liWblIq1) 造选型设置 输入选型所需参数后，可以进行 通风机的选型参数设置，按。开始选 型”按钮后，如果有符合要求的风机 便会显示在下面的列表框内。如果列 表框内有多个风机，单击某个风机， 则这个风机的价格便会显示在下面， 右上角的表将显示所选中风机所在的 通风机性能与选用件表，包括被选风 机的流量、全压、内效率和内功率等 具体信息。通分机选型对话框将显示 所选风机的通风机性能曲线图。 选型参数设置中风机的一个机号∑ 图3．3选型设置即时帮助 单击通风机选型对话框中的“查看外形尺寸图”按钮后便显示如图3．4所示， 会显示所选风机的安装及外形尺寸示意图，被选风机的具体尺寸数据也会出现在 第3章通风机的选型及报价 下面的列表框中，由于是安装示意图，显示的只有主要尺寸数据。如果通风机的 外形尺寸示意图太大可以按住鼠标键移动图像来观看，此时鼠标的外观也会变， 不再是缺省的鼠标外观，而松开鼠标键鼠标外观又会变成缺省样式。 图3．4通风机安装及外形尺寸示意图 如果需要知道详细的选型过程，为什么会选中所选的风机，为什么不能是其 它有些类似的风机等，可以当选型结果出现以后在符合用户要求的风机列表框中 单击通风机选型对话框中的“查看选型过程”按钮。出现结果如图3．5所示，这 是调用Windows自带的记事本程序来显示通风机选型过程和结果，如果要保存 这次选型过程和结果供以后参考，可另存为其它名字的文本文件或把它打印出 来。如果没有符合要求的风机，也可通过察看选型过程知道原因。在选型过程及 结果文件中如果没有特别说明，没有被选中的对应风机大多是由于这种风机的实 际气体流量不在允许的气体流量范围之内，或风机实际出口全压不在允许的出口 全压范围之内，或者风机实际效率不在允许和风机最高效率偏差的范围之内或者 兼有上面几项原因。如果某一机号和转速的某种类型风机被选中，则它的高效运 行点处的效率、流量和出口全压等将会显示在选型过程及结果文件中，也可以通 过通风机选型对话框中的通风机性能曲线图查阅所选风机的各个有因次参数值。 12 第3章通风机的选型及报价 文件∞艄哐)格式∞查看∞}嘞∞ 器翌冕屏蕹蔷葑慧话焉翌：嚣：；。帕nS，／nh。’酱昔錾鎏群器围0．为0Paa，，,，气．5体-4在16{8衬．5剜P最a态on· 翮计算比障瘟接近的样机型号为9—19m19，比转速为20．07914151133995 d2q?!．s哟．．n。：“?n矗．”4_i．叶轮计算平均直径d2暑0．4597----r - 尉黼冀斟穿：爱器盘糕药婪麟睾轨亿糯疆船帆。舢， 实际全压为"61．3Pa． ⋯ 。 d2q；O_蚌s．．?。 ． _，．叶轮计算平均直径d2lo． _．_d 鬓霆甓辫凳,2：p黼-,,,k．09歉0鲜蚕嚣瓢蒜^,10郊063．SPa． 砸灿¨舢。 磐贮!：磐擎_，d2贮!．8287-，叶耗计算警摊径d2-a．7325_ 篱蔓耩猫：麓雾：芝掰：辨霪煳。 粳有机号为7．1。转速为1^5种，畦n的9—1叼g风杌 蒜瀚黼獬琵甜猫潮瓣莩揣‰库中洲鼬、， 第4章通风机选型数据库 4．1关系数据库 第4章通风机选型数据库 数据模型是对现实世界数据特征的抽象。数据模型的种类包括E-R模型、 层次模型、网状模型和关系模型等。关系模型是目前最常用的数据模型之一， 在关系模型中用表格结构表达实体集以及实体集之间的联系，其最大特色是描 述的一致性，关系数据库采用关系模型作为数据的组织方式。 数据库采用XML(cXtensiblcMarkupLanguage可扩展标记语言)制作； XML是饼．NET的核心之一，它使数据从描述和过程中分离出来，让用户可以 通过应用不同的类型表和应用程序来显示和处理数据。只要应用程序都支持 XML，就可以在程序之间无缝地交换数据。XML格式的数据库保存可以很久， 虽然XML数据库消耗资源较多，速度也不是特别快，但它的优点远多于它的 缺点。 重要的是Visual甜．