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鼓风机
用于强制鼓风的器具
历史
鼓风机
在距今5000~6000年前，中国就已出现了冶金术。公元前5世纪进入铁器时代之后，铁器便成为推动历史进步的重要因素，一度成为生产力发展水平的标志。冶铁是多种技术的结合，鼓风技术就是其中不可或缺的一部分。我国古代的冶金机械鼓风技术经历了从间歇鼓风到连续鼓风的发展，鼓风设备则从皮橐发展到木扇、活塞式木风箱，其间还出现了马排与水排。鼓风设备的发展既是冶铁技术进步的重要部分，同时又作为机械技术的一种受到机械技术整体水平的影响。中国的冶铁机械在社会政治、经济、技术水平等多种因素合力作用下表现出特有的发展脉络。
鼓风技术是将一定压力的气流鼓入炉内，使燃料充分燃烧，提高炉温，提高冶炼效率。鼓风设备是鼓风技术实施的物质基础。早期冶金可能使用自然风，后来随着对高温的需求而发展为强制鼓风。最早用于强制鼓风的器具是扇和吹管（橐）。辽宁省凌源县牛河梁发现的炼铜坩埚炉残片是吹管鼓风的典型考古实证，内蒙古赤峰市林西县的大井古铜矿遗址（夏家店上层文化，距今约2700年~2900年）也发现了陶质兽首鼓风管1个。这些发现表明，青铜时代早期已经出现较原始的鼓风设备。据现有考古发掘材料可知：我国早在西周时就已使用一座炉配四具鼓风器的冶炼设备。此外，从出土的商周时期的大量青铜器及其工艺技术水平推测，当时应该存在一种较为原始的鼓风装置，只是这种鼓风设备是否属于机械装置还待进一步考证。真正的冶铁鼓风机械装置应该是伴随冶铁术的进步而发展起来的，春秋战国时期出现了关于机械的概念。《庄子·外篇·天地》上记载了子贡所说的话：“有械（“械”乃是一种汲水工具）。于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多。”《韩非子·难二》说：“审于地形，舟车、机械之利，用力少，致功大，则入多”。这就是说，古人认为机械是一种“用力少而致功多”的器械。现在一般认为机械应包括三个部分：动力装置、传动装置、工作机。若以此衡量鼓风机械，最早的当属皮橐，此后相继有水排、木扇、活塞式木风箱等等。不难看出，从最初的皮橐到后来的马排、水排再到木扇、木风箱，其机械结构以及机械原动力呈现出由简单到复杂再到小型化、简单化的发展脉络。之所以呈现这样的特点，是由当时的社会背景，尤其是国家制度和经济发展所决定的。
特点
鼓风机
⒉鼓风机属容积运转式鼓风机。使用时，随着压力的变化，流量变动甚小。但流量随着转速而变化。因此，压力的选择范围很宽，流量的选择可通过选择转速而达到需要。
⒋鼓风机的结构决定其机械摩擦损耗非常小。因为只有轴承和齿轮副有机械接触在选材上，转子、机壳和齿轮圈有足够的机械强度。运行安全，使用寿命长是鼓风机产品的一大特色。
⒌鼓风机的转子，均经过静、动平衡校验。成品运转平稳、振动极小。
分类
罗茨鼓风机
罗茨鼓风机属于容积式鼓风机，是回转式鼓风机的一种，利用两个叶形转子或三个叶形转子在气缸内做相对运动来输送气体。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸人到转子与泵壳之间的空闻内，再经排气口排出，气体经罗茨风机没有内压缩过程。
罗茨鼓风机是中小型硫酸厂常用的鼓风机。在需用风量较小时，离心式鼓风机常因叶轮直径较小，一般每分钟2950转的转速下较难达到硫酸生产需用的压头而不适用。罗茨鼓风机兼有往复式压气机和离心式鼓风机的优点，已具有往复式压气机在转速一定时风压稍有变化，送风量可保持不变，即保持转速与风量间正比关系的特点，也具有离心式鼓风机转速高，不用气阀和曲轴，重量较轻，应用方便等优点。缺点是出口受阻碍时易使压力升高甚至造成机器本身损坏。用久后，因两只转子间的间隙、转子与机壳间的间隙扩大而致送风量下降。
目前的高炉鼓风机均采用叶片式风机，主要有离心式和轴流式两大类。离心鼓风机具有结构简单，运行可靠，设计点效率高，噪声较小等优点。离心式高炉鼓风机在中国有比较成熟的制造和使用经验，400m以下的高炉在工业落后的地区和国家使用较为广泛。但随着高炉的增大，离心鼓风机的调节损失、外形尺寸及风机重量等都有较大幅度的增加，这就给制造、运输、安装和维护等带来很大的困难，而且同时还受到旋转件——叶轮材料强度、主轴刚度、电机启动等因素的限制，又使该风机运行的可靠性和经济性有所降低。而轴流式鼓风机具有结构紧凑、体积小、重量轻、负荷调节性好、使用范围宽、风机转动惯量小、电机易启动等特点，所以在大型化和现代化高炉上被广泛使用。中国在500m以上的高炉中广泛采用了轴流鼓风机，在制造和运行方面也积累了一定的经验。
