CN116146504A - 防喘振的空气悬浮离心鼓风机及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机，包括离心鼓风机箱体，设置在箱体内的高速永磁电机，高速永磁电机的输出轴连接有位于蜗壳内的叶轮，蜗壳的中部连接有吸入室；位于叶轮的轮轴上设置用于调节叶尖间隙的调整机构。本发明还公开了防喘振的空气悬浮离心鼓风机的加工工艺，对叶轮的轮轴及叶轮进行动平衡测试后进行径向轴承和轴向轴承的装配；将叶轮装配至蜗壳内，并将叶轮安装至高速永磁电机上；在箱体的内壁安装固定隔音棉，再将高速永磁电机安装至箱体内。本发明可以有效实现控制叶尖间隙以防止喘振，尤其是在小流量时缩小叶尖间隙，提高叶轮出口背压；使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

Description

防喘振的空气悬浮离心鼓风机及其加工工艺

技术领域

本发明涉及通用机械：非变容式泵，具体涉及一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机及其加工工艺。

背景技术

空气悬浮鼓风机是空气在鼓风机转子高速旋转下，会在转子与箔片轴承表面之间产生动压效应，形成一个高压气膜而将转子托浮起来的一种鼓风机。根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后减速，改变流向，使动能转换成势能。压力加大主要发生在叶轮中，其次发生在扩压过程。

当流量小到一定数值时，风机系统内会发生周期性、低频率、大振幅的气流振荡现象，称为“喘振”。喘振发生时，正常流动规律完全被打破，剧烈的振动导致鼓风机在短时间内会受到严重破坏。空气悬浮离心鼓风机的喘振流量线是一条曲线，它随压力、介质及其他振动输送机因素的变化而变化；空气悬浮鼓风机设计理念是采用低噪音、防振动的技术，其在正常运行情况时，运行噪音一般在75~80分贝（db）。当设备出现喘振时，最常见的问题因素是控制系统故障、运行人员误操作，针对发生喘振的原因，需对机器设备逐一进行排查。空气悬浮鼓风机喘振严重时会造成风机叶片断裂或机械部件损坏，因此严禁风机在喘振情况下运行。发生喘振问题的时候，主要的特征有：低频吼叫声或喘气声，电机电流波动，以及风机的喘振流量线是一条曲线等。可能的原因是由于出口阀开度太小，或者是出口返主风线太小。这些问题也可能会导致出现喘振的情况，具体的表现是电流变化波动大，出口单向阀发出异常响声，而没有其他明显特征。

目前针对喘振，一般都是采取的防喘振控制实现无人操作，如公开号为CN111594478B的专利：一种基于大数据的磁悬浮离心鼓风机防喘控制方法，包括将大量的实际运行数据经过删选原则-互不包含原则构建数据模型后，再通过数据分析组成多维数据，然后以多维数据表征的喘振点汇成喘振区域。其对同一型号的大量磁悬浮鼓风机，在其厂内测试和现场运行中不断采集多维数据并记录、分析，绘制以数据为核心的风机喘振区域，即可实现防喘振控制；该防喘振模型的建设初期，以少量三维数据即可绘制粗糙的喘振区域，随着后期数据量和维数的增加，喘振区域就会越来越精确；是一种可成长、可训练的防喘振模型。也有针对叶轮叶片形状及叶片盘形状结构作出改动以纠正叶轮旋转方向的气流角度，进而使得进入叶轮扩压区的气流旋转偏角降低，加大旋转失速的裕度，最终有效提高离心鼓风机的抗喘振能力的现有技术，如公开号为CN209959559U的专利：一种具有抗喘振能力的离心鼓风机叶轮及其离心鼓风机，离心鼓风机叶轮采用铝合金材料一体铸造成型的叶轮盘和位于叶轮盘上的若干叶片，每个叶片均布在叶轮盘的内周，叶轮盘上设有与离心鼓风机旋转主轴固定安装连接的旋转轴孔、与进气流道连通的轴向进气口以及与出气流道连通的径向进气口；其中，每个叶片采用具有大后掠的后向式叶片，叶片的出气角度范围在60~80°且叶片的数量为12个；叶轮盘靠近轴向进气口处的外周设有呈锯齿迷宫状的密封面。南京航空航天大学的唐茂发表的硕士学位论文《离心式压缩机的磁悬浮喘振控制研究》则通过控制推力轴承来改变叶轮与蜗壳间的叶尖间隙来防止喘振；由于其为磁悬浮离心鼓风机，可以通过控制轴向磁轴承的方式实现控制叶尖间隙的方式，但在空气悬浮离心鼓风机中，则难以实现。另外，通过现有技术的情况可知，大部分解决防喘振的方式都是以控制-调节这样的方式实现，较少有通过改变结构的方式以实现防喘振。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机，可以有效实现控制叶尖间隙以防止喘振，尤其是在小流量时缩小叶尖间隙，提高叶轮出口背压；实现无论在大流量还是小流量进风时，最终到达叶片处都是大流量，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机，包括离心鼓风机箱体，设置在箱体内的高速永磁电机，高速永磁电机的输出轴连接有位于蜗壳内的叶轮，蜗壳的中部连接有吸入室，蜗壳的出风口连接有一端超出箱体顶面的出风管，箱体的面向吸入室进风口的侧面设置进风过滤器；位于叶轮的轮轴上设置用于调节叶尖间隙的调整机构。通过在叶轮的轮轴上设置用于调节叶尖间隙的调整机构，可以有效实现控制叶尖间隙以防止喘振，尤其是在小流量时缩小叶尖间隙，提高叶轮出口背压；实现无论在大流量还是小流量（指吸入室的进风口处的流量）进风时，最终到达叶片处都是大流量，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

