高溫軸流通風(fēng)機的設(shè)計與應(yīng)用 Design and Application of Axial Fan with High Temperature 劉建壽 趙尊群 / 洛陽工業(yè)高等�？茖W(xué)校機械工程系 摘要：介紹了研制的，用于高溫、高濕、高粉塵氣體的高溫軸流通風(fēng)機，該風(fēng)機采用了水泠卻、潤滑、皮帶保護、清灰門等結(jié)構(gòu)，具有直徑大、風(fēng)量大、低壓的特點。
關(guān)鍵詞 : 高溫軸流通風(fēng)機 水泥立窯 水除塵 水泠卻 潤滑
中圖分類號： TH432.1 文獻標(biāo)識碼 :B
文章編號 :1006-8155(2005)03-0006-03 Abstract The article introduces a new axial fan used in high temperature and high moisture and high dust .It makes use of structure of water cooling and lubrication and protected belt and clean dust door and so no.It has characteristic property of huge diameter and enormous wind and low pressure.
Keywords: Axial fan used in high temperature Shaft cement kiln Wet arresting dust
Water cooling Lubrication 1 引言 　　目前，全國水泥 78% 為立窯生產(chǎn)，立窯煙氣具有排放量大、粉塵含量高、溫度高、含濕量高以及氣體狀況波動大的特點。立窯煙氣量為 30000 ～ 60000m³/h ；煙氣粉塵含量為1～10g/ m³ （通常為5g/m³）；煙氣溫度為 50 ～ 200ºC ，窯況不正常時更高；煙氣含濕量為 5% ～10% ，底火拉深時高達20% ；由于煙氣含濕量高，立窯煙氣的露點達到 40～ 55ºC ，甚至高達77ºC; 煙氣粉塵較粗，淺暗火操作時大于40μm 的占50% ，暗火操作時大于40μm 的占45% ；煙氣狀況隨立窯的操作和原料頻繁變化，速度快，幅度大。 　　立窯除塵器應(yīng)用較多的為水除塵器，它具有工藝簡單、投資小及運行費用低的特點，但水除塵器都存在著煙氣倒煙問題。水除塵器的噴淋水增加了煙氣排放阻力，使立窯煙氣產(chǎn)生倒煙，噴水量越多，倒煙越嚴(yán)重，一方面限制了噴水量，使煙氣排放難以達標(biāo)；另一方面還使立窯窯面工作臺操作環(huán)境惡劣，工人CO中毒事故經(jīng)常發(fā)生。 為解決倒煙問題，人們作過多種探索和試驗。在高溫氣流煙囪內(nèi)安裝軸流通風(fēng)機，會引起電機和軸承的燒毀，在立窯煙囪內(nèi)不能應(yīng)用軸流通風(fēng)機。采用鼓風(fēng)機向煙囪內(nèi)鼓風(fēng)以提高煙囪中部風(fēng)速的方式也不能解決煙囪倒煙問題。針對上述問題，研制了適合立窯水除塵專用的大風(fēng)量、耐高溫、大規(guī)格的高溫軸流通風(fēng)機。 2 性能參數(shù)的確定　　圖1 為立窯水除塵安裝高溫軸流通風(fēng)機的示意圖，每臺立窯有2個煙囪，由于水除塵器直徑較大，煙氣中含水量大，頂部位置高，高溫軸流通風(fēng)機安裝在水除塵前面，每個煙囪安裝一臺高溫軸流通風(fēng)機。機立窯在生產(chǎn)過程中，煙氣排放量 30000～60000 m³/h ，把2臺軸流通風(fēng)機的總設(shè)計風(fēng)量定在60000m³/h ，每臺軸流通風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量為30000m³/h 。根據(jù)現(xiàn)場實測，氣流經(jīng)過噴淋塔后，壓力下降220Pa 左右，把軸流風(fēng)機的風(fēng)壓定在 250Pa 。由于多數(shù)機立窯煙囪直徑在Ф1.5m 左右，考慮到管道的阻力和便于管道聯(lián)接，要求機殼直徑等于或接近于煙囪直徑，所以在設(shè)計風(fēng)機葉輪時，盡可能增大葉輪直徑。由于風(fēng)機的葉輪直徑較大，在一定的風(fēng)量風(fēng)壓下，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)降低，選用6極電機，轉(zhuǎn)速 960r/min 。 　　由上可知，確定設(shè)計的高溫軸流通風(fēng)機性能參數(shù)應(yīng)為全壓 p =250pa，流量Q =30000m3/h，轉(zhuǎn)速n =960r/min 。