CN106971039A - 一种轴流式鼓风机的扩容改造方法 - Google Patents

一种轴流式鼓风机的扩容改造方法 Download PDF

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吴礼云
凌晨
刘爱军
曾宪虎
马青松
和景福
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王延明
张达
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Abstract

本发明涉及鼓风机技术领域，特别涉及一种轴流式鼓风机改造方法，包括：拆分轴流式鼓风机；确定轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数；计算轴流式鼓风机改造后的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数；按照计算的轴流式鼓风机改造后的级数、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数对轴流式鼓风机的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、动叶栅及静叶栅进行改造；更换轴流式鼓风机的静叶承缸、调节缸及扩压器；通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅及静叶栅的屈服强度进行分析。本发明提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法，实现了高炉停产、升级、等因素造成闲置的鼓风机的有效利用，避免造成资源浪费。

Description

一种轴流式鼓风机的扩容改造方法
技术领域
本发明涉及鼓风机技术领域，特别涉及一种轴流式鼓风机改造方法。
背景技术
轴流式高炉鼓风机是炼铁高炉的重要送风设备，因其结构复杂、自动化程度高、公辅配套设备多、制造水准要求高等诸多因素，设计制造一台新的高炉风机投资费用大。通过运用新型技术扩容改造旧风机满足新建高炉的送风需求，成为当前许多钢铁企业减少设备资产投入的重要途径。
近年来，钢铁产能严重过剩，化解产能过剩、淘汰落后企业，走综合利用循环发展，成为大型钢铁企业升级的必经之路。进入新世纪，炼铁高炉向大型化、特大型化发展。目前韩国浦项、日本新日铁、中国的首钢京唐钢铁公司、宝钢湛江钢铁公司、鞍山鲅鱼圈钢铁公司的炼铁高炉均已达到5000m3以上规格，配套的高炉风机，风量、压力也随之不断增大。目前配套风机最大风量可达到10000Nm3/min，风压0.55Mpa。由于钢铁企业在升级发展中，出现大量的能源动力设备闲置或被淘汰。由于高炉停产、升级、等因素造成闲置的鼓风机数量相当庞大。因此利用新型设计技术对旧风机扩容改造满足新建大型高炉的送风要求具有很大的市场潜力和经济价值。
发明内容
本发明通过提供一种轴流式鼓风机的扩容改造方法，解决了现有技术中产能过剩导致的低容量鼓风机难以再利用的技术问题，实现了对低容量轴流式鼓风机的扩容改造，实现了低容量鼓风机的再利用，降低了工业成本。
本发明提供了一种轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，包括以下步骤：
拆分所述轴流式鼓风机；
确定所述轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数；
根据所述轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数，计算所述轴流式鼓风机改造后的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数；
按照计算的所述轴流式鼓风机改造后的级数、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数对所述轴流式鼓风机的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、动叶栅及静叶栅进行改造；
更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸、调节缸及扩压器；
通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅及静叶栅的屈服强度进行分析。
进一步地，还包括：对所述轴流式鼓风机的流道进行改造后，对流道进行优化。
进一步地，所述对流道进行优化包括：
修改流道参数，对所述轴流式鼓风机进行吹风试验；