进一步的技术方案是，叶轮包括叶片及轮轴，叶片上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片轴向滑动的直键；所述调整机构包括设置在轮轴上的弹性金属圆筒，叶片其背风面固定连接在弹性金属圆筒上。叶片滑动设置在轮轴上，但轮轴的上下端一般均设置与轮轴一体而成的限位凸起以确保叶片上下滑动的极限位置。弹性金属圆筒采用铝合金Al-5083制成，其有较佳的弹性，在大流量进风时有一定收缩变形，使得叶尖间隙满足正常需要，在小流量时则自由伸展，缩小了叶尖间隙，提高叶轮出口背压，有效防止小流量、高压比时的喘振。

另一种技术方案是，叶轮包括叶片及轮轴，叶片上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片轴向滑动的直键；所述调整机构包括套设在轮轴上的磁性金属圆筒，叶片其背风面固定连接在磁性金属圆筒上；高速永磁电机其电机壳体的对应磁性金属圆筒位置处采用磁性壳体段，在磁性壳体段的外表面设置永磁铁块，永磁铁块与传动机构相连，传动机构与控制器电连接。控制器与鼓风机内置的风量传感器电连接，通过鼓风机内置的风量传感器，监测鼓风机进气室进口截面的质量流量以控制磁性金属圆筒的滑动距离实现更精准的控制（指更精准的叶尖间隙的控制），使得叶尖间隙在不同流量时可控，有效提高叶轮出口背压，及时解决入口流量低的问题，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

另一种技术方案为，调整机构包括一根套设在叶片轮轴外的底筒，底筒与叶片轮轴固定相连，底筒上设置一圈弹性块，一圈弹性块以底筒的旋转轴线为中心环形阵列布置，底筒外表面对应弹性块位置设置挖空的盲孔形凹槽，底筒外套设上筒，上筒的上端面与叶片的底面固定相连。叶轮包括叶片及轮轴，叶片上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片轴向滑动的直键。通过在底筒外表面上开挖凹槽，配合设置弹性块（可以采用本身带有弹性的物质如橡胶块制成梯形体形式），可以在流量大时上筒下压弹性块，上筒适当下移，而流量小时上筒由于弹性块的弹力适当上移，起到在小流量时减小叶尖间隙，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

进一步的技术方案为，出风管上连通有出风支管，出风支管的一端也超出箱体顶面设置。

进一步的技术方案为，箱体采用碳钢材质制成，箱体内壁贴覆设置隔音棉，箱体表面设有烤漆防腐层；

所述轴孔的孔内壁上设置若干个减重槽，减重槽一圈设置且以轴孔的中心线环形阵列设置。在轮轴的轴孔的内壁设置若干中空减重槽，该结构在不影响叶轮的安装定位及结构强度的前提下，有效降低了叶轮的重量，在降低能耗、转动惯量及降低零件成本上的效果显著。

