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屋顶负压风机高温轴流通风机的设计与应用通风机设计新方法
关键词 : 高温轴流通风机 水泥立窑 水除尘 水泠却 润滑
中图分类号： TH432.1 文献标识码 :B
文章编号 :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，全国水泥 78% 为立窑生产，立窑烟气具有排放量大、粉尘含量高、温度高、含湿量高以及气体状况波动大的特点。立窑烟气量为 30000 ～ 60000m³/h ；烟气粉尘含量为1～10g/ m³ （通常为5g/m³）；烟气温度为 50 ～ 200ºC ，窑况不正常时更高；烟气含湿量为 5% ～10% ，底火拉深时高达20% ；由于烟气含湿量高，立窑烟气的露点达到 40～ 55ºC ，甚至高达77ºC; 烟气粉尘较粗，浅暗火操作时大于40μm 的占50% ，暗火操作时大于40μm 的占45% ；烟气状况随立窑的操作和原料频繁变化，速度快，幅度大。 立窑除尘器应用较多的为水除尘器，它具有工艺简单、投资小及运行费用低的特点，但水除尘器都存在着烟气倒烟问题。水除尘器的喷淋水增加了烟气排放阻力，使立窑烟气产生倒烟，喷水量越多，倒烟越严重，一方面限制了喷水量，使烟气排放难以达标；另一方面还使立窑窑面工作台操作环境恶劣，工人CO中毒事故经常发生。 为解决倒烟问题，人们作过多种探索和试验。在高温气流烟囱内安装轴流通风机，会引起电机和轴承的烧毁，在立窑烟囱内不能应用轴流通风机。采用鼓风机向烟囱内鼓风以提高烟囱中部风速的方式也不能解决烟囱倒烟问题。针对上述问题，研制了适合立窑水除尘专用的大风量、耐高温、大规格的高温轴流通风机。 2 性能参数的确定 图1 为立窑水除尘安装高温轴流通风机的示意图，每台立窑有2个烟囱，由于水除尘器直径较大，烟气中含水量大，顶部位置高，高温轴流通风机安装在水除尘前面，每个烟囱安装一台高温轴流通风机。机立窑在生产过程中，烟气排放量 30000～60000 m³/h ，把2台轴流通风机的总设计风量定在60000m³/h ，每台轴流通风机的设计风量为30000m³/h 。根据现场实测，气流经过喷淋塔后，压力下降220Pa 左右，把轴流风机的风压定在 250Pa 。由于多数机立窑烟囱直径在Ф1.5m 左右，考虑到管道的阻力和便于管道联接，要求机壳直径等于或接近于烟囱直径，所以在设计风机叶轮时，尽可能增大叶轮直径。由于风机的叶轮直径较大，在一定的风量风压下，风机的转速就相应降低，选用6极电机，转速 960r/min 。 由上可知，确定设计的高温轴流通风机性能参数应为全压 p =250pa，流量Q =30000m3/h，转速n =960r/min 。 3 结构设计 高温轴流风机的设计应考虑使用条件、风机运转可靠和安装维修方便等方面的要求，高温轴流风机串联在管道中，机壳两端法兰与管道联接。设计的高温轴流风机结构如图2所示，结构设计中主要应解决温度对轴流风机的影响、轴承的冷却和润滑、叶片积尘的清理等。风机是在高温（100～200οC）和有腐蚀性的气体中工作，为了保护电机，不采用电机与风机的直接联接，而采用皮带传动，将电机置于机壳之外，三角带和风机皮带轮用钢板包围起来，避免与高温气流的直接接触。风机在含尘浓度较高、湿度较大的气体介质中运转，所以风机叶片上极易粘结粉尘，给风机运转带来不利，为了清除叶片结尘，在机壳上对应风机叶片处，开设清理门，小门与筒壁要密封。 风机轴承是在高温下连续运行，所以轴承的润滑和冷却就显得非常重要。在结构上要保证轴承的可靠润滑并设置水冷却装置。图3为高温轴流通风机泠却润滑结构图，在轴承周围设置冷却水套，通冷却水以冷却降温，由于风机立式安装，冷却水由风机下部进入，上部排水。