得到流道参数与所述鼓风机性能的关系曲线；
通过所述关系曲线选择最优的流道参数。
进一步地，还包括：更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸时，将所述静叶承缸设置为水平剖分型；
将所述静叶承缸的中分面采用预应力螺栓连接；
将所述静叶承缸的两端支撑在机壳上；
将所述静叶栅设置在所述静叶承缸上。
进一步地，还包括：更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸时，在所述静叶栅上每个静叶片的柄部设置O型密封环。
进一步地，更换所述轴流式鼓风机的调节缸时，将所述调节缸设置为水平剖分型；
在所述调节缸内设置导向环，在所述导向环内设置滑块；
将所述滑块与所述静叶栅的叶片连接；
所述调节缸通过安装在机壳两侧的液压伺服马达的轴向位移对所述静叶栅的叶片角度进行调节。
进一步地，所述轴流式鼓风机的级数改造为18级。
进一步地，还包括：对0-4级静叶片进行高分子耐腐蚀涂层处理。
本发明提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果或优点：
本发明提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法，对轴流式鼓风机的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、动叶栅及静叶栅进行改造；更换轴流式鼓风机的静叶承缸；更换轴流式鼓风机的调节缸；更换轴流式鼓风机的扩压器；通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅及静叶栅的屈服强度进行分析，可将淘汰的鼓风机扩容改造为满足要求的鼓风机设备，该技术在轴流鼓风机扩容改造中最大限度的利旧了风机的原有部件，节约了购买新机的费用，满足了新建大型高炉的送风要求。实现了高炉停产、升级、等因素造成闲置的鼓风机的有效利用，契合钢铁的去产能目标，节省了生产成本，避免造成资源浪费。
附图说明
图1为本发明实施例提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法流程图；
图2为本发明实施例提供的轴流式鼓风机的扩容改造后的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的转子启动阻力矩曲线。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种轴流式鼓风机的扩容改造方法，解决了现有技术中产能过剩导致的低容量鼓风机难以再利用的技术问题，实现了对低容量轴流式鼓风机的扩容改造，实现了低容量鼓风机的再利用，降低了工业成本。
参见图1及图2，本发明实施例提供了一种轴流式鼓风机的扩容改造方法，包括以下步骤：
步骤10、拆分轴流式鼓风机；
步骤20、确定轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数；
步骤30、根据轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数，计算轴流式鼓风机改造后的级数、风机转子8轮毂直径、流道参数、每级动叶栅3及静叶栅2的参数；
步骤40、按照计算的轴流式鼓风机改造后的级数、流道参数(流道参见图2的附图标记9)、每级动叶栅3及静叶栅2的参数对轴流式鼓风机的级数、风机转子8轮毂直径、流道参数、动叶栅3及静叶栅2进行改造；
步骤50、更换轴流式鼓风机的静叶承缸4、调节缸5及扩压器6；
步骤60、通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅3及静叶栅2的屈服强度进行分析。
本发明实施例中，对轴流式鼓风机的流道进行改造后，对流道进行优化。对流道进行优化包括：
修改流道参数，对轴流式鼓风机进行吹风试验；
得到流道参数与鼓风机性能的关系曲线；
通过关系曲线选择最优的流道参数。
本发明实施例中，更换轴流式鼓风机的静叶承缸4时，将静叶承缸4设置为水平剖分型；
将静叶承缸4的中分面采用预应力螺栓连接；
将静叶承缸4的两端支撑在机壳10上；
将静叶栅2设置在静叶承缸4上。
本发明实施例中，更换轴流式鼓风机的静叶承缸4时，为防止气体从轴承7间隙中向外部泄漏，在静叶栅2上每个静叶片的柄部设置O型密封环。
本发明实施例中，更换轴流式鼓风机的调节缸5时，将调节缸5设置为水平剖分型；
在调节缸5内设置导向环，在导向环内设置滑块；
将滑块与静叶栅2的叶片连接；
调节缸5通过安装在机壳10两侧的液压伺服马达的轴向位移对静叶栅2的叶片角度进行调节。