NET中有一些专门的类来处理XML文档，从而使得程 序编制相对方便，因而在这个项目中将采用XML组建数据库。 为了能动态修改数据库的位置，可以通过使用XML对应用程序配置，使 用XML建立配置文件，把数据库文件的路径等配置信息存储在XML配置文件 中，并在运行时读取它，应用程序配置文件名通常是应用文件名加扩展名 “config”，这样的配置文件是人工可读可写的，可以通过用Windows系统自 带的记事本或其它的文本编辑器等解释和修改配置设置，万一主数据库出现问 题，就可以指向备份数据库。 4．2编程实现 程序项目的数据库管理部分可以浏览数据库的所有数据，可以增加、删除 及重命名数据库中的表，也可以增加、删除及重命名一个表中的列，当然一些 特定的表和列是不能被删除或重命名的，否则已经编好的程序会无法运行。能 够修改数据库的数据，直接在一个表框中修改数据的方式可以一次增加、删除 或编辑大量的数据，而不是一次只能增加、删除或编辑一个记录。浏览数据不 需要输入密码，但如果需要修改数据，则需要输入用户名和密码，使数据库有 一定的安全性。修改通风机选型数据库的程序界面如图4．1所示。 14 第4章通风桃选型数据库 图4．1通风机选型数据库管理 当要增加一个类型的风机时，需要在无因次参数数据库中增加这类风机样 机的无因次参数表，之后在风机类型表中需增加“样机型号”列值为样机无因 次参数表名的记录，此外比转数表中“样机型号”列会自动增加样机的无因次 参数表名，比转数表中的其它列如“比转速”、“最高效率点处流量系数”和 “最高效率点处全压系数”等会在随后第一次选型程序运行时自动计算其数值 并写入到比转速表中：在风机类型数据库中需要加入这种类型风机的性能与选 用件表，这是必需的，在风机价格表中加入相关数据，保存数据改动，单击“检 测数据库”可以把所加入的风机性能与选用件表中有而所有转速表中没有的风 机转速加入到所有转速表中：还需要在外形尺寸数据库加入这类风机的尺寸数 据表，尺寸数据表中的尺寸模板列中的数据应是JPEG、BMP和G1F等格式的 图形文件名，并且这些图形文件和数据库文件fanDim．xmI应在同一个路径，如 果不是这样或此列对应的数据为空的话，则不能在选型后单击通风机选型对话 框中的“查看外形尺寸图”按钮时正常显示所选风机的外形尺寸示意图。所编 程序本身不能读出AutoCAD和Pro／E生成的文件，但可以读出JPEG、BMP和 GIF等格式的图形文件，所以可在AutoCAD中画出风机的外形尺寸示意图，然 后输出为BMP等格式的图形。如果要增加一个表，可以单击“增加表”按钮， 当要增加风机类型数据库中的表时会出现如图4．2的界面，对于列名为“橡胶 垫ST0601—4个”等的列可卧根据实际通风机类型的风机性能与选用件表重命 第4章通风机选型数据库 名或删除，也可根据实际需要增加一些列；如果在无因次参数数据库中要增加 表，因为要增加的无因次参数表的各个列名都是固定的不需要改动，所以只要 输入增加的表名即可，不会出现“增加、删除或重命名列”等按钮：如果在外 形尺寸数据库中增加表，则除了“机号”和“叶轮直径D2”外其它列都可以根 据实际需要重命名或删除，也可根据需要增加列。 图4．2增加表的界面 当要删除或重命名表时，需要先选定被删除或重命名的表，然后单击“删 除表”或“重命名表”按钮。 如果要增加、删除或重命名某个表的列，可以单击“增加、删除或重命名 列”按钮。当增加、删除或重命名外形尺寸数据库某个表的列时会出现如图4．3 的界面，除了“机号”和“叶轮直径D2”外，其它各列的名称都可以重命名或 删除，也可增加新的列。 第4章通风机选型数据库 图4．3增加删除或重命名列的界面 在如图4．1“通风机选型数据库管理”晃面右上方的表框中增加、删除或 修改完具体数据后，需要点击“保存数据改动”按钮，否则在一个表内的记录 数据的所有改动都不会被保存到数据库中。 第5章轴流通风机的传统设计 第5章轴流通风机的传统设计 5．