CN117329163A - 一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，包括蜗壳、集流器、导流器、三元流叶轮、有叶扩压器、轮盖、轮盘和出风口，集流器和加压空间相连接，导流器上与集流器处吸入流体相接触的端面为导向型光滑曲面，蜗壳入口和三元流叶轮的出口之间通过有叶扩压器无缝连接，则蜗壳入口、有叶扩压器和三元流叶轮之间形成供吸入流体通过的流体通道；轮盖和轮盘前后贴合，且轮盖和轮盘之间设有供三元流叶轮容置的叶轮腔，轮盖和三元流叶轮的叶片之间设有间隙，轮盘与三元流叶轮的叶片之间紧密贴合设置。本发明为适应大型污水处理厂曝气处理的需要进行设计，在此基础上对三元流叶轮进行进一步结构优化，使得三元流叶轮效率和整级效率提高。

Description

一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机

技术领域

本发明涉及一种鼓风机，尤其是一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机。

背景技术

目前污水处理中使用最普及、运行数量最多、最成熟的技术是活性污泥法。当污水处理工艺采用活性污泥法时，曝气鼓风机是该处理工艺的核心设备之一，对鼓风机的增压和性能要求很高，若曝气供氧能力不足将直接导致污水处理效果下降。随着国家节能环保政策的有效实施以及行业技术水平的不断进步，鼓风机设备的能效需求日益提高，对具备节能高效、低噪音等优势的鼓风机产品的需求也越来越大。

现阶段，国内外污水处理厂使用的曝气鼓风机主要有罗茨鼓风机、多级离心式鼓风机、单机高速离心式鼓风机等。其中，罗茨鼓风机效率低、气体泄漏量大，增压较小、噪声较大；多级离心式鼓风机效率较罗茨鼓风机略高，但流量调节性能差、能耗高，运行费用高、多机并联运行时易相互干扰发生喘振。三元流叶轮是一种比较先进的叶轮，之所以说它先进是因为三元流叶轮工作原理是符合节能降耗的。叶轮是水泵的心脏，所以叶轮的设计是可以决定一个水泵的扬程、流量和工作效率的，所以三元流叶轮受到了市场的青睐。单级高速离心式鼓风机采用三元流动理论设计，且是一级结构，流道短、损失较小，效率较多级离心提高10-15％。其在低负荷条件下也可以达到较高的运行效率，这是罗茨风机没有的优点。通过进气导叶装置的调节，单机高速离心式鼓风机在低负荷条件下也可以获得较高的效率，目前市场上大公司生产的单机高速离心式鼓风机几乎为多变效率可以达到85％左右，仍然有很大提升空间。

因此对于大型污水处理厂而言，亟需一种大流量、高效能用以给曝气处理提供稳定压力气体的单级高速离心式鼓风机显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种效率高、裕度宽和整体性能好的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，包括蜗壳、导流器、三元流叶轮、有叶扩压器、轮盖和轮盘，所述蜗壳上设有风道、与该风道相连通的腔体、与该腔体相连通的进风口、及与该风道相连通的出风口，导流器上与进风口相对应的端部具有导向型光滑曲面，所述有叶扩压器沿着所述三元流叶轮的周向方向布置，并位于所述蜗壳入口和三元流叶轮的出口之间，且所述蜗壳入口和三元流叶轮的出口之间通过有叶扩压器无缝连接，由此形成连通蜗壳和三元流叶轮之间的流体通道，所述三元流叶轮的出口与该流体通道相连通，蜗壳的入口与该流通通道相连通；

所述三元流叶轮采用均匀、交替分布的三元螺旋曲线型长短叶片，叶片总数为12～20片，叶轮直径为300～400mm，各叶片入口角从叶根处70°到叶顶处30°线性减小，出口角保持45～55°。

