多級渦輪風(fēng)機(jī)氣源系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

Multi-stage turbine fan air source technology research and application system

◎任昊君（湖南海盛重工科技有限公司，湖南　長沙　410007）

Ren Haojun（Hunan Hisun Heavy Industry Technology Co., Ltd., Changsha 410007，China）

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多級渦輪風(fēng)機(jī)氣源系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用

Multi-stage turbine fan air source technology research and application system

◎任昊君
（湖南海盛重工科技有限公司，湖南長沙410007）

在輕質(zhì)散料輸送領(lǐng)域，氣力輸送以環(huán)保、布置靈活、投資節(jié)省等特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用.氣力輸送設(shè)備或系統(tǒng)的核心技術(shù)為氣源技術(shù)及管道物料特征技術(shù).氣力輸送系統(tǒng)中常用的氣源設(shè)備按供氣壓力大致分為低壓氣源，中壓氣源、高壓氣源3類，典型氣源產(chǎn)品有：①低壓氣源：壓力10 KPa~100 KPa，離心風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、多級渦輪風(fēng)機(jī).②中壓氣源：壓力100 KPa~250 KPa，多級渦輪風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)；③高壓氣源：壓力>350 KPa，螺桿壓縮機(jī)、活塞壓縮機(jī).

低壓氣源一般用于稀相或半密相氣力輸送系統(tǒng)，中壓氣源一般用于密相輸送系統(tǒng)，高壓氣源一般用于密相或栓流輸送系統(tǒng).氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)產(chǎn)能、輸送距離、物料特征等工藝數(shù)據(jù)選擇合理的氣源類型和管道參數(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算.

多級渦輪風(fēng)機(jī)工作原理和離心壓縮機(jī)相同，原理上屬于離心風(fēng)機(jī)類別.多級渦輪風(fēng)機(jī)根據(jù)級數(shù)和葉輪直徑的不同，形成流量和壓力范圍不同的多規(guī)格產(chǎn)品，為氣力輸送系統(tǒng)的氣源參數(shù)精準(zhǔn)匹配提供了可能.常規(guī)產(chǎn)品的壓力范圍為：30~200 KPa，流量范圍：1 000~20 000 m3/h.

多級渦輪風(fēng)機(jī)具備壓力高、流量大，壓力、流量可動態(tài)調(diào)節(jié)等技術(shù)特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于稀相、半密相、密相方式的連續(xù)氣力輸送系統(tǒng)中.特別在大產(chǎn)量連續(xù)輸送系統(tǒng)和變工況（物料品種、輸送能力、多點(diǎn)進(jìn)出料）輸送系統(tǒng)中尤為具有優(yōu)勢.

1　多級渦輪風(fēng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)狀況

1.1結(jié)構(gòu)形式

多級渦輪風(fēng)機(jī)和離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)相似，其外形如圖1，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，主要由蝸殼、葉輪、整流渦輪、殼體等主要零件組成.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：殼體為板料沖壓成型結(jié)構(gòu)，蝸殼及整流渦輪為鋁合金精密鑄造，葉輪為鉚焊結(jié)構(gòu).主要零部件均采用模具制造，具備通用性和互換性.

1.2規(guī)格系列

圖1　多級渦輪風(fēng)機(jī)外形圖

圖2　多級渦輪風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從制造角度，多級渦輪風(fēng)機(jī)產(chǎn)品規(guī)格主要按葉輪直徑參數(shù)和級數(shù)來定義.常用的直徑參數(shù)系列為：Φ500、Φ600、Φ700，常用的級數(shù)系列為2級、3級、4級.不同的直徑和級數(shù)組合成不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，滿足各種用途.特殊流量壓力用途可調(diào)整葉輪直徑來精準(zhǔn)設(shè)計(jì).

常用規(guī)格產(chǎn)品及性能參數(shù)如表1所示.