本发明还提供的技术方案是，加工防喘振的空气悬浮离心鼓风机的工艺，包括如下依次进行的工艺步骤：

S1：对叶轮的轮轴及叶轮进行动平衡测试后进行径向轴承和轴向轴承的装配；

S2：将叶轮装配至蜗壳内，并将叶轮安装至高速永磁电机上后进行性能测试和振动测试；

S3：将蜗壳的出风管安装至蜗壳上，在箱体的内壁安装固定隔音棉，再将高速永磁电机安装至箱体内然后进行整机性能测试。一般在出风管上还安装放空阀。

由于空气悬浮离心鼓风机其轴承采用空气悬浮轴承，无需润滑油循环系统。高速电机直联叶轮，无需增速齿轮、联轴器等。空气悬浮离心鼓风机，不需要齿轮箱增速器及联轴器，叶轮直接与电机联结，由高速电机直接驱动。电机采用变频器来进行调速，当电机达到一定转速时，轴被悬浮于主动式空气轴承控制器上，因为没有物理接触和无需润滑油系统，所以具有高效、节能、低噪音、运行可靠和长期无需维修保养等特点。

本发明的优点和有益效果在于：可以有效实现控制叶尖间隙以防止喘振，尤其是在小流量时缩小叶尖间隙，提高叶轮出口背压；实现无论在大流量还是小流量进风时，最终到达叶片处都是大流量，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

弹性金属圆筒采用铝合金Al-5083制成，其有较佳的弹性，在大流量进风时有一定收缩变形，使得叶尖间隙满足正常需要，在小流量时则自由伸展，缩小了叶尖间隙，提高叶轮出口背压，有效防止小流量、高压比时的喘振。

通过鼓风机内置的风量传感器，监测鼓风机进气室进口截面的质量流量以控制磁性金属圆筒的滑动距离实现更精准的控制（指更精准的叶尖间隙的控制），使得叶尖间隙在不同流量时可控，有效提高叶轮出口背压，及时解决入口流量低的问题，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

通过在底筒外表面上开挖凹槽，配合设置弹性块（可以采用本身带有弹性的物质如橡胶块制成梯形体形式），可以在流量大时上筒下压弹性块，上筒适当下移，而流量小时上筒由于弹性块的弹力适当上移，起到在小流量时减小叶尖间隙，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

在轮轴的轴孔的内壁设置若干中空减重槽，该结构在不影响叶轮的安装定位及结构强度的前提下，有效降低了叶轮的重量，在降低能耗、转动惯量及降低零件成本上的效果显著。

由于空气悬浮离心鼓风机其轴承采用空气悬浮轴承，无需润滑油循环系统。高速电机直联叶轮，无需增速齿轮、联轴器等。空气悬浮离心鼓风机，不需要齿轮箱增速器及联轴器，叶轮直接与电机联结，由高速电机直接驱动。电机采用变频器来进行调速，当电机达到一定转速时，轴被悬浮于主动式空气轴承控制器上，因为没有物理接触和无需润滑油系统，所以具有高效、节能、低噪音、运行可靠和长期无需维修保养等特点。

