鼓風機

靠轉動葉輪上葉片的動力作用將能量傳遞給連續流動的流體或靠流體傳出的能量推動葉片旋轉的裝置，稱為葉輪機械。在葉輪機械中，轉動葉片對流體做正功或負功，使流體的壓力升高或降低。葉輪機械分為兩大類：一類是工作機，流體從其中吸收功率增加壓頭或水頭，如葉片式泵和通風機；另一類是原動機，流體在其中膨脹、降低壓力或水頭產生功率，如汽輪機和水輪機。人們把原動機稱為透平，而把工作機成為葉片式流體機械。 ^[1] 

按照風機工作原理的不同分為葉片式和容積式兩大類，其中葉片式又可分為軸流式、離心式和混流式。按照風機產生壓力的高低，又可分為鼓風機、壓縮機和通風機。我國現行機械行業標準JB/T2977-92中規定：通風機是指進口為標準空氣進口條件下，出口壓力（表壓）小於0.015MPa的風機；出口壓力（表壓）在0.015MPa和0.2MPa之間的稱為鼓風機；出口壓力（表壓）大於0.2MPa 的稱為壓縮機。 ^[1] 

鼓風機的主要部件有：蝸殼、集流器和葉輪。 ^[1] 

集流器可以將氣體導向葉輪，葉輪入口氣流狀況是由集流器的幾何形狀來保證的。集流器的形狀有很多種，主要是：筒形、錐形、筒錐形、弧形、筒弧形、弧錐形等。 ^[1] 

葉輪一般有輪蓋、輪盤、葉片、軸盤四大部件組成，其結構的連接方式主要是焊接和鉚接。按照葉輪的出口不同的安裝角度，可分為徑向、前向和後向三種。葉輪是離心風機最重要的部分，由原動機驅動，是離心葉輪機械的心臟，負責由歐拉方程所描述的能量傳輸過程，離心葉輪內部的流動受葉輪旋轉和表面曲率的作用還伴有脱流、迴流和二次流現象，從而使得葉輪內的流動變得十分複雜。葉輪內部流動狀況，直接影響着整級乃至整機的氣動性能和效率。 ^[1] 

蝸殼主要是用來收集從葉輪出來的氣體，同時可以通過適度降低氣體速度將氣體的動能轉化為氣體的靜壓能，並引導氣體留出蝸殼出口。鼓風機作為流體葉輪機械，從其內部流場研究入手來提高其整機性能與工作效率，是非常有效的方法。學者為了瞭解離心鼓風機內部的真實流動狀況，改進葉輪設計和蝸殼設計以提高性能和效率，針對離心葉輪和蝸殼做了大量的基礎理論分析、實驗研究和數值模擬計算。 ^[1] 

鼓風機的其他結構： ^[1] 

轉子：由軸、葉輪、軸承、同步齒輪、聯軸器、軸套等組成。 ^[1] 

軸承：近聯軸器端作為定位端選用3000型雙列向心球面滾子軸承。近齒輪端作為自由端選用32000型單列向心短圓柱滾子軸承以適應熱臌脹時轉子的軸向位移。 ^[1] 

同步齒輪：由齒圈和輪轂組成，便於調整葉輪間隙。 ^[1] 

機體：由機殼和左、右牆板組成。左、右牆板及安裝在左右牆板內的軸承座、密封部等均可互相通用。 ^[1] 

底座：中、小型風機均配有公共底座，大型風機僅配風機底座，便於安裝調試。 ^[1] 

潤滑：齒輪採用浸入式，軸承採用飛濺潤滑。潤滑效果好，安全可靠。 ^[1] 

傳動方式：以聯軸器直聯為主。若性能規格需要，也可選用三角皮帶輪變速的方式。聯軸器選用彈性聯軸器，能緩和衝擊及補償少量的軸線偏差。大流量風機除以電動機作為驅動機外，也可採用汽輪機或其他驅動機。 ^[1] 

在距今5000~6000年前，中國就已出現了冶金術。公元前5世紀進入鐵器時代之後，鐵器便成為推動歷史進步的重要因素，一度成為生產力發展水平的標誌。冶鐵是多種技術的結合，鼓風技術就是其中不可或缺的一部分。我國古代的冶金機械鼓風技術經歷了從間歇鼓風到連續鼓風的發展，鼓風設備則從皮橐發展到木扇、活塞式木風箱，其間還出現了馬排與水排。鼓風設備的發展既是冶鐵技術進步的重要部分，同時又作為機械 技術的一種受到機械技術整體水平的影響。中國的冶鐵機械在社會政治、經濟、技術水平等多種因 素合力作用下表現出特有的發展脈絡。 ^[2] 