本发明的有益效果是：蜗壳和三元叶轮出口之间由有叶扩压器无缝连接，形成蜗壳和叶轮之间流体通道，具有良好的气密性。导流器与轮盘平滑连接，使气流均匀进入叶轮，减少流动损失。此外，有叶扩压器分别与轮盖、轮盘相连接，将三元流叶轮包裹，形成一个封闭的流场，轮盖与三元叶片叶顶保持一定的间隙，轮盘与三元流叶片采用一体成型，形成良好的内部流道。出风口与蜗壳平滑连接，保证气体流道逐渐扩大，起到导流、扩压和减小紊流程度的作用。本发明为适应大型污水处理厂曝气处理的需要进行设计，在此基础上对三元流叶轮进行进一步结构优化，使得三元流叶轮效率和整级效率提高。气流从进气口经导流器进入三元流叶轮，之后流入有叶扩压器，经过扩压后进入蜗壳内进一步扩压，最后经出气口再次扩压后流出，从而达到为大型污水处理厂曝气处理提供稳定大流量高压气流的目的。

进一步设置为：所述叶片总数为16片，长叶片8片，短叶片8片，各叶片出口角保持48°，三元流叶轮直径为370mm。叶片总数为16片，即长叶片8片，短叶片8片。8对长短叶片，采用拉丁超立方抽样获得叶轮关键设计变量的样本空间，基于流场分析程序计算叶轮样本对应的气动性能目标参数，在此基础上运用径向基函数神经网络程序建立流场分析代理模型，以设计工况效率及非设计工况效率和压比为目标、设计压比为约束，运用多目标灰狼算法程序进行了叶轮气动设计的多工况多目标全局寻优。拉丁超立方抽样实现了样本点在设计变量空间的均匀分布，运用神经网络建立的代理模型能够准确描述设计变量与性能目标间的映射关系，与流场计算所得性能目标的最大误差均小于1％，寻优计算获得了设计压比约束下的最优效率及相应的叶轮型。叶轮直径为370mm，其子午面型线以三点Bezier曲线作为控制曲线，轮盘型线的三个控制点中，第一个点相对轴向的坐标为54％，第二个点相对于轴向的坐标为100％，相对于径向的坐标为6.5％，第三个点相对于径向的坐标为87％。轮盖型线的三个控制点中，第一个点相对轴向的坐标为54％，第二个点相对于轴向的坐标为100％，相对于径向的坐标为6.5％，第三个点相对于径向的坐标为87％。轮盘型线的入口角从叶根处70°到叶顶处30°线性减小，出口角保持48°。叶轮设计工况点的等熵效率提高2％，非设计工况点的效率提高2.2％。优化后子午型线出口倾角增大，设计和非设计工况点的叶轮流场低速区减小、熵增降低，噪声减小。叶轮多变效率可达到90.8％，整级多变效率可以达到87.6％。在流量为300m³/min时，压比可以达到2.3，很好地满足了曝气处理时对鼓风机性能的要求。叶片叶根处5mm厚，叶片叶顶处1.8mm厚。其中，工作时叶轮转速保持在21000rpm转速下，三元流叶轮的强度也得到了很好的保障，可达到优化的工作效率。

进一步设置为：所述叶片的叶根处厚度为5mm，叶顶处厚度为1.9mm。

进一步设置为：所述有叶扩压器的叶片采用NACA65-012型的翼形叶片，入口角度为30°，翼形叶片厚度不大于8mm，翼形叶片前缘距离有叶扩压器入口35mm，有叶扩压器外径为640mm，翼形叶片后缘距离有叶扩压器出口40mm。有叶扩压器的叶片为NACA65-012型的翼形叶片，可以有效提高扩压效率，翼型叶片最大厚度为8mm，入口角为30°，翼形叶片前缘距离有叶扩压器入口35mm，第一无叶扩压段外径(D3)与内径(D2)之比为1.189，有叶扩压器的进气气流更加均匀，可以减小翼形叶片进口的冲击损失以及扩压器和蜗壳内的流动损失，从而可以有效地提高中高流量的压比和等温效率，拓宽了鼓风机高效运行区域。有叶扩压器外径(D5)为640mm，翼形叶片后缘(D4)距离翼型有叶扩压器出口40mm，翼形叶片后缘与前缘比值为1.273，第二无叶扩压段外径与内径之比为1.143，气流脉动产生的噪声和结构交变应力降低，使结构稳定性增强。