附图说明

图1是本发明一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机实施例一的示意图；

图2是图1去除箱体侧面后的示意图；

图3是图2的另一视角的示意图；

图4是图2沿吸入室旋转轴线处的剖面图；

图5是图4中下方的吸入室部分的放大示意图；

图6是图5中叶片与弹性金属圆筒部分附近部件的局部放大示意图；

图7是图2中高速永磁电机与蜗壳部分的放大示意图；

图8是本发明中叶轮沿垂直于轮轴方向的剖面图；

图9是本发明实施例一的喘振及阻塞曲线；

图10为本发明实施例二中高速永磁电机、蜗壳及吸入室部分的示意图；

图11是图10的剖面图；

图12是图11的局部放大示意图；

图13是图10的原理示意图；

图14是图13上端部分的放大示意图；

图15是本发明实施例三中叶片与调整机构的示意图；

图16是图15的分解示意图；

图17是本发明实施例四中吸入室及流量加大装置部分的示意图。

图中：1、箱体；2、高速永磁电机；3、蜗壳；4、吸入室；5、出风管；6、叶片；7、弹性金属圆筒；8、出风支管；9、减重槽；10、磁性金属圆筒；11、磁性壳体段；12、永磁铁块；13、液压缸；14、控制器；15、风量传感器；16、底筒；17、弹性块；18、上筒；19、连通管；20、鼓风机；21、启闭阀；22、流量传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1至图9所示（为便于图示，图4未示出叶片及弹性金属圆筒），本发明是一种防喘振的空气悬浮离心鼓风机，包括离心鼓风机箱体1，设置在箱体1内的高速永磁电机2，高速永磁电机2的输出轴连接有位于蜗壳3内的叶轮，蜗壳3的中部连接有吸入室4，蜗壳3的出风口连接有一端超出箱体1顶面的出风管5，箱体1的面向吸入室4进风口的侧面设置进风过滤器；位于叶轮的轮轴上设置用于调节叶尖间隙的调整机构。叶轮包括叶片6及轮轴，叶片6上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片6轴向滑动的直键；所述调整机构包括设置在轮轴上的弹性金属圆筒7，叶片6其背风面固定连接在弹性金属圆筒7上。出风管5上连通有出风支管8，出风支管8的一端也超出箱体1顶面设置。箱体1采用碳钢材质制成，箱体1内壁贴覆设置隔音棉，箱体1表面设有烤漆防腐层；轴孔的孔内壁上设置若干个减重槽9，减重槽9一圈设置且以轴孔的中心线环形阵列设置。

加工防喘振的空气悬浮离心鼓风机的工艺，包括如下依次进行的工艺步骤：

S1：对叶轮的轮轴及叶轮进行动平衡测试后进行径向轴承和轴向轴承的装配；

S2：将叶轮装配至蜗壳3内，并将叶轮安装至高速永磁电机2上后进行性能测试和振动测试；

S3：将蜗壳3的出风管5安装至蜗壳3上，在箱体1的内壁安装固定隔音棉，再将高速永磁电机2安装至箱体1内然后进行整机性能测试。

工作原理如下：

弹性金属圆筒采用铝合金Al-5083制成，其有较佳的弹性，在大流量进风时有一定收缩变形，使得叶尖间隙满足正常需要，在小流量时则自由伸展，缩小了叶尖间隙，提高叶轮出口背压，有效防止小流量、高压比时的喘振。大流量时由于受压较大，弹性金属圆筒发送一定量（较大）的变形，使得叶尖间隙变大，而如果下流了则受压较小，变形很小，叶尖间隙很小，通过结构的改进实现调节叶尖间隙，简单，省去各种控制方式和过程。

实施例二：

与实施例一的不同在于，如图10至图14所示（为便于图示，图10仅出位于上方的叶片且叶片以透视的形式展示），叶轮包括叶片6及轮轴，叶片6上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片6轴向滑动的直键；所述调整机构包括套设在轮轴上的磁性金属圆筒10，叶片6其背风面固定连接在磁性金属圆筒10上；高速永磁电机2其电机壳体的对应磁性金属圆筒10位置处采用磁性壳体段11，在磁性壳体段11的外表面设置永磁铁块12，永磁铁块12与传动机构相连，传动机构与控制器14电连接。传动机构采用液压缸13，液压缸13的活塞杆的露出端与永磁铁块12固定连接；控制器14与空气悬浮离心鼓风机内置的风量传感器15电连接。

工作原理如下：

控制器根据鼓风机内置的风量传感器，监测鼓风机进气室进口截面的质量流量以控制磁性金属圆筒的滑动距离实现更精准的控制（指更精准的叶尖间隙的控制），使得叶尖间隙在不同流量时可控，有效提高叶轮出口背压，及时解决入口流量低的问题，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。具体为风量传感器将进风处的流量信息（或风量信息传递给控制器），控制器控制液压缸动作，使得永磁铁块向上或向下滑动以调节叶尖间隙。通过结构的改进后再通过控制器通过控制外部的永磁铁块实现叶片下方的磁性金属圆筒的移动实现调整叶尖间隙，使得进入吸入室叶片处的流量离开喘振区，有效防止喘振。

实施例三：

与实施例一的不同在于，如图15、图16所示，调整机构包括一根套设在叶片6轮轴外的底筒16，底筒16与叶片6轮轴固定相连，底筒16上设置一圈弹性块17，一圈弹性块17以底筒16的旋转轴线为中心环形阵列布置，底筒16外表面对应弹性块17位置设置挖空的盲孔形凹槽，底筒16外套设上筒18，上筒18的上端面与叶片6的底面固定相连。叶片滑动设置在轮轴上，叶片6上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片6轴向滑动的直键。