表1　常見規(guī)格產(chǎn)品及性能參數(shù)表

1.3關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

渦輪風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：

A-葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及葉片形式（見圖3）；

B-整流渦輪的葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)；

C-殼體密封結(jié)構(gòu)及級間密封結(jié)構(gòu)與性能；

D-降噪與散熱性能.

整流渦輪外形圖見圖3.

圖3　整流渦輪外形圖

1.4國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)狀況一臺風(fēng)機(jī)，其不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)一條以流量Q和壓力P為坐標(biāo)的二維曲線，通常稱為該風(fēng)機(jī)的性能曲線.直觀來看，性能曲線越平坦表明該風(fēng)機(jī)的性能越好，表明該風(fēng)機(jī)流量在較大范圍變化時(shí)(ΔQ)，壓力降低小(ΔP)，這點(diǎn)在氣力輸送中是一個(gè)重要的性能.（圖5b）

圖5中a~d顯示了各種工況中的風(fēng)機(jī)特征曲線，下面的說明中將分別敘說.

在國內(nèi)，湖南偉瑪于2000年開始進(jìn)行多級渦輪風(fēng)機(jī)的研制，經(jīng)過十余年的持續(xù)科研投入，目前產(chǎn)品從整機(jī)性能、制造工藝方面均達(dá)到國際同類產(chǎn)品的技術(shù)水平.各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及制造工藝技術(shù)完全自主掌握，形成了完整的規(guī)格系列，填補(bǔ)國內(nèi)空白，為氣力輸送設(shè)備和工程提供了高性能的氣源系統(tǒng)產(chǎn)品（見圖4）.

圖4　多級渦輪產(chǎn)品圖

2　多級渦輪風(fēng)機(jī)汽源系統(tǒng)技術(shù)

2.1風(fēng)機(jī)技術(shù)特征-性能曲線

多級渦輪風(fēng)機(jī)工作原理與離心風(fēng)機(jī)相同，因而其性能曲線和離心風(fēng)機(jī)的性能曲線相似，如圖5a.同

圖5　多級渦輪風(fēng)機(jī)特性曲線圖

2.2流量調(diào)節(jié)技術(shù)

和普通的離心風(fēng)機(jī)一樣，多級渦輪風(fēng)機(jī)需要配置流量調(diào)節(jié)裝置.通常的離心風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)是比較簡單的，主要用于過載限制和固定的流量調(diào)節(jié).而對于應(yīng)用于氣力輸送單機(jī)設(shè)備或氣力輸送系統(tǒng)的多級渦輪來講，流量調(diào)節(jié)特征變?yōu)橐环N優(yōu)勢和較為復(fù)雜的控制手段，通過動態(tài)的自動控制調(diào)節(jié)方式，最大限度地發(fā)揮風(fēng)機(jī)的性能，以匹配設(shè)備系統(tǒng)的需要，達(dá)到高效節(jié)能的目標(biāo).

流量調(diào)節(jié)方式分為兩種，即自動風(fēng)門調(diào)節(jié)方式和變頻器調(diào)節(jié)方式.兩種方式均能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量和壓力的目標(biāo)，但控制方式和對系統(tǒng)的影響是有差別的，下面分開說明.

A-自動風(fēng)門調(diào)節(jié)方式：自動風(fēng)門結(jié)構(gòu)上是一個(gè)由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動的蝶閥，其控制部分為專門設(shè)計(jì)的包含反饋信號處理和程序邏輯控制功能于一體的控制運(yùn)算單元.其工作原理方框圖如圖6.該調(diào)節(jié)方式，主電機(jī)轉(zhuǎn)速固定，通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量來改變風(fēng)機(jī)單一特征曲線上的工作點(diǎn)，其性能曲線變化趨勢見圖5b.