进一步设置为：所述轮盖和轮盘间采用半开式结构，轮盖与三元流叶轮间保持0.6～1mm的间隙。

进一步设置为：所述轮盖与三元流叶轮间保持0.8mm的间隙，具有良好的运行效能。

进一步设置为：所述出风口采用渐扩型，长度为500～800mm，首末两端直径相差80～180mm。渐扩型出风口与蜗壳出口平滑连接，优化方案中，出风口长度为600mm，圆形出口直径为300mm，首末两端直径相差120mm，外扩倾角为5.7°，对流体起扩压导流的作用，有效地提高鼓风机出口静压，同时降低气流流速至34.7m/s，以减小动压损失和对后段管路的冲击。

进一步设置为：所述蜗壳为非对称性蜗壳，该蜗壳型线根据等动量矩法设计，且与三元流叶轮相匹配。有叶扩压器出口与蜗壳入口直接相连接，蜗壳为非对称型蜗壳，其型线按照等动量矩进行设计。蜗壳渐扩，出口直径设置为180mm，保证了流道逐渐扩大，减小了能量损失和气动噪声，起到扩压的作用。

进一步设置为：所述长叶片为主叶片，短叶片为分流叶片，长叶片上叶根到叶顶的高度H，短叶片上叶根到叶顶的高度h，则h＝(0.6～0.8)H。通过合理的高度比，从而达到最优的工作效率。

进一步设置为：所述蜗壳的进风口处安装有集流器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，局部的剖面图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的结构示意图，立体视角，省略了轮盖、集流器。

图4为本发明中三元流叶轮的立体图。

图5为本发明中轮盖与叶片叶顶的间隙图。

图6为本发明中有叶扩压器和三元流叶轮的结构示意图。

图7为本发明的离心式鼓风机的三维数值计算的周向流线图。

图8为本发明的离心式鼓风机的三维数值计算的轴向流线图。

图9为本发明的离心式鼓风机的三维数值计算的流线图标尺。

图10为本发明的离心式鼓风机的流量-多变效率性能曲线图。

图11为本发明的离心式鼓风机的流量-总压比性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1～6所示，本实施例包括蜗壳1、集流器2、导流器3、三元流叶轮4、有叶扩压器5、轮盖6、轮盘7和轴9，蜗壳1上设有风道、与该风道相连通的腔体、与该腔体相连通的进风口81、及与该风道相连通的出风口82，导流器3上与进风口81相对应的端部具有导向型光滑曲面，即导流器3呈炮弹状，对流场流道有较好的改善作用，可使气流经导流器3进入后均匀进入三元流叶轮4内，减少了流动损失。有叶扩压器5沿着三元流叶轮4的周向方向布置，并位于蜗壳1入口和三元流叶轮4的出口之间，且蜗壳1入口和三元流叶轮4的出口之间通过有叶扩压器5无缝连接，由此形成连通蜗壳1和三元流叶轮4之间的流体通道，三元流叶轮4的出口与该流体通道相连通，蜗壳1的入口与该流通通道相连通。集流器2安装于蜗壳1的进风口81处。轮盖6和轮盘7前后贴合，且轮盖6和轮盘7之间设有供三元流叶轮4容置的腔体，轮盖6和三元流叶轮4的叶片之间设有间隙10，轮盘7与三元流叶轮4的叶片之间紧密贴合设置。轮盖6与三元流叶轮4间的间隙10为0.8mm，该间隙设置有助于三元流叶轮4工作时具有良好的运行效能。