磁悬浮鼓风机
磁悬浮鼓风机是采用磁悬浮轴承的涡轮机的一种。其主要结构是鼓风机叶轮直接安装在电动机轴延伸端上，而转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上，不需要增速器及联轴器，实现由高速电动机直接驱动。由变频器来调速的单级高速离心鼓风机，其核心是磁悬浮轴承和永磁电动机技术。磁悬浮鼓风机主要技术特点有：
（2）磁悬浮轴承：无机械磨损，能量低，半永久性寿命。
（3）结构设计一体化：风机叶轮直接安装于电动机轴端，与控制系统一体化设计，集装于箱体内，结构简单、简洁。
（4）安装维护方便：无需起吊设备和高大空间，无需特殊基础，维护方便，同时节约机房的基建费用。
（5）系统模块化设计：根据用户流量不同，允许多台鼓风机并联工作，调节范围广，灵活性强。
磁悬浮鼓风机的优势：
（1）节能高效：采用磁悬浮轴承，无接触损失和机械损失，实现了高转速无极变速调节。
单极高速离心鼓风机
单极高速离心鼓风机是进入20世纪90年代，随着“三元流动理论”在离心式压缩机和鼓风机设计上的应用而发展起来的产品。单极高速离心鼓风机在设计上采用了三元流动设计理论，使单极离心式鼓风机效率高达82%以上，远优于多极离心鼓风机，在结构上采用了轴向进气导叶调节装置，在恒定压力下，流量调节为额定电流的 65%~105%，单台流量调节范围45%-100%，使得在低负荷条件下运行也有较高的效率，这是低速多极鼓风机和罗茨鼓风机所没有的优点。由于单极高速离心鼓风机具有体积小、重量轻、效率高、节约能源、性能范围调节广泛和自动化水平高等特点，目前已是污水处理行业曝气鼓风机的主流产品。
多级离心鼓风机
离心鼓风机又称透平鼓风机，气体在旋转的叶轮作用下，获得压力和流速的增大，可以实现连续送风。其工作原理为当电机转动从而带动风机叶轮旋转，气体在离心力的作用下甩出并改变流向，动能转换为静压能，从排气口排出气体，同时在叶轮间形成一定负压，使外界气体在大气压的作用下补入，达到连续鼓风的目的。离心鼓风机根据叶轮数量分为多级离心鼓风机和单级离心鼓风机。多级低速离心鼓风机正常是指转子在2只或2只以上的叶轮串联在同一根主轴上，至多可有八级风叶，转子转速为3000~3600r/min的离心式鼓风机闹。离心鼓风机一般选用进口节流调节流量与压力，使风机在较低的功率下运行，不需要放风调节，且能保持同额定工况基本相同的高效率，用于压力流量都不稳定的工况。
多级离心鼓风机的送气量一般较大，但所产生的风压不高，出口表压一般≤110kPa，流量一般在130m/min左右。与罗茨鼓风机相比，低速多级离心鼓风机由于具有噪声较低、风机运行平稳可靠、效率较高等优点，20世纪80年代以来，在国外的污水处理厂中逐渐取代了罗茨鼓风机，但仍存在体积大、质量重、流量调节性能差、效率偏低、能耗大等弊端。
空气悬浮离心鼓风机
空气悬浮离心鼓风机是一种全新概念的离心鼓风机，借鉴航空、航天器的涡轮发动机，应用先进的空气悬浮技术，采用了“高速直联电机”和“空气悬浮轴承"这两个高端核心技术，改善了传统单级高速涡轮鼓风机的转速齿轮联轴器、冷却系统和油润滑系统等，大大提高了产品的技术性能及运行可靠性。
空气悬浮单级离心鼓风机采用SVS钛合金材料，叶轮抗变形能力强，选择最佳效率角度设计，效率高达88%；采用BLDCM永磁无刷超高速电机，是随着永磁材料技术、半导体技术和控制技术的发展而出现的一种最新型电机，更加高效节能；采用变频调节方式，使悬浮离心鼓风机的可调范围更宽；采用空气自冷却技术，可确保鼓风机在炎热的夏季仍保持可靠的工作性能，由于采用高速直联电机、空气悬浮轴承及三维模拟涡轮叶轮，大大减少了因为机械传动和机械摩擦而产生的能源消耗，故效率极高；空气悬浮轴承较磁悬浮轴承寿命更长，更换价格也相对低廉；启停不依赖于电源，运行较磁悬浮离心鼓风机更加稳定可靠；与罗茨风机相比可节能25%~35%，与传统多级离心鼓风机相比可节能15%~20%，与传统单级高速离心鼓风机相比可节能10%~15%。风量为35~160m/min，最大出口风压达100kPa。