工作原理如下：

在大流量时，叶片有沿轮轴向下滑动的趋势，配合底筒、上筒及弹性块的设置，上筒随叶片向下移动，弹性块被稍微压向底筒外表面的凹槽内一定距离，叶尖间隙满足设计的范围内；在小流量时，由于弹性块的作用（其受压较少），所以弹性块伸出较多，叶片随上筒稍微上移，叶尖间隙缩小，避免进风小流量时的喘振。

实施例四：

与实施例一的不同在于，如图17所示（为便于图示，仅示出下方的吸入室处的流量加大装置），在吸入室4前设置流量加大装置，流量加大装置为通过连通管19与吸入室4相连的鼓风机20，连通管上设置启闭阀21，连通管19内设置流量传感器22，流量传感器22与控制器14（控制器14设置在鼓风机20、本空气悬浮离心鼓风机的外部）电连接，当流量满足不在喘振区域（也即不是会引起空气悬浮离心鼓风机喘振的小流量）时，控制器14控制连通管上的启闭阀21打开，同时控制器控制空气悬浮离心鼓风机的高速永磁电机运转。

鼓风机设有至少两个，且两个鼓风机的功率沿进风方向依次增大，相邻鼓风机之间通过连通管19相连，连通管上也可以设置启闭阀21。

工作原理如下：

在在吸入室前设置流量加大装置，使得进入吸入室的流量离开喘振区；并且流量加大装置通过功率逐渐加大的鼓风机的设置，使得进风流量是逐渐过渡到悬浮离心鼓风机的非喘振区的进入流量，也能尽可能避免流量加大装置（也即设置在吸入室前的鼓风机）本身的喘振（或者由于这样的设置，喘振仅发送在吸入室前的鼓风机处，可以避免成本更高的空气悬浮离心鼓风机过早出现磨损等问题）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，包括离心鼓风机箱体，设置在箱体内的高速永磁电机，高速永磁电机的输出轴连接有位于蜗壳内的叶轮，蜗壳的中部连接有吸入室，蜗壳的出风口连接有一端超出箱体顶面的出风管，箱体的面向吸入室进风口的侧面设置进风过滤器；位于叶轮的轮轴上设置用于调节叶尖间隙的调整机构。

2.根据权利要求1所述的防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，所述叶轮包括叶片及轮轴，叶片上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片轴向滑动的直键；所述调整机构包括设置在轮轴上的弹性金属圆筒，叶片其背风面固定连接在弹性金属圆筒上。

3.根据权利要求1所述的防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，所述叶轮包括叶片及轮轴，叶片上设置与轮轴适配的轴孔，轴孔上设置用于叶片轴向滑动的直键；所述调整机构包括套设在轮轴上的磁性金属圆筒，叶片其背风面固定连接在磁性金属圆筒上；高速永磁电机其电机壳体的对应磁性金属圆筒位置处采用磁性壳体段，在磁性壳体段的外表面设置永磁铁块，永磁铁块与传动机构相连，传动机构与控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，所述调整机构包括一根套设在叶片轮轴外的底筒，底筒与叶片轮轴固定相连，底筒上设置一圈弹性块，一圈弹性块以底筒的旋转轴线为中心环形阵列布置，底筒外表面对应弹性块位置设置挖空的盲孔形凹槽，底筒外套设上筒，上筒的上端面与叶片的底面固定相连。

5.根据权利要求2至4任一项所述的防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，所述出风管上连通有出风支管，出风支管的一端也超出箱体顶面设置。

6.根据权利要求5所述的防喘振的空气悬浮离心鼓风机，其特征在于，所述箱体采用碳钢材质制成，箱体内壁贴覆设置隔音棉，箱体表面设有烤漆防腐层；

所述轴孔的孔内壁上设置若干个减重槽，减重槽一圈设置且以轴孔的中心线环形阵列设置。

7.加工如权利要求6所述防喘振的空气悬浮离心鼓风机的工艺，其特征在于，包括如下依次进行的工艺步骤：

S1：对叶轮的轮轴及叶轮进行动平衡测试后进行径向轴承和轴向轴承的装配；

S2：将叶轮装配至蜗壳内，并将叶轮安装至高速永磁电机上后进行性能测试和振动测试；

S3：将蜗壳的出风管安装至蜗壳上，在箱体的内壁安装固定隔音棉，再将高速永磁电机安装至箱体内然后进行整机性能测试。

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