三元流叶轮4采用均匀、交替分布的三元螺旋曲线型长短叶片，叶片总数为16片，即8对，其中长叶片41有8片，短叶片42有8片。叶轮直径为370mm，各叶片入口角从叶根处70°到叶顶处30°线性减小，各叶片出口角保持48°。此处，三元流叶轮4直径可以在300～400mm这个范围内选择，出口角可以在45～55°这个范围内选择。相比于常用的二元叶片，本实施例从叶轮和叶片上进行优化，结合参数化建模、拉丁超立方抽样、径向基函数神经网络及多目标灰狼优化算法，使用多目标多工况带约束的智能优化方法对三元流叶轮型线进行优化，使三元流叶轮内部流动更加均匀，低速区面积减小，从而增加流通能力，提高了叶轮效率。由于单一种类叶片提供的压力较小，效率不高，故采用长短叶片。离心风机加入短叶片42后，能提高风机的全压，即增加做功能力，一定范围内，短叶片42从吸力面向压力面移动，压力和效率都上升，转子理论效率可达90.8％。此外，由于三元流叶轮尺寸较大，转速较高，对叶片强度有更高的要求，故令叶片叶根处厚度增至5mm，叶顶处叶片厚度为1.9mm，减小了轴向形变和径向形变。

叶片采用8对长短叶片，其采用拉丁超立方抽样获得叶轮关键设计变量的样本空间，基于流场分析程序计算叶轮样本对应的气动性能目标参数，在此基础上运用径向基函数神经网络程序建立流场分析代理模型，以设计工况效率及非设计工况效率和压比为目标、设计压比为约束，运用多目标灰狼算法程序进行了叶轮气动设计的多工况多目标全局寻优。拉丁超立方抽样实现了样本点在设计变量空间的均匀分布，运用神经网络建立的代理模型能够准确描述设计变量与性能目标间的映射关系，与流场计算所得性能目标的最大误差均小于1％，寻优计算获得了设计压比约束下的最优效率及相应的叶轮型。三元流叶轮4直径为370mm，其子午面型线以三点Bezier曲线作为控制曲线，轮盘型线的三个控制点中，第一个点相对轴向的坐标为54％，第二个点相对于轴向的坐标为100％，相对于径向的坐标为6.5％，第三个点相对于径向的坐标为87％。轮盖型线的三个控制点中，第一个点相对轴向的坐标为54％，第二个点相对于轴向的坐标为100％，相对于径向的坐标为6.5％，第三个点相对于径向的坐标为87％。轮盘型线的入口角从叶根处70°到叶顶处30°线性减小，出口角保持48°。叶轮设计工况点的等熵效率提高2％，非设计工况点的效率提高2.2％。优化后子午型线出口倾角增大，设计和非设计工况点的叶轮流场低速区减小、熵增降低，噪声减小。叶轮多变效率可达到90.8％，整级多变效率可以达到87.6％。在流量为300m3/min时，压比可以达到2.3，很好地满足了曝气处理时对鼓风机性能的要求。叶片叶根处5mm厚，叶片叶顶处1.8mm厚。其中，工作时叶轮转速保持在21000rpm转速下，三元流叶轮的强度也得到了很好的保障，可达到优化的工作效率。

有叶扩压器5的叶片采用NACA65-012型的翼形叶片51，入口角度为30°，翼形叶片51前缘距离有叶扩压器5入口35mm，翼形叶片51厚度为8mm。第一无叶扩压段外径(D3)与内径(D2)之比为1.189，有叶扩压器的进气气流更加均匀，可以减小叶片进口的冲击损失以及扩压器和蜗壳内的流动损失，从而可以有效地提高中高流量的压比和等温效率，拓宽了鼓风机高效运行区域。有叶扩压器外径(D5)为640mm，叶片后缘(D4)距离翼型有叶扩压器出口40mm，叶片后缘与前缘比值为1.273，第二无叶扩压段外径与内径之比为1.143，气流脉动产生的噪声和结构交变应力降低，使结构稳定性增强。

出风口82采用渐扩型，出风口82长度为600mm，圆形出口直径为300mm，首末两端直径相差120mm，外扩倾角为5.7°，对流体起扩压导流的作用，有效地提高鼓风机出口静压，同时降低气流流速至34.7m/s，以减小动压损失和对后段管路的冲击。