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　高溫軸流風(fēng)機的設(shè)計應(yīng)考慮使用條件、風(fēng)機運轉(zhuǎn)可靠和安裝維修方便等方面的要求，高溫軸流風(fēng)機串聯(lián)在管道中，機殼兩端法蘭與管道聯(lián)接。設(shè)計的高溫軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要應(yīng)解決溫度對軸流風(fēng)機的影響、軸承的冷卻和潤滑、葉片積塵的清理等。風(fēng)機是在高溫（100～200οC）和有腐蝕性的氣體中工作，為了保護電機，不采用電機與風(fēng)機的直接聯(lián)接，而采用皮帶傳動，將電機置于機殼之外，三角帶和風(fēng)機皮帶輪用鋼板包圍起來，避免與高溫氣流的直接接觸。風(fēng)機在含塵濃度較高、濕度較大的氣體介質(zhì)中運轉(zhuǎn)，所以風(fēng)機葉片上極易粘結(jié)粉塵，給風(fēng)機運轉(zhuǎn)帶來不利，為了清除葉片結(jié)塵，在機殼上對應(yīng)風(fēng)機葉片處，開設(shè)清理門，小門與筒壁要密封。 　　風(fēng)機軸承是在高溫下連續(xù)運行，所以軸承的潤滑和冷卻就顯得非常重要。在結(jié)構(gòu)上要保證軸承的可靠潤滑并設(shè)置水冷卻裝置。圖3為高溫軸流通風(fēng)機泠卻潤滑結(jié)構(gòu)圖，在軸承周圍設(shè)置冷卻水套，通冷卻水以冷卻降溫，由于風(fēng)機立式安裝，冷卻水由風(fēng)機下部進入，上部排水。潤滑油采用稀油循環(huán)潤滑，潤滑油也要進行冷卻。為了保證軸承的潤滑，在每個軸承的下方，設(shè)置一個骨架油封，以減少潤滑油的流失。 4 風(fēng)機性能試驗 　　高溫軸流風(fēng)機的加工制造在鼓風(fēng)機廠完成，制造完成后進行了風(fēng)機性能試驗，經(jīng)過對風(fēng)機葉片幾何參數(shù)的多次改進，使之符合設(shè)計要求。軸流風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓等主要參數(shù)都達到設(shè)計指標(biāo)。經(jīng)質(zhì)量檢驗，樣機加工質(zhì)量符合技術(shù)要求。該風(fēng)機電機型號為 Y 132M 2 -6，功率為5.5kW ，額定轉(zhuǎn)速為 960r/min, 風(fēng)機的葉輪直徑為1280mm , 表 1 為風(fēng)機性能試驗值5 風(fēng)機的運行 　　為了解決機立窯生產(chǎn)中煙塵排放對大氣造成的嚴(yán)重污染，遂平水泥廠立窯采用了水除塵技術(shù)，但水除塵的噴淋水增加了煙道阻力，噴水量少，使水除塵產(chǎn)生倒煙和不能達標(biāo)排放。研制的機立窯水除塵軸流通風(fēng)機安裝到該廠水除塵設(shè)備上后，提高了煙囪排煙能力，立窯操作面環(huán)境清潔，更無 CO 中毒現(xiàn)象，大大改善了工人勞動環(huán)境，深受工人好評。噴水量增加，使水除塵達標(biāo)排放。該風(fēng)機能在高溫下穩(wěn)定運行。風(fēng)機葉片上的積塵在立窯停窯檢修時進行清理，不影響立窯的工作。該風(fēng)機經(jīng)受了高溫、高濕度和高粉塵濃度煙氣的考驗。實踐表明 : 該風(fēng)機可應(yīng)用于立窯煙氣排煙，填補了軸流通風(fēng)機在這一領(lǐng)域應(yīng)用的空白。 6 結(jié)論 　　(1) 研制的高溫軸流通風(fēng)機解決了水泥立窯水除塵煙氣的倒煙問題，為立窯水除塵的排煙提供了良好的解決辦法。
　　(2)該風(fēng)機的冷卻、潤滑、皮帶保護結(jié)構(gòu)使風(fēng)機軸承、皮帶在高溫下安全運轉(zhuǎn)，電機外置使電機免燒，清理門結(jié)構(gòu)使風(fēng)機能在高粉塵煙氣中運轉(zhuǎn)，風(fēng)機可在高溫、高濕、高粉塵情況下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
　　(3) 風(fēng)機流量大，壓力低，滿足除塵工藝要求。 參 考 文 獻 [1] 沈鴻等 . 機械工程手冊 . 機械工業(yè)出版社， 1984 .
[2] 周浩遠，李柏芬 . 機立窯煙塵有害成分淺析 . 中國建材， 1997 （9） .
[3] 朱教群 . 中國水泥工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展 . 山東建材， 2001 （6） .
[4] 李兆臣 . 水泥立窯的煙氣特點及防止 . 水泥技術(shù)， 2000 （4） .
[5] 潭天佑 , 梁風(fēng)珍 . 工業(yè)通風(fēng)除塵技術(shù) . 中國建筑工業(yè)出版社 ,1984.