本发明实施例中，轴流式鼓风机的级数改造为17级。对0-4级静叶片进行高分子耐腐蚀涂层处理。
下面结合具体的实施例对本发明提供的轴流式鼓风机的改造方法进行说明：
设计集成运用SIEMENS PCS7过程控制系统，优化高炉输出至风机的生产联系信号，将换炉、常压、高压、出铁、悬料、坐料、全风、慢风、停风、送风、放风、热风炉充风的信号与风机的智能控制系统进行嵌入式的结合，满足大型高炉冶炼多模式的送风要求，达到操控多模态的智能型控制方式。
参见图1及图2，根据新建5000m3规格大型炼铁高炉的送风要求，初步选定具有改造潜力的AV100系列轴流式鼓风机。运用工程热力学、气动学、转子动力学分析设备单元结构，确定扩容改造技术方案。根据方案选定风机型号为AV100-19，结构类型为径向进气和出气的轴流式压缩机，风机转子8直径为1000mm(不含叶片长度)，级数为19级(包括第1-19级)，静叶角度范围为35°-79°，启动角度为14°，转速为3000rpm，临界转速为1550rpm和4500rpm。拆分轴流式鼓风机，本实施例中，利旧部件包括原轴流式鼓风机机组的机壳10、主轴、轴承7与轴承箱1、底座、伺服马达、盘车装置等，改造的部件包括：动叶栅3、静叶栅2、静叶承缸4、调节缸5、扩压器6等。
确定轴流式鼓风机改造后的流量较改造前提升约25％、排气压力较改造前提升约15％，总容量的参数为5000立方米。
根据轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数，计算轴流式鼓风机改造后的级数、风机转子8轮毂直径、流道参数、每级动叶栅3及静叶栅2的参数。计算采用本领域使用的专业软件进行，包括：物性参数计算、气动设计计算、叶片振动强度计算、叶片频率计算、轴向推力计算、密封漏气计算、性能曲线数值模拟，及其流场计算分析和优化。气动计算采用逐级计算的方法，确定风机转子8轮毂直径、级数、流道参数(包括流通高度与锥度等)、每级静叶叶栅和动叶栅3的弦长、安装角度、叶片数目等。
按照计算的轴流式鼓风机改造后的级数、流道参数、每级动叶栅3及静叶栅2的参数对轴流式鼓风机的级数、风机转子8轮毂直径、流道参数、动叶栅3及静叶栅2进行更换改造，具体规格参数如表1-表3所示。
级数 1 2 3 4 5 6 7
动叶数量(个) 30 30 37 37 37 37 37
静叶数量(个) 40 42 44 46 46 46 46
截面距(mm) 44 44 44 44 44 44 44
截面轮毂比 0.0443 0.0443 0.0443 0.0443 0.0443 0.0443 0.0443
动叶规格(mm) KLA125 KLA125 KLA100 KLA100 KLA100 KLA100 KLA100
静叶规格(mm) KLE100 KLE90 KLE80 KLE80 KLE80 KLE80 KLE80
动叶叶高(mm) 304.9 291.6 279.1 267 250.8 234.5 218.3
静叶叶高(mm) 298.3 285 273.8 258.9 242.7 226.4 210.2
间隙(mm) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8
级间距(mm) 248 248 199 199 199 199 199
通流面积(m2) 1.2499 1.1832 1.1215 1.0628 0.9855 0.9095 0.8355
流道高度(y) 1.6098 1.5832 1.5582 1.534 1.5016 1.469 1.4366
表1
表2
级数 15 16 17
动叶数量(个) 46 46 46
静叶数量 60 66 70
截面距(mm) 44 44 44
截面轮毂比 0.0443 0.0443 0.0443
动叶规格 KLA80 KLA80 KLA80
静叶规格 KLE80 KLE63 KLE63
动叶叶高(mm) 130.1 121.1 112.3
静叶叶高(mm) 125.6 116.6 108.3
间隙(mm) 1.8 1.8 1.8
级间距(mm) 177 177 159
通流面积(㎡) 0.4619 0.4265 0.3924
流道高度(y) 1.2602 1.2422 1.2246
表3
本实施例提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法还包括：更换轴流式鼓风机的静叶承缸4。全部静叶片及附件均安装在静叶承缸4上，静叶片安装于轴承7内，轴承7上装有两个专用无油润滑石墨衬套，具有自润滑作用，可使静叶在轴承7内自由旋转；更换轴流式鼓风机的静叶承缸4时，在静叶栅2上每个静叶片的柄部设置O型密封环。更换轴流式鼓风机的调节缸5，将调节缸5设置为水平剖分型，在调节缸5内设置导向环，在导向环内设置滑块；将滑块与静叶栅2的叶片连接；调节缸5通过安装在机壳10两侧的液压伺服马达的轴向位移对静叶栅2的叶片角度进行调节，同时更换静叶所配套的轴承7、曲柄、滑块等附件。更换轴流式鼓风机的扩压器6及进口圈。轴流式鼓风机的油封本体利用，更换油封的密封片。
