多級渦輪風機氣源系統技術研究與應用

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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多級渦輪風機氣源系統技術研究與應用

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）

在輕質散料輸送領域，氣力輸送以環保、布置靈活、投資節省等特點得到越來越廣泛的應用.氣力輸送設備或系統的核心技術為氣源技術及管道物料特征技術.氣力輸送系統中常用的氣源設備按供氣壓力大致分為低壓氣源，中壓氣源、高壓氣源3類，典型氣源產品有：①低壓氣源：壓力10 KPa~100 KPa，離心風機、羅茨風機、多級渦輪風機.②中壓氣源：壓力100 KPa~250 KPa，多級渦輪風機、離心壓縮機；③高壓氣源：壓力>350 KPa，螺桿壓縮機、活塞壓縮機.

低壓氣源一般用于稀相或半密相氣力輸送系統，中壓氣源一般用于密相輸送系統，高壓氣源一般用于密相或栓流輸送系統.氣力輸送系統設計時根據產能、輸送距離、物料特征等工藝數據選擇合理的氣源類型和管道參數并進行系統參數設計計算.

多級渦輪風機工作原理和離心壓縮機相同，原理上屬于離心風機類別.多級渦輪風機根據級數和葉輪直徑的不同，形成流量和壓力范圍不同的多規格產品，為氣力輸送系統的氣源參數精準匹配提供了可能.常規產品的壓力范圍為：30~200 KPa，流量范圍：1 000~20 000 m3/h.

多級渦輪風機具備壓力高、流量大，壓力、流量可動態調節等技術特點，可廣泛應用于稀相、半密相、密相方式的連續氣力輸送系統中.特別在大產量連續輸送系統和變工況（物料品種、輸送能力、多點進出料）輸送系統中尤為具有優勢.

1　多級渦輪風機產品技術狀況

1.1結構形式

多級渦輪風機和離心壓縮機結構相似，其外形如圖1，其內部結構如圖2，主要由蝸殼、葉輪、整流渦輪、殼體等主要零件組成.結構特點為：殼體為板料沖壓成型結構，蝸殼及整流渦輪為鋁合金精密鑄造，葉輪為鉚焊結構.主要零部件均采用模具制造，具備通用性和互換性.

1.2規格系列

圖1　多級渦輪風機外形圖

圖2　多級渦輪風機內部結構圖

從制造角度，多級渦輪風機產品規格主要按葉輪直徑參數和級數來定義.常用的直徑參數系列為：Φ500、Φ600、Φ700，常用的級數系列為2級、3級、4級.不同的直徑和級數組合成不同規格的系列產品，滿足各種用途.特殊流量壓力用途可調整葉輪直徑來精準設計.

常用規格產品及性能參數如表1所示.

表1　常見規格產品及性能參數表

1.3關鍵技術點

渦輪風機的關鍵技術點：

A-葉輪結構參數及葉片形式（見圖3）；

B-整流渦輪的葉形結構參數；

C-殼體密封結構及級間密封結構與性能；

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國內產品技術狀況一臺風機，其不同轉速下對應一條以流量Q和壓力P為坐標的二維曲線，通常稱為該風機的性能曲線.直觀來看，性能曲線越平坦表明該風機的性能越好，表明該風機流量在較大范圍變化時(ΔQ)，壓力降低小(ΔP)，這點在氣力輸送中是一個重要的性能.（圖5b）

圖5中a~d顯示了各種工況中的風機特征曲線，下面的說明中將分別敘說.

在國內，湖南偉瑪于2000年開始進行多級渦輪風機的研制，經過十余年的持續科研投入，目前產品從整機性能、制造工藝方面均達到國際同類產品的技術水平.各項關鍵技術及制造工藝技術完全自主掌握，形成了完整的規格系列，填補國內空白，為氣力輸送設備和工程提供了高性能的氣源系統產品（見圖4）.

圖4　多級渦輪產品圖

2　多級渦輪風機汽源系統技術

2.1風機技術特征-性能曲線

多級渦輪風機工作原理與離心風機相同，因而其性能曲線和離心風機的性能曲線相似，如圖5a.同

圖5　多級渦輪風機特性曲線圖

2.2流量調節技術

和普通的離心風機一樣，多級渦輪風機需要配置流量調節裝置.通常的離心風機流量調節是比較簡單的，主要用于過載限制和固定的流量調節.而對于應用于氣力輸送單機設備或氣力輸送系統的多級渦輪來講，流量調節特征變為一種優勢和較為復雜的控制手段，通過動態的自動控制調節方式，最大限度地發揮風機的性能，以匹配設備系統的需要，達到高效節能的目標.

流量調節方式分為兩種，即自動風門調節方式和變頻器調節方式.兩種方式均能實現調節流量和壓力的目標，但控制方式和對系統的影響是有差別的，下面分開說明.

A-自動風門調節方式：自動風門結構上是一個由調速電機驅動的蝶閥，其控制部分為專門設計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算單元.其工作原理方框圖如圖6.該調節方式，主電機轉速固定，通過調節進風量來改變風機單一特征曲線上的工作點，其性能曲線變化趨勢見圖5b.