圖6　自動風(fēng)門調(diào)節(jié)原理圖

從趨勢圖可看到，該控制方式下，風(fēng)門閥板動作時(shí)，空載時(shí)風(fēng)量將會有明顯的變化，壓力變化的程度取決于風(fēng)機(jī)的性能，也就是曲線的平坦度.但有物料時(shí)，物料的阻塞作用將部分取代閥板的作用，情形將變得復(fù)雜.因此，具體應(yīng)用時(shí)，在以風(fēng)機(jī)性能曲線為基準(zhǔn)的前提下，需結(jié)合物料及管道特征、輸送距離等因素進(jìn)行計(jì)算分析，這種分析的結(jié)果，最終反映在控制運(yùn)算單元的軟件程序中.理論上，該調(diào)節(jié)方式可應(yīng)用于全部的場所.

B-變頻器調(diào)節(jié)方式：該方式采用變頻器直接改變風(fēng)機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而在一組不同轉(zhuǎn)速的性能曲線上改變風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn).其性能曲線變化趨勢見圖5d.其工作原理如圖7所示.

圖7　變頻器調(diào)節(jié)原理圖

從變化趨勢圖看出，該調(diào)節(jié)方式可獲得穩(wěn)定的風(fēng)量，從而精確控制管道中的氣流速度.但壓力的變化可能是比較大的.該調(diào)節(jié)方式適合于輸送距離較短，對壓力變化不敏感的場所.比如移動式氣力輸送設(shè)備、氣力卸船機(jī)、真空清掃系統(tǒng)中，既能保證滿載時(shí)的高壓力需求，也能保證物料稀少時(shí)的輸送速度，保證物料的順暢輸送.同時(shí)，變頻器的軟起動功能，對減少電機(jī)、風(fēng)機(jī)、傳動部件的沖擊力，提高設(shè)備壽命有利.

兩種調(diào)節(jié)方式中，反饋信號一般為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端壓力（負(fù)壓氣源）或出口端壓力（正壓氣源），采用數(shù)字或模擬量壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.風(fēng)機(jī)應(yīng)用在不同的設(shè)備或氣力輸送系統(tǒng)中，控制運(yùn)算單元的控制計(jì)算數(shù)學(xué)模型和邏輯程序是不一樣的，需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行編程設(shè)計(jì).程序軟件的好壞也是能否匹配和發(fā)揮風(fēng)機(jī)性能的重要因素.

2.3性能特點(diǎn)

（1）基于智能化的流量調(diào)節(jié)技術(shù)，可任意設(shè)定管道內(nèi)氣流速度和在設(shè)定值范圍內(nèi)實(shí)時(shí)自動進(jìn)行氣流速度的調(diào)節(jié).這樣帶來諸多好處，如：①解決物料破碎問題：對于對破碎率敏感物料輸送時(shí)，氣流速度的控制是關(guān)鍵，實(shí)踐證明保證物料能順暢輸送而氣流速度最低時(shí)，物料的破碎率最小.②做到單機(jī)設(shè)備多物料品種適應(yīng)性：針對不同的物料設(shè)定不同的輸送速度值，通過自動調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其在最佳氣流速度狀態(tài)輸送.③氣源參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，不必精準(zhǔn)計(jì)算：事實(shí)上，氣力輸送系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算是不可能十分準(zhǔn)確的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，通過氣流速度調(diào)節(jié)技術(shù)可彌補(bǔ)理論計(jì)算的誤差，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，而不存在更換設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn).④節(jié)能：通過智能自動調(diào)節(jié)技術(shù)，系統(tǒng)始終運(yùn)行在最低能耗狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

（2）風(fēng)機(jī)噪聲小.空氣在多級風(fēng)機(jī)加壓后連續(xù)輸出，且風(fēng)機(jī)內(nèi)腔形狀符合流體動力學(xué)原理，空氣流動流暢，從根本上產(chǎn)生的噪聲就小.且噪聲的性質(zhì)為高頻噪聲，高頻噪聲是較容易消除的，經(jīng)過消聲器后噪聲小于80分貝.