摘要：重點討論了軸流式通風(fēng)機的等靜壓設(shè)計原則，并以實例與等環(huán)量設(shè)計方法對其靜壓作了對比。簡要介紹了離心通風(fēng)機流道、葉片長度及蝸殼的設(shè)計思想。

關(guān)建詞：通風(fēng)機；等靜壓；設(shè)計

中圖分類號：TH43　　　 文獻標(biāo)識碼：B

The New Method for Fan Designing

Abstract: This paper has essentially discussed the isostatic pressing design principles of axial-flow fan. The example and equal circulation design method are used to compare its static pressure. And the design thought of the flow channel, blade length and volute of centrifugal fan is briefly introduced.

Key words: fan; isostatic pressing ; design

0　　 引 言

　　綠色經(jīng)濟、環(huán)保經(jīng)濟是當(dāng)今世界的發(fā)展潮流 。在這個大背景下機械設(shè)備的提效降耗、減少噪聲尤其重要。通風(fēng)機在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域應(yīng)用都非常廣泛，尤其在采礦業(yè)礦井的通風(fēng)工程中應(yīng)用多、且機型大。所以通風(fēng)機的效率哪怕提高一點兒，噪聲降低一點兒，其經(jīng)濟效益和社會效益都是非�？捎^的。

１ 等靜壓原則

1.1　 定義

　　軸流式通風(fēng)機設(shè)計的等環(huán)量設(shè)計方法，在世界各國已延續(xù)使用了上百年。等環(huán)量的實質(zhì)就是等全壓原則。實踐證明，這個原則發(fā)揮了巨大的作用。使用它的初衷是為保證從葉根到葉梢各截面環(huán)量相同，葉片上不會產(chǎn)生由下向上氣流微團的徑向爬行運動，影響風(fēng)機效率。但筆者認(rèn)為有不小差異�，F(xiàn)提出等靜壓原則，就是要求從葉根到葉梢各截面產(chǎn)生的靜壓減去相應(yīng)的離心壓力后，靜壓相同。并且各個截面流出端的絕對速度的方向相同、大小相等。以徑向靜壓平衡，來消除徑向氣流的爬行運動提高效率。以簡化流場，來降低流出端的氣流噪聲。

1.2 舉例

　　為了說明問題，以一個5號局扇為例進行計算列表�；�本參數(shù)為d=0.31m; D=0.5m; n=2900r/min；Q=217m3/min ； pst=1170Pa 。

　　分別按等環(huán)量和等靜壓原則，計算出各個截面的靜壓值見表1。

表1 兩種算法靜壓對比表

截面序號

0

1

2

3

r i / m

0.1550.185

0.215

0.25

等環(huán)量計算/Pa

1170 1339

1443

1520

等靜壓計算/Pa

1170

1389.9

1553.9

1646.3

注： i =0,1,2, … , n

　　應(yīng)用等靜壓原則要以緊貼輪轂的 0 截面靜壓為基準(zhǔn)，它等于設(shè)計計算要求的數(shù)值。用數(shù)學(xué)式表達:psti=pst0+p1+…+pj，pj為相應(yīng)j截面離心壓力。 j =1,2, … , n － 1 離心壓力計算式： p j = ρ × CUj2 / rj -1×d r , ρ 為密度： 1.2kg/m3。分析表中數(shù)值，以等靜壓計算的相鄰截面差值為準(zhǔn)，則可比較出等環(huán)量計算的對應(yīng)截面差值偏小。這會造成 7 ～ 9m/s 的爬行運動。