1传统设计方法 当现有的各种通风机中都不能符合用户要求时，就必须重新设计通风机。相 似设计是通风机的一种设计方法，是指根据相似理论，两个相似的通风机比转速 必然相等的原理进行设计；在用户给出气体流量和全压等设计参数后，先计算出 比转速的值，然后在已有的经过试验或长期运行考验的性能良好的通风机中，选 择一个比转速相同或相近的通风机作为模型风机，再将模型机器的几何尺寸按比 例放大或缩小得到新机器的几何尺寸。相似设计方法比较容易实现，设计出来的 风机较可靠，因而相似设计应用较广，但是设计出来的新风机受到所参考的模型 风机的～些限制，风机各个方面性能即使提高了也可能不会太多，适用于对新风 机性能要求不太高的情况。如果对设计出的风机性能要求较高，应该完全重新设 计而不受到模型风机的一些不必要限制，当然此时工作量会增加很多，风险也会 有所增加。 轴流通风机的传统设计是优化设计的基础，优化必须是在传统设计的基础上 利用计算机的强大性能和采用合适的优化算法而完成。传统设计通常是手动计 算，在设计过程中需要经常查询通过实验得出的有关设计参数的图或表，因而最 后设计结果准确性和设计者本身经验等有关系。 轴流通风机的设计方法目前主要有两种：一种是利用单独翼叶进行空气动力 实验所得到的数据进行设计，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。 5．2轴流通风机传统设计步骤 通常用户提出的要求包括通风机的全压P、流量Q和工作介质密度P等。 传统上的轴流通风机设计方法中孤立叶型设计法比较简便有效，但孤立叶型 设计法也有很多种，例如采用不同形式的公式或利用不同试验图表等。从研究问 题和解决问题的方法以及所得到的实验成果上，这些方法各具有不同的特点和一 定的价值，它们的实质都是一致的，都是按叶型和叶珊的基本理论和采用孤立叶 型的试验数据来进行的。这里采用的一种设计方法的设计步骤【3,4】为： (～)确定轴流通风机的结构方案 轴流通风机的方案包括：①叶轮加前导叶；②叶轮加后导叶：③单独叶轮级； 第5章轴流通风机的传统设计 ④前导叶加叶轮再加后导叶；⑤采用多级轴流通风机。 实际采用的方案应根据用户要求及制造厂的具体情况而定，可参考已有的性 能较好的典型风机。也可大致根据风机的比转速行，或全压系数妒，的值而定： 当妒。32．5时，一般采用单独叶轮级的结构方案： 当妒，=O．15～0．25或雄，=20．8～32．5时，可以采用叶轮加后导叶的结构方案； 当妒，>O．25或n，=14．5～20．8时，可以采用前导叶加叶轮再加后导叶的结构 方案。 对于多级通风机级数f的确定可以参考式：扛瓦南，其中u为叶尖线 速度。 这一步选定的方案必须经过后面的计算验证，如果被验证不合适则需重新选 择方案计算。 (二)选择电机及转速 通风机的转速可根据用户使用要求选用。为了正确选择电机，需要进行轴功 率的计算。风机在设计工况下运转时的轴功率为： Ⅳ； 望：￡ (5．1) 1000r／h’，7。 其中N单位kw，Q单位是rll3／s，P单位是Pa，rl。是全压内效率，叩。是机 械效率。rl。表示传动损失的好坏，是通风机机械传动系统设计的主要指标，它 和通风机的传动方式有关，当传动方式是电动机直联时叩。=1，当用联轴器直联 传动时，7。=0．98，用减速器传动时叩。=0．95，用V带传动时，7。=0．92。应根据所 需要的轴功率Ⅳ，结合实际情况，选出合适的电机及相应的转速。 ⋯ (三)计算比转速，l。=n·竺万，其中转速，I的单位是r／min。 (四)确定叶轮外径及轮毂直径 由上面计算出的比转速值查“比转速与轮毂比的关系图”及“比转速与系数 瓦的关系图”，选取轮毂比’，和系数K。值，则叶轮外径为： n sOK．。后D．=————L 第5章轴流通风机的传统设计 如果是标准状态下的空气，则P=1．2kg／m3 轮毂亘，伦D^=’，‘q (五)计算圆周速度u，及压力系数妒， 即等，炉去P‘ 60 ～ ·“? 