（3）使用壽命長、輸送能力穩(wěn)定.由于是離心風(fēng)機(jī)原理，對粉塵的敏感度低，更不會由于空氣粉塵的風(fēng)蝕作用而影響P-Q性能.表現(xiàn)在輸送能力上，不能風(fēng)機(jī)使用多長時(shí)間，只要風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備的輸送能力將始終不變.

3　氣源系統(tǒng)的選用

完整的渦輪風(fēng)機(jī)氣源系統(tǒng)包含多級風(fēng)機(jī)、電機(jī)及傳動單元、自動調(diào)節(jié)裝置、消聲器、電氣控制系統(tǒng)、通風(fēng)冷卻裝置、機(jī)架或氣源室等部分（見圖8）.是一個(gè)由機(jī)械、電氣、電子、計(jì)算機(jī)、傳感器等綜合技術(shù)有機(jī)組合的智能化機(jī)電一體設(shè)備.這點(diǎn)與使用傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品有本質(zhì)的區(qū)別.因此，在選用多級渦輪風(fēng)機(jī)作氣源時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)廠家一定要和風(fēng)機(jī)制造商充分進(jìn)行技術(shù)討論，在共同分清楚析應(yīng)用工況后，由風(fēng)機(jī)制造商完成氣源系統(tǒng)的集成及制造，包括軟件程序的編制.當(dāng)然，對于定型的單機(jī)設(shè)備產(chǎn)品，這種過程是首次進(jìn)行的，對于氣力輸送工程，每次均需進(jìn)行這種合作，只是程度不一樣而已.

4　結(jié)論

多級渦輪風(fēng)機(jī)的研制成功，對我國氣力輸送行業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響，對提高氣力輸送設(shè)備技術(shù)水平起到積極的推動作用.

圖8　風(fēng)機(jī)圖

基于P-Q性能參數(shù)，多級渦輪風(fēng)機(jī)可廣泛應(yīng)用于氣力輸送單機(jī)設(shè)備、港口碼頭氣力卸船機(jī)、風(fēng)力分選設(shè)備、真空清掃設(shè)備、氣力輸送工程、環(huán)保水處理工程、高壓鼓風(fēng)等方面作為正、負(fù)壓氣源主機(jī).

由于氣力輸送影響的因素很多，物料輸送狀態(tài)是復(fù)雜的，如何將多級渦輪風(fēng)機(jī)最佳效果地應(yīng)用在氣力輸送設(shè)備或工程中，需要作更多深入的研究和實(shí)驗(yàn).

Ren Haojun
（Hunan Hisun Heavy Industry Technology Co., Ltd., Changsha 410007，China）

摘要：介紹了國內(nèi)多級渦輪風(fēng)機(jī)的最新技術(shù)進(jìn)展及其在氣力輸送設(shè)備和氣力輸送工程中的應(yīng)用方法.從多級風(fēng)機(jī)的技術(shù)特征入手，就多級渦輪風(fēng)機(jī)氣源系統(tǒng)的設(shè)備配置與控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出了典型應(yīng)用系統(tǒng)中的氣源系統(tǒng)方案及注意事項(xiàng)，為多級渦輪風(fēng)機(jī)的選型和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞：渦輪風(fēng)機(jī)；氣力輸送；吸糧機(jī)；氣力卸船機(jī)；真空清掃

Abstract：Describes the latest technological advances of domestic multi-stage turbine fan in pneumatic conveying equipment and pneumatic conveying engineering application methods.According to the technical characteristics of the multi-stage fan, conduct research to device configuration and control technology multi-stage turbine fan air supply system, we propose a typical application system gas supply system solutions and precautions, provide a reference for multi-stage turbine fan selection and application system design.

Key words：Turbine fan；Pneumatic Conveying；Grain blowers；Pneumatic Ship unloader；Vacuum Cleaning

作者簡介：任昊君（1967-），男，高級工程師，現(xiàn)任湖南海盛重工科技有限公司執(zhí)行董事兼技術(shù)總監(jiān)；專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì).

收稿日期：2014-12-28

中圖分類號：S229