参见图2，通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅3及静叶栅2的屈服强度进行分析，包括：
一、选取1级动叶栅3、17级动叶栅3进行三维仿真强度分析和校核。
1级动叶栅3三维仿真强度分析和校核得到的数据为：叶身的应力为315Mpa；叶身采用X20Cr13材料时，屈服强度为600Mpa，安全系数为1.90；叶身采用1Cr11Ni2W2MoVE材料时，屈服强度为735Mpa，安全系数为2.33。榫头的应力为604Mpa；榫头采用X20Cr13材料时，屈服强度为600Mpa，安全系数约等于1；榫头采用1Cr11Ni2W2MoVE材料时，屈服强度为735Mpa，安全系数为1.22。榫槽的应力为470Mpa。
17级动叶栅3三维仿真强度分析和校核得到的数据为：叶身的应力为172Mpa；叶身采用X20Cr13材料时，屈服强度为600Mpa，安全系数为3.49；叶身采用1Cr11Ni2W2MoVE材料时，屈服强度为735Mpa，安全系数为4.27。榫头的应力为400Mpa；榫头采用X20Cr13材料时，屈服强度为600Mpa，安全系数为1.5；榫头采用1Cr11Ni2W2MoVE材料时，屈服强度为735Mpa，安全系数为1.84。榫槽的应力为428Mpa。
二、对风机转子建立模型进行强度校核。
其中，转子的启动阻力矩如图3所示，最大工况下的风机转子8剪切强度校核数据如下：最大气动功率约等于50000kW，转速为3000rpm，角速度为314rad/s，最大扭矩为1.6×105N·m，驱动侧最小周颈直径为237mm，抗扭截面模量为2.6×106mm3，最大剪切应力为61Mpa。
通过有限元分析结果表明推力盘根部最大等效应力约152MPa，有充足的安全系数。在3000rpm时启动阻力矩最大为3E+04Nm，为最大扭矩的18.75％。按90秒匀速启动，所需加速转矩为1.37E+04Nm，为最大扭矩的8.6％。经校核风机转子8在最小径处满足强度要求。
三、支撑轴承分析。
支撑轴承分析得到的数据如下：平均压力为2.55Mpa，最小油膜厚度为74um，偏心率为0.91，偏心角为66.35°，支撑轴承功耗为47.32KW，平均工作温度为56.4℃，最高工作温度为76.2℃。支撑轴承的瓦块数为12，平均压力为1.87Mpa，支撑轴承功耗为46KW，支撑轴承温升为16℃。
由于风机转子8质量变化不大，支承轴承肯定能够满足使用要求，计算结果也有同样的结论推力轴承的参数校核是重点，气动轴向力最大为26吨，经过核算，平衡后剩余轴向力约为10吨，根据初步推力盘数据，得平均压力1.87MPa，符合推荐平均压力1.5～2.5MPa。
四、转子动力学分析。
经计算得出如下数据：一阶垂直临界转速为1480r/min，一阶水平临界转速为1500r/min，二阶垂直临界转速为4300r/min，二阶水平临界转速为2400r/min，三阶水平临界转速为4200r/min，额定转速为3000r/min。
运用专用的转子动力学计算软件(Madyn)；专用的轴系扭转振动分析软件(Torsion)；叶片振动频率计算(Cosmos、Ansys Workbench及Blade-st)；Ansys计算软件，通过仿真试验和数值模拟计算得出风机转子8基本尺寸不变，仅仅改变动叶对风机转子8的临界转速影响很小，工作转速与一阶、二阶临界转速的隔离裕度均超过50％。在最大工作转速附近，垂向一阶临界对数衰减率最小为0.2104，API617-2002标准要求对数衰减率大于0.1，该转子系统稳定性符合要求。
参见图1及图2，本实施例提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法，轴流式鼓风机改造前，原AV100-19机组年平均工况流量范围4500-8500Nm3/min，需最大静叶开度才能满足现在年平均点8500Nm3/min的流量要求，且远离高效区。夏季最大流量7700Nm3/min，不能满足9000Nm3/min的夏季流量要求。改造后风机从AV100-19型改型为AV100-18型，改造后年平均工况下最大流量从原来的8500Nm3/min提升到10500Nm3/min，压力裕度约25％，多变效率90％。年平均流量范围6500-10500Nm3/min，对应静叶开度40-70°。高效率区较AV100-19扩大，在更宽广的流量压力区域都能保持高效率。