其中U，单位是m／s，算出的圆周速度u，应满足强度条件及噪声要求。根据 算出的妒，或咒，，即可验证在步骤(一)中提出的方案是否合理，如果不合理则 需调整重新选择方案。 (六)求轴向速度c，。——里一 ‘三(D12一珥) (七)将整个叶片分成几个截面，分别计算各截面的△c。值。 当采用等环量设计时，△c。=—!一； 当采用变环量设计时，先算出平均直径处的Ac。，取叶片的几何平均直径为 卟J平， ‰2而P。本P 设气流分布规律为Ac。r。=Ac。《一常数，则任一截面的Ac。值为： ac．-Acre．一r2一 (八)计算平均相对速度w。及气流角卢。 (九)选择叶片数 e。=arcsinc：／w． 20 第5章轴流通风机的传统设计 对于一定的轮毂比和叶片弦长的风机，存在一个最佳叶片数。根据设计轴流 通风机的经验和试验数据，用孤立叶型法设计轴流通风机时的最佳叶片数推荐如 下表5．1： 表5．1 l轮毂比’， O．3 0．4 0．5 0．6 0．7 l叶片数Z 2～6 4～8 6～12 8～16 10～20 (t-)选取各截面的升力系数及相对应的攻角 这两个参数选择是否合理通常取决于设计者的经验。 升力系数的值应从叶尖向叶根逐渐增加。如果叶型的相对厚度不变，可取额 定工况点的升力系数作为叶根的升力系数值，然后按直线规律依次向叶尖减小。 如果叶型的相对厚度为变值，可按相对厚度选取升力系数值。 各截面的升力系数值确定后，相应的攻角可根据叶型的升力系数—攻角曲线 选取。 (-1-一)叶片宽度6；——j堕』∑一Cv’z’∞’P+‰’叩 叶型安装角凡=成+口 (十二)绘制叶片型线 根据所计算出的数据绘制各截面的叶片型线，并按强度和结构工艺上的要求 作适当修正。 21 第6章轴流通风机的优化设计 第6章轴流通风机的优化设计 轴流通风机具有效率高、流量大、体积小及压力低等特点，在矿山和冶金 工业等领域有着广泛的应用。效率和噪音是风机的两个重要指标，使得轴流通 风机具有更高的效率和更低的噪音是风机设计的主要目标，然而在传统的设计 【圳中一些重要设计参数的确定往往凭经验，有时甚至在一定范围内随意选取， 很难设计出理想的轴流通风机。现在计算机应用越来越广泛，许多繁琐重复的 计算不再手动完成，通过应用优化算法来设计轴流通风机，可以获得较理想的 结果【210本章用离散复合形法对轴流通风机的效率和噪音两个目标进行优化， 实例计算表明结果有了较大的改进。 在通风机的手动设计过程中经常需要查图和表，而在计算机辅助设计过程 中通常是将图和表公式化以便计算机处理，也可能通过运用插值算法计算或者 查询数据库而获得所需要的数据。在本论文中很多地方就是将一些图和表公式 化以满足程序编制的需要。 6．1数学模型 6．1．1轴流通风机的效率 轴流通风机的全压效率【41为叩=墨[!蔓号；：二墨：￡量 (6．1) 其中j0是理论总压系数，K。是叶轮损失系数，KP是前导叶损失系数，j0 是后导叶损失系数，j．(D是扩散筒损失系数。当没有前导叶时，K，=0；当没有 后导叶时，珞=O。 轴流通风机的理论总压系数‰=妄(导一百Clu) 式中A：鱼，Cz是轴向速度，“是平均直径截面处的圆周速度，C。和c：。 分别是气体进口绝对速度和出口绝对速度的周向分速度。 另外还有如下等式：百gR=暑’五≥万， e=c”+cn+c“， 第6章轴流通风机的优化设计 白一o．022-o．006L6，&10．018cy，∞虬02；6 Z 式中C，和成分别是平均直径截面处的升力系数和气流角，co为叶型损 失，c0为二次流损失，c0为环面损失，b为叶片平均宽度，，为叶高。 6．1．2轴流通风机的噪音 噪音预测计算可有很多种计算方法，这里采用经验公式【卅： 轴流通风机噪声SPI_；56lg玑+10lg(P，b“6／Z)一2019x一26．22(6．2) 其中u，为叶尖速度，只为静压， z为叶片数，x为测量点到声源的距离。 这里取定值x=5m。 6．1．