蜗壳1为非对称性蜗壳，该蜗壳型线根据等动量矩法设计，且与三元流叶轮相匹配。有叶扩压器5出口与蜗壳1入口直接相连接，蜗壳1为非对称型蜗壳，其型线按照等动量矩进行设计。蜗壳1渐扩，出口直径设置为180mm，保证了流道逐渐扩大，减小了能量损失和气动噪声，起到扩压的作用。长叶片41为主叶片，短叶片42为分流叶片，长叶片41上叶根到叶顶的高度H，短叶片42上叶根到叶顶的高度h，则h＝0.7H。通过合理的高度比，从而达到最优的工作效率。

为满足大型污水厂曝气处理的需求，本实施例首先明确需求，进行鼓风机初步设计。然后建立叶轮型线参数化模型，通过拉丁超立方抽样建立样本集，以此来训练目标函数，运用多目标灰狼优化算法寻找最优解，在误差允许的条件下确定叶轮型线的最终设计方案。通过整级三维数值计算，可以观察到此设计在21000rpm转速下的内部流动情况，以流量为5.5kg/s为例，如图7、8、9所示，可以观察到在叶轮、有叶扩压器和蜗壳区域并未出现分离涡，内部流动良好。此外，还可以得到此设计在21000rpm的转速下流量-多变效率性能曲线图和流量-总压比性能曲线图。如图10所示，流量在4.4kg/s-5.6kg/s之间时，多变效率在84％以上，有较大的高效区范围，多变效率最高值为87.6％，此时流量为5.2kg/s。如图11所示，在3.8kg/s-6.2kg/s的流量范围内，距离喘振线较远且并无堵塞。

Claims (10)

1.一种用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，包括蜗壳、导流器、三元流叶轮、有叶扩压器、轮盖和轮盘，所述蜗壳上设有风道、与该风道相连通的腔体、与该腔体相连通的进风口、及与该风道相连通的出风口，导流器上与进风口相对应的端部具有导向型光滑曲面，所述有叶扩压器沿着所述三元流叶轮的周向方向布置，并位于所述蜗壳入口和三元流叶轮的出口之间，且所述蜗壳入口和三元流叶轮的出口之间通过有叶扩压器无缝连接，由此形成连通蜗壳和三元流叶轮之间的流体通道，所述三元流叶轮的出口与该流体通道相连通，蜗壳的入口与该流通通道相连通，其特征是：

所述三元流叶轮采用均匀、交替分布的三元螺旋曲线型长短叶片，叶片总数为12～20片，叶轮直径为300～400mm，各叶片入口角从叶根处70°到叶顶处30°线性减小，出口角保持45～55°。

2.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述叶片总数为16片，长叶片8片，短叶片8片，各叶片出口角保持48°，三元流叶轮直径为370mm。

3.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述叶片的叶根处厚度为5mm，叶顶处厚度为1.9mm。

4.根据权利要求1所述的深海采矿车，其特征是：所述有叶扩压器的叶片采用NACA65-012型的翼形叶片，入口角度为30°，翼形叶片厚度不大于8mm，翼形叶片前缘距离有叶扩压器入口35mm，有叶扩压器外径为640mm，翼形叶片后缘距离有叶扩压器出口40mm。

5.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述轮盖和轮盘间采用半开式结构，轮盖与三元流叶轮间保持0.6～1mm的间隙。

6.根据权利要求5所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述轮盖与三元流叶轮间保持0.8mm的间隙。

7.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述出风口采用渐扩型，长度为500～800mm，首末两端直径相差80～180mm。

8.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述蜗壳为非对称性蜗壳，该蜗壳型线根据等动量矩法设计，且与三元流叶轮相匹配。

9.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述长叶片为主叶片，短叶片为分流叶片，长叶片上叶根到叶顶的高度H，短叶片上叶根到叶顶的高度h，则h＝(0.6～0.8)H。

10.根据权利要求1所述的用于污水厂的单级高速离心式三元流鼓风机，其特征是：所述蜗壳的进风口处安装有集流器。