鼓風技術是將一定壓力的氣流鼓入爐內，使燃料充分燃燒，提高爐温，提高冶煉效率。鼓風設備是鼓風技術實施的物質基礎。早期冶金可能使用自然風，後來隨着對高温的需求而發展為強制鼓風。最早用於強制鼓風的器具是扇和吹管（橐）。遼寧省凌源縣牛河梁發現的鍊銅坩堝爐殘片是吹管鼓風的典型考古實證，內蒙古赤峯市林西縣的大井古銅礦遺址（夏家店上層文化，距今約2700年~2900年）也發現了陶質獸首鼓風管1個。這些發現表明，青銅時代早期已經出現較原始的鼓風設備。據現有考古發掘材料可知：我國早在西周時就已使用一座爐配四具鼓風器的冶煉設備。此外，從出土的商周時期的大量青銅器及其工藝技術水平推測，當時應該存在一種較為原始的鼓風裝置，只是這種鼓風設備是否屬於機械裝置還待進一步考證。真正的冶鐵鼓風機械裝置應該是伴隨冶鐵術的進步而發展起來的，春秋戰國時期出現了關於機械的概念。《莊子·外篇·天地》上記載了子貢所説的話：“有械（“械”乃是一種汲水工具）。於此，一日浸百畦，用力甚寡而見功多。”《韓非子·難二》説：“審於地形，舟車、機械之利，用力少，致功大，則入多”。這就是説，古人認為機械是一種“用力少而致功多”的器械。現在一般認為機械應包括三個部分：動力裝置、傳動裝置、工作機。若以此衡量鼓風機械，最早的當屬皮橐，此後相繼有水排、木扇、活塞式木風箱等等。不難看出，從最初的皮橐到後來的馬排、水排再到木扇、木風箱，其機械結構以及機械原動力呈現出由簡單到複雜再到小型化、簡單化的發展脈絡。之所以呈現這樣的特點，是由當時的社會背景，尤其是國家制度和經濟發展所決定的。 ^[2] 

羅茨鼓風機屬於容積式鼓風機，是迴轉式鼓風機的一種，利用兩個葉形轉子或三個葉形轉子在氣缸內做相對運動來輸送氣體。由於轉子的不斷旋轉，被抽氣體從進氣口吸人到轉子與泵殼之間的空聞內，再經排氣口排出，氣體經羅茨風機沒有內壓縮過程。 ^[3] 

羅茨鼓風機是中小型硫酸廠常用的鼓風機。在需用風量較小時，離心式鼓風機常因 葉輪直徑較小，一般每分 鍾2950轉的轉速下較難達到硫酸生產需用的壓頭而不適用。 羅茨鼓風機兼有往復式壓氣機和離心式鼓風機的優點 ，已具有往復式壓氣機在轉速一定時風壓稍有變化，送風量可保持不變，即保持轉速與風量間正比關係的特點，也具有離心式鼓風機轉速高，不用氣閥和曲軸，重量較輕，應用方便等優點。缺點是出口受阻礙時易使壓力升高甚至造成機器本身損壞。用久後，因兩隻轉子間的間隙、轉子與機殼間的間隙擴大而致送風量下降。 ^[4] 

目前的高爐鼓風機均採用葉片式風機，主要有離心式和軸流式兩大類。離心鼓風機具有結構簡單，運行可靠，設計點效率高，噪聲較小等優點。離心式高爐鼓風機在中國有比較成熟的製造和使用經驗，400m³以下的高爐在工業落後的地區和國家使用較為廣泛。但隨着高爐的增大，離心鼓風機的調節損失、外形尺寸及風機重量等都有較大幅度的增加，這就給製造、運輸、安裝和維護等帶來很大的困難，而且同時還受到旋轉件——葉輪材料強 度、主軸剛度、電機啓動等因素的限制，又使該風機運行的可靠性和經濟性有所降低。而軸流式鼓風機具有結構緊湊、體積小、重量輕、負荷調節性好、使用範圍寬、風機轉動慣量小、電機易啓動等特點，所以在大型化和現代化高爐上被廣泛使用。中國在500m³以上的高爐中廣泛採用了軸流鼓風機, 在製造和運行方面也積累了一定的經驗。 ^[5] 