结构
靠转动叶轮上叶片的动力作用将能量传递给连续流动的流体或靠流体传出的能量推动叶片旋转的装置，称为叶轮机械。在叶轮机械中，转动叶片对流体做正功或负功，使流体的压力升高或降低。叶轮机械分为两大类：一类是工作机，流体从其中吸收功率增加压头或水头，如叶片式泵和通风机；另一类是原动机，流体在其中膨胀、降低压力或水头产生功率，如汽轮机和水轮机。人们把原动机称为透平，而把工作机成为叶片式流体机械。
按照风机工作原理的不同分为叶片式和容积式两大类，其中叶片式又可分为轴流式、离心式和混流式。按照风机产生压力的高低，又可分为鼓风机、压缩机和通风机。我国现行机械行业标准JB/T2977-92中规定：通风机是指进口为标准空气进口条件下，出口压力（表压）小于0.015MPa的风机；出口压力（表压）在0.015MPa和0.2MPa之间的称为鼓风机；出口压力（表压）大于0.2MPa的称为压缩机。
集流器可以将气体导向叶轮，叶轮入口气流状况是由集流器的几何形状来保证的。集流器的形状有很多种，主要是：筒形、锥形、筒锥形、弧形、筒弧形、弧锥形等。
叶轮一般有轮盖、轮盘、叶片、轴盘四大部件组成，其结构的连接方式主要是焊接和铆接。按照叶轮的出口不同的安装角度，可分为径向、前向和后向三种。叶轮是离心风机最重要的部分，由原动机驱动，是离心叶轮机械的心脏，负责由欧拉方程所描述的能量传输过程，离心叶轮内部的流动受叶轮旋转和表面曲率的作用还伴有脱流、回流和二次流现象，从而使得叶轮内的流动变得十分复杂。叶轮内部流动状况，直接影响着整级乃至整机的气动性能和效率。
蜗壳主要是用来收集从叶轮出来的气体，同时可以通过适度降低气体速度将气体的动能转化为气体的静压能，并引导气体留出蜗壳出口。鼓风机作为流体叶轮机械，从其内部流场研究入手来提高其整机性能与工作效率，是非常有效的方法。学者为了了解离心鼓风机内部的真实流动状况，改进叶轮设计和蜗壳设计以提高性能和效率，针对离心叶轮和蜗壳做了大量的基础理论分析、实验研究和数值模拟计算。
鼓风机的其他结构：
转子：由轴、叶轮、轴承、同步齿轮、联轴器、轴套等组成。
同步齿轮：由齿圈和轮毂组成，便于调整叶轮间隙。
底座：中、小型风机均配有公共底座，大型风机仅配风机底座，便于安装调试。
润滑：齿轮采用浸入式，轴承采用飞溅润滑。润滑效果好，安全可靠。
工作原理
离心式鼓风机的工作原理
离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似，只是空气的压缩过程通常是经过几个工作叶轮（或称几级）在离心力的作用下进行的。鼓风机有一个高速转动的转子，转子上的叶片带动空气高速运动，离心力使空气在渐开线形状的机壳内，沿着渐开线流向风机出口，高速的气流具有一定的风压。新空气由机壳的中心进入补充。
单级高速离心风机的工作原理是：原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。
从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。
变频调控原理与特性
随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。变频调节的节能原理：
可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。根据变频调节这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池始终保持5m正常液位，要求鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行大范围的流量调节，当调节深度较大时，将会使风压下降过大，不能满足工艺要求。当调节深度较小时，则显示不出其节能的优势，反而使装置复杂，一次性投资增高。因此，对本工程的曝气池需保持5m液位的工况条件下，采用变频调节方式显然是不合适的。
进口导叶调节原理及特性
进口导叶调节装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转，造成扭曲速度。导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角，使进入风机叶轮的气流方向相应改变。
