国产大功率磁悬浮鼓风机应用浅析
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国产大功率磁悬浮鼓风机应用浅析
国产大功率磁悬浮鼓风机应用浅析
胡志强2&&&
（亿昇（天津）科技有限公司& 天津&& 300457）
摘要：在某3万吨的污水处理厂提标改造中，由于需氧量的增加，需要加大鼓风机流量；同时为响应国家提出的污水处理节能减排的要求，经过污水厂筛选，采用一台国产磁悬浮高速离心式鼓风机替代高能耗的罗茨鼓风机，满足现场供氧量的需求。自运行到现在性能稳定可靠，节能效果明显，降低噪音。
关键词：国产磁悬浮鼓风机；污水处理厂；节能效果
1、应用背景
某市政污水处理厂建于2006年，2007年1月份投入运营，2010年扩建总规模达到6万吨，实际处理量5.5-6万吨。采用是A2O工艺，原采用是罗茨鼓风机，单机风量58m3/min,升压70KPa,功率132Kw，运行两用两备，电耗高，噪音大120dB，故障率大。原设计出水水质达国家一级B标，现要求出水水质要求达国家一级A标准，需要进行提标改造。
2、改造需求
改造前后的进出水水质：
进水mg.l-1
出水mg.l-1
出水mg.l-1
由于出水质要求提高，需氧量相应提高，风机流量要求110m3/min，而原有罗茨鼓风机已经应用多年，齿轮间隙增大，使叶轮间隙和侧间隙增大，效率下降很大，风量很不能满足要求，需要更换或开启三台才可以满足需求。改造前电耗成本占整个污水处理成本的75%，而风机用电占整个污水用电量的70%，也就是曝气风机的运行成本占污水处理成本的一半，因此选择节能的曝气风机迫在眉睫。
3、风机的选型
根据国家《城镇污水处理厂运营质量评价标准》的要求，对污水处理厂的用能提出来要求，必须降低能耗，降低噪音，不可造成二次污染。所以该污水处理厂在选择风机时首先关注的是新式高速离心式鼓风机，并对风量、升压、轴功率相同的进口磁悬浮鼓风机、进口空气悬浮鼓风机和国产磁悬浮鼓风机进行了选型比较,具体如下。
进口磁悬浮鼓风机
进口空气悬浮鼓风机
国产磁悬浮鼓风机
电磁力控制，每秒超过万次的检测，校正
5000rpm以上悬浮，低速时机械轴承支承
电磁力控制，每秒超过万次的检测，校正
0到110%额定压力
30KPA-110%额定压力
0到110%额定压力
空气质量要求
核心部件轴承等
取决于轴承
对操作人员要求
依靠国外支持，服务时间长
依靠国外支持，服务时间长
ABS、Piller
K-TURBO、NUROS
通过以上的综合对比，该污水厂选择了亿昇（天津）科技有限公司生产的国产磁悬浮鼓风机。
4、国产磁悬浮鼓风机介绍
亿昇磁悬浮高速离心式鼓风机采用拥有自主知识产权的飞旋TM5自由度磁悬浮轴承支承的高速永磁同步电动机主轴与高效三元流叶轮直接连接，省却了机械传动损失，实现无接触、无摩擦转动，免除润滑系统。该风机采用变频调速和智能化控制，调控范围广，适应于水位和水质的多变工况，并且可是实现就地和远程监控。
4.1飞旋TM磁悬浮轴承
飞旋TM5自由度磁悬浮轴承是借助电磁力使电机主轴悬浮，位移传感器监测主轴位置，将位移偏差信号反馈给轴承控制器，轴承控制器通过计算后通过调整电流调整磁轴承周边的磁力大小，促使主轴始终保持在轴承中心转动。
4.2高速永磁同步电机
高速永磁电机的主轴上安装永磁铁，保证
主轴磁性。电机的定子硅钢片缠绕的线圈，
产生震荡磁力，在运转过程中转速和震荡
磁场保持一致，实现同步。高速永磁同步
电机具有效率高，转速高，易于控制的优点。
4.3三元流叶轮
& 三元流叶轮采用高强度铝合金材料，经过CAE有限元分析，保证强度的同时，最大限度的降低转动惯量。叶轮采用后弯式设计，采用CFD气动设计，效率高，工况范围广。
叶轮CAE计算图&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&CFD流场计算图
4.4智能控制系统