磁懸浮鼓風機是採用磁懸浮軸承的渦輪機的一種。其主要結構是鼓風機葉輪直接安裝在電動機軸延伸端上，而轉子被垂直懸浮於主動式磁性軸承控制器上，不需要增速器及聯軸器，實現由高速電動機直接驅動。由變頻器來調速的單級高速離心鼓風機，其核心是磁懸浮軸承和永磁電動機技術。磁懸浮鼓風機主要技術特點有： ^[6] 

（1）高效葉輪：高效葉輪用三元流設計，且五軸加工技術保證了葉輪製造精度。 ^[6] 

（2）磁懸浮軸承：無機械磨損，能量低，半永久性壽命。 ^[6] 

（3）結構設計一體化：風機葉輪直接安裝於電動機軸端，與控制系統一體化設計，集裝於箱體內，結構簡單、簡潔。 ^[6] 

（4）安裝維護方便：無需起吊設備和高大空間，無需特殊基礎，維護方便，同時節約機房的基建費用。 ^[6] 

（5）系統模塊化設計：根據用户流量不同，允許多台鼓風機並聯工作，調節範圍廣，靈活性強。 ^[6] 

磁懸浮鼓風機的優勢： ^[6] 

（1）節能高效：採用磁懸浮軸承，無接觸損失和機械損失，實現了高轉速無極變速調節。 ^[6] 

（2）系統集成性高：具有進口過濾器、冷卻系統、全自動防喘振系統、停電和故障保護系統等，帶來了操作的安全性、方便性和可靠性。 ^[6] 

（3）冷卻效率高：冷卻系統採用外置冷凝器的方式，能夠有效地保護風機系統，實現風機的隨時起停。 ^[6] 

單極高速離心鼓風機是進入20世紀90年代，隨着“三元流動理論”在離心式壓縮機和鼓風機設計上的應用而發展起來的產品。單極高速離心鼓風機在設計上採用了三元流動設計理論，使單極離心式鼓風機效率高達82%以上，遠優於多極離心鼓風機，在結構上採用了軸向進氣導葉調節裝置，在恆定壓力下，流量調節為額定電流的 65%~105%，單台流量調節範圍45%-100%，使得在低負荷條件下運行也有較高的效率，這是低速多極鼓風機和羅茨鼓風機所沒有的優點。由於單極高速離心鼓風機具有體積小、重量輕、效率高、節約能源、性能範圍調節廣泛和自動化水平高等特點，目前已是污水處理行業曝氣鼓風機的主流產品。 ^[7] 

離心鼓風機又稱透平鼓風機，氣體在旋轉的葉輪作用下，獲得壓力和流速的增大，可以實現連續送風。其工作原理為當電機轉動從而帶動風機葉輪旋轉，氣體在離心力的作用下甩出並改變流向，動能轉換為靜壓能，從排氣口排出氣體，同時在葉輪間形成一定負壓，使外界氣體在大氣壓的作用下補入，達到連續鼓風的目的。離心鼓風機根據葉輪數量分為多級離心鼓風機和單級離心鼓風機。多級低速離心鼓風機正常是指轉子在2只或2只以上的葉輪串聯在同一根主軸上，至多可有八級風葉，轉子轉速為3000~3600r/min的離心式鼓風機鬧。離心鼓風機一般選用進口節流調節流量與壓力，使風機在較低的功率下運行，不需要放風調節，且能保持同額定工況基本相同的高效率，用於壓力流量都不穩定的工況。 ^[3] 

多級離心鼓風機的送氣量一般較大，但所產生的風壓不高，出口表壓一般≤110kPa，流量一般在130m³/min左右。與羅茨鼓風機相比，低速多級離心鼓風機由於具有噪聲較低、風機運行平穩可靠、效率較高等優點，20世紀80年代以來，在國外的污水處理廠中逐漸取代了羅茨鼓風機，但仍存在體積大、質量重、流量調節性能差、效率偏低、能耗大等弊端。 ^[3] 

空氣懸浮離心鼓風機是一種全新概念的離心鼓風機，借鑑航空、航天器的渦輪發動機，應用先進的空氣懸浮技術，採用了“高速直聯電機”和“空氣懸浮軸承"這兩個高端核心技術，改善了傳統單級高速渦輪鼓風機的轉速齒輪聯軸器、冷卻系統和油潤滑系統等，大大提高了產品的技術性能及運行可靠性。 ^[3] 