进口导叶调节风量原理
当导叶安装角θ=0°时，导叶对进口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。当θ>0°时，进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转θ角，同时对气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调节。进口导叶调节的节能原理。
当进口导叶安装角由θ1=0°增大为θ2或θ3时，运行工况点由M1移至M2或M3；流量由Q1减小至Q2或Q3；轴功率由P′1减少至P′2或P′3。用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。在本工程中，曝气池深度是固定的，鼓风机在保持出口压力恒定条件下，进行流量调节，即H=常量，Q=变量时，管网的特性曲线近似于水平直线，鼓风机采用进口导叶调节，不必借助于改变管网特性曲线，可通过改变导叶的开闭角度，使风机的压力-流量性能曲线改变，流量的变化是通过将工况点移动到新的改变了的风机特性曲线上的方法实现的。
离心风机采用进口导叶调节方式，在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围，在保持出口压力恒定条件下，工作流量可在50%～100%额定流量范围内变化。调节深度愈大、省功愈多。如流量减少到额定流量的60%时，进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17%之多。此外，其结构相对简单，运行可靠，维护管理方便，初期投资低。因此，本工程中鼓风机采用进口导叶调节流量，显然是最佳调节方式。
使用操作
操作工在开机前必须熟悉本规程，严格按本规程操作鼓风机。
2、通知变电所向本机供电。
3、检查机上控制柜，应无报警显示，如有报警，查明原因给于消除
4、选择“手动”状态。(用手指触“手动”键)。
6、以上检查，确认风机可启动后，按启动键，鼓风机进入启动程序：
①辅助油泵进行预润滑一分钟(辅助油泵运转绿灯亮)。②鼓风机可开始运转(鼓风机运转绿灯亮)。
③泄压阀缓慢关闭(泄压阀打开绿灯灭，二分钟后泄压阀关闭绿灯亮)。
④辅助油泵停止运转(辅助油泵运转绿灯灭，停止红灯亮)。至此，鼓风机启动成功，可投入正式运行。
⑤如按下启动键后，鼓风机未能如期起动，则一分钟后油压过低报警红灯亮，整个起动过程停止。必须查明原因解决后，消除报警重新启动。
1、风机启动后可根据生产需要缓慢调整扩压器开度，用扩压器“开启”键和“关闭”键控制，以保证必要的风量。
2、风机运行时，必须经常对风机进行监视，注意风机的电流、油温、油压进风真空度声音、风机、温度、振动等情况。按时做好记录，如有异常，要及时查明原因给予排除，并向生产科汇报，必要时可采取紧急停车的措施(谨慎使用)。
因生产或保养，维修需要，停止某台风机运转时。
1、减小扩压器开度至最小(扩压器最小指示绿灯亮)。
2、用手指接触风机“停止”键，停机程序开始。
用途
节能改造
风机节能改造
现今在中国各行各业的各类机械与电气设备中与风机配套的电机约占全国电机装机量的60%，耗用电能约占全国发电总量的三分之一。特别值得一提的是，大多数风机在使用过程中都存在大马拉小车的现象，加之因生产、工艺等方面的变化，需要经常调节气体的流量、压力、温度等；现许多单位仍然采用落后的调节档风板或阀门开启度的方式来调节气体的流量、压力、温度等。这实际上是通过人为增加阻力的方式，并以浪费电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体流量调节的要求。这种落后的调节方式，不仅浪费了宝贵的能源，而且调节精度差，很难满足现代化工业生产及服务等方面的要求，负面效应十分严重。
近几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
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作者