3设计变量及约束条件 给定了全压、流量和密度等设计条件后，把一些试验数据和图表拟合成公 式后，轴流通风机的效率和噪音可以用4个变量来表示：轮毂比’，、风机转速n、 升力系数C。和叶片数z。 其中轮毂比’，是～个重要的结构参数，它对风机的压力、流量和效率等都 有影响，轮毂比’，和风机的全压成正比，和效率成反比；一般轮毂比的选择范 围为’，=0．25～0．75。 提高风机转速栉时可减少叶轮直径从而减少整机尺寸，并有利于提高风机 效率；但转速n的提高可能会降低通风机运转的可靠性，还会增加速度u从而 增加噪声；风机的转速受到电动机转速(不是可变频调速的电动机)的限制， 是一个离散量。 升力系数c，的确定与叶型、叶片高度和最大升阻比有关；对于LS叶型，c。 范围约在0．1～1．5之间。 对于同一轮毂比和叶片弦长而言叶片数z增加，则叶栅稠度增加，这将引 起叶栅升力系数的下降，并使得流道内的流动损失迅速上升。如果叶片数z过 少将使每个叶片的负荷增大，从而使气动性能变坏，导致风机的全压降低。叶 片数z也是一个离散量，取值在3～15之间的某一个整数。 叶栅稠度值f关系到通风机的效率和噪声等。这里取它的范围为0．3～2．0。 另外在计算噪音时要求静压只>0。 6．1．4建立数学模型 第6章轴流通风机的优化设计 多目标优化有很多方法，如统一目标法【2】等；因为效率和噪音两个物理量目 标之间量纲不同，考虑到便于理解和处理，这里采用主要目标法【5·61处理多个优 域内，从而可能无法求相应的目标函数值，所以用有效目标函数【5’6】代替真正的 卜T1p，H，c，，zl顶点在可行域内时 ． ． 商n，1㈥21M+c．塞乳(x)，顶点不在可行域内时’工2k以q’zJ(63’ 0．1sCyE1．5 离散量r／取值范围为[960，1000，1120，1250，1450】r／rain 其中肼为比真正目标函数值在数量级上大得多的常数，c‘∑g。b)是与所 的标号。这样不在可行域的顶点有效目标函数值比在可行域内顶点的要大得多， 并且随着违反约束程度的增加而增大，使得搜索过程中会不断用可行域内的点 代替非可行域内的点，最劣点的有效目标函数值会越来越小。 然后再改变优化目标，以风机噪音为目标进行优化，需要改变有效目标函 数，把上面有效目标函数中一T1p，，l，C，，Z)变为SPL(v，，l，c，，zJ，其它的作相应 变化，这时需要增加一个约束T1p，n，c。z)>，7t—o．03。风机外径D，的最大值要 求由用户确定，这里假设Dt<0．8in。 6．2优化算法 6．2．1优化算法的选择 第6章轴流通风机的优化设计 建立了数学模型后，需要选择一个恰当的优化算法来求解优化问题。如果 不用优化算法而直接去穷举搜索最值，则当优化变量个数增加时会使计算量成 几何级数地增加。 优化算法的 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 方面包括：①算法的可靠性，即在合理的精度要求下，在 一定的计算时间或一定的迭代次数内求出最优解的成功率。②算法的精度，精 度高则和实际最优点的接近程度高，希望得到的不是局部最优点而是全局最优 点。③算法的效率，通常要求在一定的精度下解题的时间越短越好。④稳定性 和易用性，对异常情况的处理能力等。 事实表明一种优化算法对于某个优化问题有效，却可能对另一类优化问题 效果并不好，每种优化算法都有自身的长处和短处。优化算法选择恰当将会使 优化问题得到较好的结果。选择优化算法需要考虑的因素有： (1)数学模型的类型特点。包括数学模型有约束还是没有约束，约束是 等式还是不等式或者两者兼有，设计变量是连续的还是离散的或者两者兼有， 是线形规划问题还是非线性规划问题；目标函数是否存在一阶和二阶偏导数等； 优化设计问题的规模大小，即设计变量和约束条件有多少等。 (2)优化算法本身的特点。有的优化算法只能处理无约束优化问题，有的 要求设计变量是连续的并且不能有等式约束，很多优化算法的使用都有一定限 制。 (3)用户在解决问题中的偏重点，是更看重获得的精度，还是觉得解决问 题所消耗的时间少更重要，以及对算法的综合考虑等等。 这里给出的轴流通风机设计数学模型是一个有约束非线性规划问题，设计 变量中既有连续变量，也有离散变量，故可以采用离散复合形法求解。 6．2．2离散复合型法 离散复合形法和连续复合形法的程序编制有很大不同。在离散复合形法中 由于维数较多且约束条件多时要求各顶点均在可行域内比较困难，所以构造的 初始复合形各顶点虽然各变量取值均在允许的上下界范围内，但是顶点可能并 不在可行域内。因为要求一维搜索中搜索出的顶点的位置在节点上，在离散复 合形法中，不再像连续变量复合形法中的那样，通过将可行域外的顶点拉入域 内而得到可行点的方法搜索最优点，而是构造有效目标函数，使可行域内点有 效目标函数值远小于可行域外点的有效目标函数值，不断搜索替换，离散一维 搜索将使可行域外的复合形顶点不断向可行域内的最优点靠近。 离散复合形可求解的有约束非线性混合离散变量的最优化问题形式如下： 第6章轴流通风机的优化设计 mm，¨) s．t．g。(工)s0 14一L2，⋯，m ajsxfsbi i一1，2，’一，n 工。吲曰 工一。Xl,X2,"',Xe】r∈E。 工‘。k，+。，x，+：，⋯，工．IrEE‘ En；F4xEc (6．4) 式中a；及b1分别为设计变量的上界值和下界值，共有n个设计变量； 乳O)蔓0是约束，共有m个约束；工。为离散变量子集，工‘为连续变量子集。 当x。为空集时为连续型问题，当了‘为空集时为离散形问题，当z。和善。均为 非空集时则为混合型问题。 离散复合形法的计算过程包括产生初始复合形，在离散空间进行搜索替换， 不断使最劣点替换变小使复合形收缩直至满足迭代终止准则，其内容包括： 一、离散变量初始复合形的产生 当离散设计变量为n维时，通常取k=2n+1个离散点作为顶点构成初始复 合形。设各离散设计变量的上下界范围为【口；，bi】，因为约束条件较多而且复杂 时要求初始离散复合形各顶点都在可行域内比较困难，所以构造有效目标函数 代替原目标函数，使得复合形顶点即使不在可行域内也可求出相应的有效目标 函数值，当然构造有效目标函数时应使非可行域内的有效目标函数值远大于可 行域内的，这样可避开初始复合形顶点都在可行域内的困难，也能使离散复合 形各顶点在寻优迭代过程中自动地向可行域内的最优点方向移动。 初始复合形顶点的产生方法如下，开始时任取一个初始点j(1)，其中 x?’=口；+，·bi(，为[o，1]之间的任意数)，这个初始点可能不是可行点，但它的 各分量满足相应的上下界范围。 第二个至第n+1个顶点为P／；_}mj+l’)。ffizajil’ 第H+2个至第2n+1个顶点为PX：[川-／+1”+n’)2ffi工bijl’矧 @回 二、构造有效目标函数 有效目标函数是考虑到离散复合形可能在可行域外而构造的，它是离散复 第6章轴流通风机的优化设计 合形算法必不可少的，如果不构造有效目标函数就可能在搜索过程中因为复合 形顶点在可行域外而无法求出目标函数值。有效目标函数是用约束条件来改造 原目标函数而得到的，它定义为： f，(工) ，工在可行域内 EIf(功】。{jlf+c．壹guo)，工不在可行域内(6一) L 镯 式中，o)是原目标函数，M为比真正目标函数值在数量级上大得多的常 数，c·∑g。b)是与所有违反约束量的总和成正比的一个量，C为常数，H=1， 2，⋯，。；J是违反约束的点的标号。在非可行域内的有效目标函数值随着搜索点 工违反约束程度的增加而增大。 三、 离散变量复合形的变换及收缩 构造初始复合形后，计算各顶点的有效目标函数值，并按数值大小排序， 将有效目标函数值最大的设计点称为最劣点，最小的称为最好点。为了在寻优 搜索替换的过程中各顶点能保持在离散节点上，通过一维搜索来变换离散复合 形，不再像连续复合形那样通过反射、延伸和收缩等方法进行搜索替换