润滑油采用稀油循环润滑，润滑油也要进行冷却。为了保证轴承的润滑，在每个轴承的下方，设置一个骨架油封，以减少润滑油的流失。 4 风机性能试验 高温轴流风机的加工制造在鼓风机厂完成，制造完成后进行了风机性能试验，经过对风机叶片几何参数的多次改进，使之符合设计要求。轴流风机的风量、风压等主要参数都达到设计指标。经质量检验，样机加工质量符合技术要求。该风机电机型号为 Y 132M 2 -6，功率为5.5kW ，额定转速为 960r/min, 风机的叶轮直径为1280mm , 表 1 为风机性能试验值5 风机的运行 为了解决机立窑生产中烟尘排放对大气造成的严重污染，遂平水泥厂立窑采用了水除尘技术，但水除尘的喷淋水增加了烟道阻力，喷水量少，使水除尘产生倒烟和不能达标排放。研制的机立窑水除尘轴流通风机安装到该厂水除尘设备上后，提高了烟囱排烟能力，立窑操作面环境清洁，更无 CO 中毒现象，大大改善了工人劳动环境，深受工人好评。喷水量增加，使水除尘达标排放。该风机能在高温下稳定运行。风机叶片上的积尘在立窑停窑检修时进行清理，不影响立窑的工作。该风机经受了高温、高湿度和高粉尘浓度烟气的考验。实践表明 : 该风机可应用于立窑烟气排烟，填补了轴流通风机在这一领域应用的空白。 6 结论 (1) 研制的高温轴流通风机解决了水泥立窑水除尘烟气的倒烟问题，为立窑水除尘的排烟提供了良好的解决办法。
(2)该风机的冷却、润滑、皮带保护结构使风机轴承、皮带在高温下安全运转，电机外置使电机免烧，清理门结构使风机能在高粉尘烟气中运转，风机可在高温、高湿、高粉尘情况下运转平稳。
(3) 风机流量大，压力低，满足除尘工艺要求。 参 考 文 献 [1] 沈鸿等 . 机械工程手册 . 机械工业出版社， 1984 .
[2] 周浩远，李柏芬 . 机立窑烟尘有害成分浅析 . 中国建材， 1997 （9） .
[3] 朱教群 . 中国水泥工业的可持续性发展 . 山东建材， 2001 （6） .
[4] 李兆臣 . 水泥立窑的烟气特点及防止 . 水泥技术， 2000 （4） .
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摘要：重点讨论了轴流式通风机的等静压设计原则，并以实例与等环量设计方法对其静压作了对比。简要介绍了离心通风机流道、叶片长度及蜗壳的设计思想。
关建词：通风机；等静压；设计
中图分类号：TH43 文献标识码：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
绿色经济、环保经济是当今世界的发展潮流 。在这个大背景下机械设备的提效降耗、减少噪声尤其重要。通风机在国民经济各个领域应用都非常广泛，尤其在采矿业矿井的通风工程中应用多、且机型大。所以通风机的效率哪怕提高一点儿，噪声降低一点儿，其经济效益和社会效益都是非常可观的。
１ 等静压原则
1.1 定义
轴流式通风机设计的等环量设计方法，在世界各国已延续使用了上百年。等环量的实质就是等全压原则。实践证明，这个原则发挥了巨大的作用。使用它的初衷是为保证从叶根到叶梢各截面环量相同，叶片上不会产生由下向上气流微团的径向爬行运动，影响风机效率。但笔者认为有不小差异。现提出等静压原则，就是要求从叶根到叶梢各截面产生的静压减去相应的离心压力后，静压相同。并且各个截面流出端的绝对速度的方向相同、大小相等。以径向静压平衡，来消除径向气流的爬行运动提高效率。以简化流场，来降低流出端的气流噪声。
1.2 举例
为了说明问题，以一个5号局扇为例进行计算列表。基本参数为d=0.31m; D=0.5m; n=2900r/min；Q=217m3/min ； pst=1170Pa 。
分别按等环量和等静压原则，计算出各个截面的静压值见表1。
表1 两种算法静压对比表