圖6　自動風門調節原理圖

從趨勢圖可看到，該控制方式下，風門閥板動作時，空載時風量將會有明顯的變化，壓力變化的程度取決于風機的性能，也就是曲線的平坦度.但有物料時，物料的阻塞作用將部分取代閥板的作用，情形將變得復雜.因此，具體應用時，在以風機性能曲線為基準的前提下，需結合物料及管道特征、輸送距離等因素進行計算分析，這種分析的結果，最終反映在控制運算單元的軟件程序中.理論上，該調節方式可應用于全部的場所.

B-變頻器調節方式：該方式采用變頻器直接改變風機主電機的轉速，從而在一組不同轉速的性能曲線上改變風機的工作點.其性能曲線變化趨勢見圖5d.其工作原理如圖7所示.

圖7　變頻器調節原理圖

從變化趨勢圖看出，該調節方式可獲得穩定的風量，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.該調節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備、氣力卸船機、真空清掃系統中，既能保證滿載時的高壓力需求，也能保證物料稀少時的輸送速度，保證物料的順暢輸送.同時，變頻器的軟起動功能，對減少電機、風機、傳動部件的沖擊力，提高設備壽命有利.

兩種調節方式中，反饋信號一般為風機進口端壓力（負壓氣源）或出口端壓力（正壓氣源），采用數字或模擬量壓力傳感器進行數據采集.風機應用在不同的設備或氣力輸送系統中，控制運算單元的控制計算數學模型和邏輯程序是不一樣的，需要有經驗的工程師進行編程設計.程序軟件的好壞也是能否匹配和發揮風機性能的重要因素.

2.3性能特點

（1）基于智能化的流量調節技術，可任意設定管道內氣流速度和在設定值范圍內實時自動進行氣流速度的調節.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，氣流速度的控制是關鍵，實踐證明保證物料能順暢輸送而氣流速度最低時，物料的破碎率最小.②做到單機設備多物料品種適應性：針對不同的物料設定不同的輸送速度值，通過自動調節技術實現其在最佳氣流速度狀態輸送.③氣源參數設計時，不必精準計算：事實上，氣力輸送系統參數計算是不可能十分準確的，實際運行時，通過氣流速度調節技術可彌補理論計算的誤差，確保系統正常運行，而不存在更換設備的風險.④節能：通過智能自動調節技術，系統始終運行在最低能耗狀態，真正實現節能.

（2）風機噪聲小.空氣在多級風機加壓后連續輸出，且風機內腔形狀符合流體動力學原理，空氣流動流暢，從根本上產生的噪聲就小.且噪聲的性質為高頻噪聲，高頻噪聲是較容易消除的，經過消聲器后噪聲小于80分貝.

（3）使用壽命長、輸送能力穩定.由于是離心風機原理，對粉塵的敏感度低，更不會由于空氣粉塵的風蝕作用而影響P-Q性能.表現在輸送能力上，不能風機使用多長時間，只要風機在正常運轉，設備的輸送能力將始終不變.

3　氣源系統的選用

完整的渦輪風機氣源系統包含多級風機、電機及傳動單元、自動調節裝置、消聲器、電氣控制系統、通風冷卻裝置、機架或氣源室等部分（見圖8）.是一個由機械、電氣、電子、計算機、傳感器等綜合技術有機組合的智能化機電一體設備.這點與使用傳統的風機產品有本質的區別.因此，在選用多級渦輪風機作氣源時，設備或系統廠家一定要和風機制造商充分進行技術討論，在共同分清楚析應用工況后，由風機制造商完成氣源系統的集成及制造，包括軟件程序的編制.當然，對于定型的單機設備產品，這種過程是首次進行的，對于氣力輸送工程，每次均需進行這種合作，只是程度不一樣而已.

4　結論

多級渦輪風機的研制成功，對我國氣力輸送行業的發展將產生積極的影響，對提高氣力輸送設備技術水平起到積極的推動作用.

圖8　風機圖

基于P-Q性能參數，多級渦輪風機可廣泛應用于氣力輸送單機設備、港口碼頭氣力卸船機、風力分選設備、真空清掃設備、氣力輸送工程、環保水處理工程、高壓鼓風等方面作為正、負壓氣源主機.

由于氣力輸送影響的因素很多，物料輸送狀態是復雜的，如何將多級渦輪風機最佳效果地應用在氣力輸送設備或工程中，需要作更多深入的研究和實驗.

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

摘要：介紹了國內多級渦輪風機的最新技術進展及其在氣力輸送設備和氣力輸送工程中的應用方法.從多級風機的技術特征入手，就多級渦輪風機氣源系統的設備配置與控制技術進行研究，提出了典型應用系統中的氣源系統方案及注意事項，為多級渦輪風機的選型和應用系統設計提供參考.

關鍵詞：渦輪風機；氣力輸送；吸糧機；氣力卸船機；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，現任湖南海盛重工科技有限公司執行董事兼技術總監；專業方向為機械設計.

收稿日期：2014-12-28

中圖分類號：S229