空氣懸浮單級離心鼓風機採用SVS鈦合金材料，葉輪抗變形能力強，選擇最佳效率角度設計，效率高達88%；採用BLDCM永磁無刷超高速電機，是隨着永磁材料技術、半導體技術和控制技術的發展而出現的一種最新型電機，更加高效節能；採用變頻調節方式，使懸浮離心鼓風機的可調範圍更寬；採用空氣自冷卻技術，可確保鼓風機在炎熱的夏季仍保持可靠的工作性能，由於採用高速直聯電機、空氣懸浮軸承及三維模擬渦輪葉輪，大大減少了因為機械傳動和機械摩擦而產生的能源消耗，故效率極高；空氣懸浮軸承較磁懸浮軸承壽命更長，更換價格也相對低廉；啓停不依賴於電源，運行較磁懸浮離心鼓風機更加穩定可靠；與羅茨風機相比可節能25%~35%，與傳統多級離心鼓風機相比可節能15%~20%，與傳統單級高速離心鼓風機相比可節能10%~15%。風量為35~160 m³/min,最大出口風壓達100kPa。 ^[3] 

離心式鼓風機的工作原理 ^[8] 

離心式鼓風機的工作原理與離心式通風機相似，只是空氣的壓縮過程通常是經過幾個工作葉輪（或稱幾級）在離心力的作用下進行的。鼓風機有一個高速轉動的轉子，轉子上的葉片帶動空氣高速運動，離心力使空氣在漸開線形狀的機殼內，沿着漸開線流向風機出口，高速的氣流具有一定的風壓。新空氣由機殼的中心進入補充。 ^[8] 

單級高速離心風機的工作原理是：原動機通過軸驅動葉輪高速旋轉，氣流由進口軸向進入高速旋轉的葉輪後變成徑向流動被加速，然後進入擴壓腔，改變流動方向而減速，這種減速作用將高速旋轉的氣流中具有的動能轉化為壓能（勢能），使風機出口保持穩定壓力。 ^[8] 

從理論上講，離心鼓風機的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由於風機內部存在摩擦阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恆速運行時，風機的工況點將沿壓力-流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決於本身的性能，而且取決於系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風機調節的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網特性曲線，以得到所需工況。 ^[8] 

變頻調控原理與特性 ^[8] 

隨着科技的不斷髮展，交流電機調速技術被廣泛採用。通過新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉速方式來進行風機流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調控流量造成的能量損耗。變頻調節的節能原理： ^[8] 

可知，當其轉速降低到原額定轉速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調節方式可以大幅度節電的原因。根據變頻調節這一特性，對於在污水處理工藝中，曝氣池始終保持5m正常液位，要求鼓風機在出口壓力恆定的條件下，進行大範圍的流量調節，當調節深度較大時，將會使風壓下降過大，不能滿足工藝要求。當調節深度較小時，則顯示不出其節能的優勢，反而使裝置複雜，一次性投資增高。 ^[8] 

進口導葉調節原理及特性 ^[8] 

進口導葉調節裝置即在鼓風機吸風入口附近裝設一組可調節轉角的導葉-進口導葉，其作用是使氣流在進入葉輪之前發生旋轉，造成扭曲速度。導葉可繞自身軸轉動，葉片每轉動一個角度就意味着變換一個導葉安裝角，使進入風機葉輪的氣流方向相應改變。 ^[8] 

進口導葉調節風量原理 ^[8] 

當導葉安裝角θ=0°時，導葉對進口氣流基本上無作用，氣流將以徑向流入葉輪葉片。當θ>0°時，進口導葉將使氣流進口的絕對速度沿圓周速度方向偏轉θ角，同時對氣流進口的速度有一定的節流作用，這種預旋和節流作用將導致風機性能曲線下降，從而使運行工況點變化，實現風機流量調節。進口導葉調節的節能原理。 ^[8] 

當進口導葉安裝角由θ1=0°增大為θ2或θ3時，運行工況點由M1移至M2或M3；流量由Q1減小至Q2或Q3；軸功率由P′1減少至P′2或P′3。用剖面線表示的面積為進口導葉比節流調節節省的功率。曝氣池深度是固定的，鼓風機在保持出口壓力恆定條件下，進行流量調節，即H=常量，Q=變量時，管網的特性曲線近似於水平直線，鼓風機採用進口導葉調節，不必藉助於改變管網特性曲線，可通過改變導葉的開閉角度，使風機的壓力-流量性能曲線改變，流量的變化是通過將工況點移動到新的改變了的風機特性曲線上的方法實現的。 ^[8] 