截面序号
0
1
2
3
r i / m
0.1550.1850.215
0.25等环量计算/Pa
1170 13391443
1520等静压计算/Pa
1170
1389.9
1553.9
1646.3
注： i =0,1,2, … , n
应用等静压原则要以紧贴轮毂的 0 截面静压为基准，它等于设计计算要求的数值。用数学式表达:psti=pst0+p1+…+pj，pj为相应j截面离心压力。 j =1,2, … , n － 1 离心压力计算式： p j = ρ × CUj2 / rj -1×d r , ρ 为密度： 1.2kg/m3。分析表中数值，以等静压计算的相邻截面差值为准，则可比较出等环量计算的对应截面差值偏小。这会造成 7 ～ 9m/s 的爬行运动。
1.3 题外推论
大气中和水中用的推进器桨叶，因为没有刚性的D界面，离心压力建立不起来，所以应用等静压原则时基本上可以直接令各个截面的静压都相等，等于0截面的静压。可以较多地降低动压在全压中的百分比。低动压就是低噪声，对水下船舰来说可能具有缩小被对方发现的相对距离的军事意义。
２ 叶轮直径计算式
2.1 计算轮毂直径
这里不用传统的“轮毂比”这个概念，而是直接计算数值。如果轮毂直径偏小，则0截面就产生不了计算要求的静压，如果轮毂直径过大，则会造成设备尺寸大，浪费材料和工本。所以还是有一个简单、直观、准确的计算公式使用比较方便。
d≥28.87/n×pst1/2
式中n为叶轮转速，r/min；pst为用户要求静压，Pa；d为轮毂直径，m。
2.2 叶轮直径的确定
确定叶轮直径首先要根据用户要求的风量Q、及考虑噪声符合要求的轴向风速Ca算出需要的气流通过面积。由面积及2.1中算出的轮毂直径d求出叶轮直径D。然后用叶轮转速n和由叶片结构型式及构成材料决定的最大圆周速度Umax来校核。进行参数调整，直到Ca和Umax都满足要求为止。
3 叶型
以紧贴轮毂表面的0截面为基准，根据用户要求的静压pst和U0来计算出 截面的进口相对气流角β1和出口相对气流角β2 。用这两个角和轮毂轴向宽度B来画出叶片曲线。该曲线要作为叶片的工作面，而不是叶片的中线。一般中小型风机钢板热压叶片以凹面为准。大型风机叶片另作背面曲线。此时可参照手册上，选下边平直上边起拱的原始叶型。最好令背面曲线流出端处β2ˊ等于工作面流出端的β2，这样有利于简化流场。
β1、β2的差值越大则气流从叶片获得的能量越多。画工作面曲线时可适当加大差值，以获得较高压头，只要U0能满足就行。
4 对旋风机
对旋风机的第一级叶轮设计与单级轴流通风机叶轮设计没有什么区别，第二级叶轮则必须慎重考虑。因为第二级叶轮所接受的气流已具有非常大的能量。其全部能量（全压）中约20％是动能（动压）。它在通过二级叶轮时如有部分变为二级叶轮的负荷，那就是不必要的能量损失。为避免出现此现象，要求两级叶轮有很好的匹配关系。借用太极拳中顺势泄力的理念，可以把二级叶轮入流绝对速度的方向设计成与一级叶轮流出绝对速度的方向相同，这是可以做到的。
5 离心通风机
5.1 流道设计
离心通风机叶轮流道从进口到出口的截面积要处处相同。流束界面形状的改变都会有流动损失，更不要说截面不同使速度时快时慢变化了，产生的流动损失会更大。所以要重视这一条。
5.2 叶片长度
当叶轮外径D、内径d、入流角β1和流出角β2确定后，那么流量和压力也就固定了，即流体从叶片获得的能量固定。此时在入流角β1和流出角β2保持不变的情况下，加大叶片长度（加大叶片围包角）就会降低叶片单位长度负荷率。减少摩擦损失，延长叶轮使用寿命。为证明加大叶片长度可行性，给出图1。4条曲线都是β1=10°，β2=30°，而包角为110°～140°。
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