1.3　 題外推論

　 　大氣中和水中用的推進器槳葉，因為沒有剛性的D界面，離心壓力建立不起來，所以應(yīng)用等靜壓原則時基本上可以直接令各個截面的靜壓都相等，等于0截面的靜壓�？梢暂^多地降低動壓在全壓中的百分比。低動壓就是低噪聲，對水下船艦來說可能具有縮小被對方發(fā)現(xiàn)的相對距離的軍事意義。

２ 葉輪直徑計算式

2.1 計算輪轂直徑

　　這里不用傳統(tǒng)的“輪轂比”這個概念，而是直接計算數(shù)值。如果輪轂直徑偏小，則0截面就產(chǎn)生不了計算要求的靜壓，如果輪轂直徑過大，則會造成設(shè)備尺寸大，浪費材料和工本。所以還是有一個簡單、直觀、準(zhǔn)確的計算公式使用比較方便。

　　d≥28.87/n×pst1/2

　　式中n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；pst為用戶要求靜壓，Pa；d為輪轂直徑，m。

2.2 　葉輪直徑的確定

　　確定葉輪直徑首先要根據(jù)用戶要求的風(fēng)量Q、及考慮噪聲符合要求的軸向風(fēng)速Ca算出需要的氣流通過面積。由面積及2.1中算出的輪轂直徑d求出葉輪直徑D。然后用葉輪轉(zhuǎn)速n和由葉片結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)成材料決定的最大圓周速度Umax來校核。進行參數(shù)調(diào)整，直到Ca和Umax都滿足要求為止。

3 　葉型

　　以緊貼輪轂表面的0截面為基準(zhǔn)，根據(jù)用戶要求的靜壓pst和U0來計算出 截面的進口相對氣流角β1和出口相對氣流角β2 。用這兩個角和輪轂軸向?qū)挾菳來畫出葉片曲線。該曲線要作為葉片的工作面，而不是葉片的中線。一般中小型風(fēng)機鋼板熱壓葉片以凹面為準(zhǔn)。大型風(fēng)機葉片另作背面曲線。此時可參照手冊上，選下邊平直上邊起拱的原始葉型。最好令背面曲線流出端處β2ˊ等于工作面流出端的β2，這樣有利于簡化流場。

　　β1、β2的差值越大則氣流從葉片獲得的能量越多。畫工作面曲線時可適當(dāng)加大差值，以獲得較高壓頭，只要U0能滿足就行。

4　 對旋風(fēng)機

　　對旋風(fēng)機的第一級葉輪設(shè)計與單級軸流通風(fēng)機葉輪設(shè)計沒有什么區(qū)別，第二級葉輪則必須慎重考慮。因為第二級葉輪所接受的氣流已具有非常大的能量。其全部能量（全壓）中約20％是動能（動壓）。它在通過二級葉輪時如有部分變?yōu)槎�級葉輪的負(fù)荷，那就是不必要的能量損失。為避免出現(xiàn)此現(xiàn)象，要求兩級葉輪有很好的匹配關(guān)系。借用太極拳中順勢泄力的理念，可以把二級葉輪入流絕對速度的方向設(shè)計成與一級葉輪流出絕對速度的方向相同，這是可以做到的。

5 　離心通風(fēng)機

5.1　 流道設(shè)計

　　離心通風(fēng)機葉輪流道從進口到出口的截面積要處處相同。流束界面形狀的改變都會有流動損失，更不要說截面不同使速度時快時慢變化了，產(chǎn)生的流動損失會更大。所以要重視這一條。

5.2 　葉片長度

　　當(dāng)葉輪外徑D、內(nèi)徑d、入流角β1和流出角β2確定后，那么流量和壓力也就固定了，即流體從葉片獲得的能量固定。此時在入流角β1和流出角β2保持不變的情況下，加大葉片長度（加大葉片圍包角）就會降低葉片單位長度負(fù)荷率。減少摩擦損失，延長葉輪使用壽命。為證明加大葉片長度可行性，給出圖1。4條曲線都是β1=10°，β2=30°，而包角為110°～140°。

屋頂負(fù)壓風(fēng)機
豬場負(fù)壓風(fēng)機
廠房降溫風(fēng)機

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