改造后满足5000m3规格高炉的送风要求。优化设计了新型叶栅、静叶承缸4、调节缸5、扩压器6、集成优化了系统，结果表明，扩容后，风机改型为AV100-18型，较原AV100-19型，机组流量提升约25％，排气压力提升约15％，达到了创新扩能改造的目标。通过减级，优化各级的叶型，扩大流通面积，利用新设计的静叶承缸4和调节缸5，调节风量。风机从满足23003高炉的送风要求，提高至满足55003高炉的送风要求。通过技术合作与工程招标对比，购买一台配套5000m3规格的高炉风机需花费资金约3000万-4000万左右，本产品利旧扩容改造一台旧机组，集成优化利旧公辅装备，综合改造费用仅需1000-1500万左右，可节约资金2000-2500万，因此改造扩容轴流式鼓风机的市场潜力巨大，具能获得很好的经济效益。
本发明实施例提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果：
本发明实施例提供的轴流式鼓风机的扩容改造方法，对轴流式鼓风机的级数、风机转子8轮毂直径、流道参数、动叶栅3及静叶栅2进行改造；更换轴流式鼓风机的静叶承缸4；更换轴流式鼓风机的调节缸5；更换轴流式鼓风机的扩压器6；通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅3及静叶栅2的屈服强度进行分析，可将淘汰的鼓风机扩容改造为满足要求的鼓风机设备，实现了高炉停产、升级、等因素造成闲置的鼓风机的有效利用，契合钢铁的去产能目标，节省了生产成本，避免造成资源浪费。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，包括以下步骤：
拆分所述轴流式鼓风机；
确定所述轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数；
根据所述轴流式鼓风机改造后的流量、排气压力及总容量的参数，计算所述轴流式鼓风机改造后的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数；
按照计算的所述轴流式鼓风机改造后的级数、流道参数、每级动叶栅及静叶栅的参数对所述轴流式鼓风机的级数、风机转子轮毂直径、流道参数、动叶栅及静叶栅进行改造；
更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸、调节及及扩压器；
通过仿真试验对改造后的轴流式鼓风机的动叶栅及静叶栅的屈服强度进行分析。
2.如权利要求1所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，还包括：对所述轴流式鼓风机的流道进行改造后，对流道进行优化。
3.如权利要求2所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，所述对流道进行优化包括：
修改流道参数，对所述轴流式鼓风机进行吹风试验；
得到流道参数与所述鼓风机性能的关系曲线；
通过所述关系曲线选择最优的流道参数。
4.如权利要求1-3任一项所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，还包括：更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸时，将所述静叶承缸设置为水平剖分型；
将所述静叶承缸的中分面采用预应力螺栓连接；
将所述静叶承缸的两端支撑在机壳上；
将所述静叶栅设置在所述静叶承缸上。
5.如权利要求4所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，还包括：更换所述轴流式鼓风机的静叶承缸时，在所述静叶栅上每个静叶片的柄部设置O型密封环。
6.如权利要求5所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，更换所述轴流式鼓风机的调节缸时，将所述调节缸设置为水平剖分型；
在所述调节缸内设置导向环，在所述导向环内设置滑块；
将所述滑块与所述静叶栅的叶片连接；
所述调节缸通过安装在机壳两侧的液压伺服马达的轴向位移对所述静叶栅的叶片角度进行调节。
7.如权利要求5所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，所述轴流式鼓风机的级数改造为18级。
8.如权利要求7所述的轴流式鼓风机的扩容改造方法，其特征在于，还包括：对0-4级静叶片进行高分子耐腐蚀涂层处理。
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