多级涡轮风机气源系统技术研究与应用

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　长沙　410007）

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



多级涡轮风机气源系统技术研究与应用

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，湖南长沙410007）

在轻质散料输送领域，气力输送以环保、布置灵活、投资节省等特点得到越来越广泛的应用.气力输送设备或系统的核心技术为气源技术及管道物料特征技术.气力输送系统中常用的气源设备按供气压力大致分为低压气源，中压气源、高压气源3类，典型气源产品有：①低压气源：压力10 KPa~100 KPa，离心风机、罗茨风机、多级涡轮风机.②中压气源：压力100 KPa~250 KPa，多级涡轮风机、离心压缩机；③高压气源：压力>350 KPa，螺杆压缩机、活塞压缩机.

低压气源一般用于稀相或半密相气力输送系统，中压气源一般用于密相输送系统，高压气源一般用于密相或栓流输送系统.气力输送系统设计时根据产能、输送距离、物料特征等工艺数据选择合理的气源类型和管道参数并进行系统参数设计计算.

多级涡轮风机工作原理和离心压缩机相同，原理上属于离心风机类别.多级涡轮风机根据级数和叶轮直径的不同，形成流量和压力范围不同的多规格产品，为气力输送系统的气源参数精准匹配提供了可能.常规产品的压力范围为：30~200 KPa，流量范围：1 000~20 000 m3/h.

多级涡轮风机具备压力高、流量大，压力、流量可动态调节等技术特点，可广泛应用于稀相、半密相、密相方式的连续气力输送系统中.特别在大产量连续输送系统和变工况（物料品种、输送能力、多点进出料）输送系统中尤为具有优势.

1　多级涡轮风机产品技术状况

1.1结构形式

多级涡轮风机和离心压缩机结构相似，其外形如图1，其内部结构如图2，主要由蜗壳、叶轮、整流涡轮、壳体等主要零件组成.结构特点为：壳体为板料冲压成型结构，蜗壳及整流涡轮为铝合金精密铸造，叶轮为铆焊结构.主要零部件均采用模具制造，具备通用性和互换性.

1.2规格系列

图1　多级涡轮风机外形图

图2　多级涡轮风机内部结构图

从制造角度，多级涡轮风机产品规格主要按叶轮直径参数和级数来定义.常用的直径参数系列为：Φ500、Φ600、Φ700，常用的级数系列为2级、3级、4级.不同的直径和级数组合成不同规格的系列产品，满足各种用途.特殊流量压力用途可调整叶轮直径来精准设计.

常用规格产品及性能参数如表1所示.

表1　常见规格产品及性能参数表

1.3关键技术点

涡轮风机的关键技术点：

A-叶轮结构参数及叶片形式（见图3）；

B-整流涡轮的叶形结构参数；

C-壳体密封结构及级间密封结构与性能；

D-降噪与散热性能.

整流涡轮外形图见图3.

图3　整流涡轮外形图

1.4国内产品技术状况一台风机，其不同转速下对应一条以流量Q和压力P为坐标的二维曲线，通常称为该风机的性能曲线.直观来看，性能曲线越平坦表明该风机的性能越好，表明该风机流量在较大范围变化时(ΔQ)，压力降低小(ΔP)，这点在气力输送中是一个重要的性能.（图5b）

图5中a~d显示了各种工况中的风机特征曲线，下面的说明中将分别叙说.

在国内，湖南伟玛于2000年开始进行多级涡轮风机的研制，经过十余年的持续科研投入，目前产品从整机性能、制造工艺方面均达到国际同类产品的技术水平.各项关键技术及制造工艺技术完全自主掌握，形成了完整的规格系列，填补国内空白，为气力输送设备和工程提供了高性能的气源系统产品（见图4）.

图4　多级涡轮产品图

2　多级涡轮风机汽源系统技术

2.1风机技术特征-性能曲线

多级涡轮风机工作原理与离心风机相同，因而其性能曲线和离心风机的性能曲线相似，如图5a.同

图5　多级涡轮风机特性曲线图

2.2流量调节技术

和普通的离心风机一样，多级涡轮风机需要配置流量调节装置.通常的离心风机流量调节是比较简单的，主要用于过载限制和固定的流量调节.而对于应用于气力输送单机设备或气力输送系统的多级涡轮来讲，流量调节特征变为一种优势和较为复杂的控制手段，通过动态的自动控制调节方式，最大限度地发挥风机的性能，以匹配设备系统的需要，达到高效节能的目标.

流量调节方式分为两种，即自动风门调节方式和变频器调节方式.两种方式均能实现调节流量和压力的目标，但控制方式和对系统的影响是有差别的，下面分开说明.

A-自动风门调节方式：自动风门结构上是一个由调速电机驱动的蝶阀，其控制部分为专门设计的包含反馈信号处理和程序逻辑控制功能于一体的控制运算单元.其工作原理方框图如图6.该调节方式，主电机转速固定，通过调节进风量来改变风机单一特征曲线上的工作点，其性能曲线变化趋势见图5b.