離心風機採用進口導葉調節方式，在部分負荷運行時可獲得高效率和較寬的性能範圍，在保持出口壓力恆定條件下，工作流量可在50%～100%額定流量範圍內變化。調節深度愈大、省功愈多。如流量減少到額定流量的60%時，進口導葉方式比進口節流方式節省功率達17%之多。此外，其結構相對簡單，運行可靠，維護管理方便，初期投資低。因此，鼓風機採用進口導葉調節流量，顯然是最佳調節方式。 ^[8] 

操作工在開機前必須熟悉本規程，嚴格按本規程操作鼓風機。 ^[9] 

（1）檢查油箱潤滑油位，應處於油尺上，下限之間。 ^[9] 

（2）通知變電所向本機供電。 ^[9] 

（3）檢查機上控制櫃，應無報警顯示，如有報警，查明原因給於消除. ^[9] 

（4）選擇“手動”狀態。（用手指觸“手動”鍵）。 ^[9] 

（5）檢查泄壓閥是否處於打開位置(泄壓閥打開綠燈亮)。 檢查擴壓器應置於最小開度(擴壓器最小綠燈亮)。 ^[9] 

以上檢查，確認風機可啓動後，按啓動鍵，鼓風機進入啓動程序： ^[9] 

（1）輔助油泵進行預潤滑一分鐘(輔助油泵運轉綠燈亮)。

（2）鼓風機可開始運轉(鼓風機運轉綠燈亮)。 ^[9] 

（3）泄壓閥緩慢關閉(泄壓閥打開綠燈滅，二分鐘後泄壓閥關閉綠燈亮)。 ^[9] 

（4）輔助油泵停止運轉 (輔助油泵運轉綠燈滅，停止紅燈亮)。 至此，鼓風機啓動成功，可投入正式運行。 ^[9] 

（5）如按下啓動鍵後，鼓風機未能如期起動，則一分鐘後油壓過低報警紅燈亮，整個起動過程停止。必須查明原因解決後，消除報警重新啓動。 ^[9] 

風機啓動後可根據生產需要緩慢調整擴壓器開度，用擴壓器“開啓”鍵和“關閉”鍵控制，以保證必要的風量。 ^[9] 

風機運行時，必須經常對風機進行監視，注意風機的電流、油温、油壓進風真空度聲音、風機、温度、振動等情況。按時做好記錄，如有異常，要及時查明原因給予排除，並向生產科彙報，必要時可採取緊急停車的措施(謹慎使用)。 ^[9] 

因生產或保養，維修需要，停止某颱風機運轉時： ^[9] 

（1）減小擴壓器開度至最小(擴壓器最小指示綠燈亮)。 ^[9] 

（2）用手指接觸風機“停止”鍵，停機程序開始。 ^[9] 

鼓風機主要由下列六部分組成：電機、空氣過濾器、鼓風機本體、空氣室、底座（兼油箱）、滴油嘴。鼓風機靠汽缸內偏置的轉子偏心運轉，並使轉子槽中的葉片之間的容積變化將空氣吸入、壓縮、吐出。在運轉中利用鼓風機的壓力差自動將潤滑送到滴油嘴，滴入汽缸內以減少摩擦及噪聲，同時可保持汽缸內氣體不迴流，此類鼓風機又稱為滑片式鼓風機。鼓風機輸送介質以清潔空氣、清潔煤氣、二氧化硫及其他惰性氣體為主。也可按需生產輸送其他易燃、易爆、易蝕、有毒及特殊氣體。 ^[10] 

現今在中國各行各業的各類機械與電氣設備中與風機配套的電機約佔全國電機裝機量的60%，耗用電能約佔全國發電總量的三分之一。特別值得一提的是，大多數風機在使用過程中都存在大馬拉小車的現象，加之因生產、工藝等方面的變化，需要經常調節氣體的流量、壓力、温度等；現許多單位仍然採用落後的調節檔風板或閥門開啓度的方式來調節氣體的流量、壓力、温度等。這實際上是通過人為增加阻力的方式，並以浪費電能和金錢為代價來滿足工藝和工況對氣體流量調節的要求。這種落後的調節方式，不僅浪費了寶貴的能源，而且調節精度差，很難滿足現代化工業生產及服務等方面的要求，負面效應十分嚴重。 ^[11] 

近幾年來，隨着電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨着一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。 ^[11]