图6　自动风门调节原理图

从趋势图可看到，该控制方式下，风门阀板动作时，空载时风量将会有明显的变化，压力变化的程度取决于风机的性能，也就是曲线的平坦度.但有物料时，物料的阻塞作用将部分取代阀板的作用，情形将变得复杂.因此，具体应用时，在以风机性能曲线为基准的前提下，需结合物料及管道特征、输送距离等因素进行计算分析，这种分析的结果，最终反映在控制运算单元的软件程序中.理论上，该调节方式可应用于全部的场所.

B-变频器调节方式：该方式采用变频器直接改变风机主电机的转速，从而在一组不同转速的性能曲线上改变风机的工作点.其性能曲线变化趋势见图5d.其工作原理如图7所示.

图7　变频器调节原理图

从变化趋势图看出，该调节方式可获得稳定的风量，从而精确控制管道中的气流速度.但压力的变化可能是比较大的.该调节方式适合于输送距离较短，对压力变化不敏感的场所.比如移动式气力输送设备、气力卸船机、真空清扫系统中，既能保证满载时的高压力需求，也能保证物料稀少时的输送速度，保证物料的顺畅输送.同时，变频器的软起动功能，对减少电机、风机、传动部件的冲击力，提高设备寿命有利.

两种调节方式中，反馈信号一般为风机进口端压力（负压气源）或出口端压力（正压气源），采用数字或模拟量压力传感器进行数据采集.风机应用在不同的设备或气力输送系统中，控制运算单元的控制计算数学模型和逻辑程序是不一样的，需要有经验的工程师进行编程设计.程序软件的好坏也是能否匹配和发挥风机性能的重要因素.

2.3性能特点

（1）基于智能化的流量调节技术，可任意设定管道内气流速度和在设定值范围内实时自动进行气流速度的调节.这样带来诸多好处，如：①解决物料破碎问题：对于对破碎率敏感物料输送时，气流速度的控制是关键，实践证明保证物料能顺畅输送而气流速度最低时，物料的破碎率最小.②做到单机设备多物料品种适应性：针对不同的物料设定不同的输送速度值，通过自动调节技术实现其在最佳气流速度状态输送.③气源参数设计时，不必精准计算：事实上，气力输送系统参数计算是不可能十分准确的，实际运行时，通过气流速度调节技术可弥补理论计算的误差，确保系统正常运行，而不存在更换设备的风险.④节能：通过智能自动调节技术，系统始终运行在最低能耗状态，真正实现节能.

（2）风机噪声小.空气在多级风机加压后连续输出，且风机内腔形状符合流体动力学原理，空气流动流畅，从根本上产生的噪声就小.且噪声的性质为高频噪声，高频噪声是较容易消除的，经过消声器后噪声小于80分贝.

（3）使用寿命长、输送能力稳定.由于是离心风机原理，对粉尘的敏感度低，更不会由于空气粉尘的风蚀作用而影响P-Q性能.表现在输送能力上，不能风机使用多长时间，只要风机在正常运转，设备的输送能力将始终不变.

3　气源系统的选用

完整的涡轮风机气源系统包含多级风机、电机及传动单元、自动调节装置、消声器、电气控制系统、通风冷却装置、机架或气源室等部分（见图8）.是一个由机械、电气、电子、计算机、传感器等综合技术有机组合的智能化机电一体设备.这点与使用传统的风机产品有本质的区别.因此，在选用多级涡轮风机作气源时，设备或系统厂家一定要和风机制造商充分进行技术讨论，在共同分清楚析应用工况后，由风机制造商完成气源系统的集成及制造，包括软件程序的编制.当然，对于定型的单机设备产品，这种过程是首次进行的，对于气力输送工程，每次均需进行这种合作，只是程度不一样而已.

4　结论

多级涡轮风机的研制成功，对我国气力输送行业的发展将产生积极的影响，对提高气力输送设备技术水平起到积极的推动作用.

图8　风机图

基于P-Q性能参数，多级涡轮风机可广泛应用于气力输送单机设备、港口码头气力卸船机、风力分选设备、真空清扫设备、气力输送工程、环保水处理工程、高压鼓风等方面作为正、负压气源主机.

由于气力输送影响的因素很多，物料输送状态是复杂的，如何将多级涡轮风机最佳效果地应用在气力输送设备或工程中，需要作更多深入的研究和实验.

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

摘要：介绍了国内多级涡轮风机的最新技术进展及其在气力输送设备和气力输送工程中的应用方法.从多级风机的技术特征入手，就多级涡轮风机气源系统的设备配置与控制技术进行研究，提出了典型应用系统中的气源系统方案及注意事项，为多级涡轮风机的选型和应用系统设计提供参考.

关键词：涡轮风机；气力输送；吸粮机；气力卸船机；真空清扫

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

作者简介：任昊君（1967-），男，高级工程师，现任湖南海盛重工科技有限公司执行董事兼技术总监；专业方向为机械设计.

收稿日期：2014-12-28

中图分类号：S229