国产磁悬浮鼓风机采用无矢量变频控制，调节转速控制风机流量和升压，满足各种工况使用。智能控制系统可以预测喘振和实现就地控制。设备安装了GPRS系统可以实现远程监控和数据的传输。
5、设备的安装
磁悬浮鼓风机整体采用撬装结构，设备将风机本体、控制系统、过滤系统等集成到箱体结构中，安装简便。直接将鼓风机放置在污水处理厂房内备用风机平台上，连接排气管路就完成施工。总施工费用加材料费用不超过1万元，安装施工1天内完成。
6、节能对比
众所周知，对离心风机来讲风机的风量与风机的转速成正比，升压与风机转速平方成正比，功率与风机转速的立方成正比，提高风机转速对风量和压力都明显高于功率，因此高速离心式风机比普通的风机节能优势明显；由于磁悬浮风机本身无接触，无摩擦，没有传动损失，无多余功耗损失；永磁同步电机的效率比普通电机的效率高5-7%；还有磁悬浮风机本身变频调速，根据工况需求调节转速，来调节风量和压力，不会放空浪费。综上所述，磁悬浮鼓风机节能效果明显，比原有风机节能45%。以下是污水厂改造前后各选一周的风机运行耗电记录表，通过对比可以很清晰的得出。
6月15日到6月21日，每12小时用实际用电量曲线图：
改造前：经过计算6月15日到21日，平均每天耗电5385K
（二）7月15日到7月21日，每12小时实际用电量曲线图：
改造后：经过计算7月15到21日，平均每天耗电量为为3218K
根据以上的测量结果可以得出：
节电率：Ψ==40.2%
每年可以节约电量：W=()×365=790955KWh
每度电工业用电按0.8元计算
可节省电费：790955×0.8=632764元
每年可减少碳排放量：Tec=790955×320÷106=253.1吨
每年可减少二氧化碳排放量：TCO2=790955×0.75÷吨
通过计算可以看出，国产磁悬浮鼓风机的节能效果明显，每年可节约253吨标准煤，可减少593.2吨二氧化碳排放。如果国产磁悬浮鼓风机在全国污水厂推广应用，将大大减少二氧化碳排放量，提高空气质量，还大家蓝天白云。
7、运转效果
设备自7月份运转到现在，设备运转平稳，节能效果明显，现场噪音明显下降，设备1m处噪音83dB。经过两个月的运转证明，国产的磁悬浮鼓风机技术已经非常成熟，完全可以取代进口磁悬浮鼓风机，为污水处理厂降低采购成本和运行成本，节约维护成本。国产磁悬浮鼓风机的面世，将为污水处理行业带来革命性的变化，将为国家的节能减排事业做出更大的贡献。
参考文献：
［1］张克危等&
流体机械原理& 机械工业出版社，2000.5,
［2］（瑞士）Gerhard Schweitzer（美国）Eric H.Maslen等著& 徐旸、张剀、赵雷译& 磁悬浮轴承—理论、设计及旋转机械应用& 机械工业出版社 2012.3［3］
［3］华东建筑设计研究院有限公司.给排水设计手册（第4册，第二版）［M］.北京：中国建筑出版社，2002.
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每一件产品都有属于自己的优势，对于这个我们也是毫无疑问的，对于产品的优势我们也是很清楚的明白可以成为我们选择该产品的比较重要的因素。当我们选择空气悬浮高速离心鼓风机时，空气悬浮高速离心鼓风机吸引我们的优势又是什么呢？现在我们就一起来看看吧。 &
1、叶轮采用三元流动理论设计，应用流动分析技术预测鼓风机的性能，使多变效率高达82%。 &
2、风机采用轴向进气导叶及扩压器调节装置，流量调节范围为额定流量的45%～110%，使其在非额定工况下运行也有较高的效率。 &
3、油箱采用组装式整体结构，鼓风机本体组装在齿轮增速箱的壳体上，润滑油系统、电机及齿轮增速箱紧凑的布置在共用底座上，底座兼作油箱。 &
4、转子经严格动平衡后，振动小，可靠性高，整体噪音低。转动惯量小，机组的启动、停车时间短，它与同流量和压力的多级离心鼓风机相比，能耗小，重量轻，占地面积小。 &
在安装上如果有在安装选地上选择不合适的话，会降低机器的性能和寿命。在开始安装之前，请务必参照以下两点： &
1.请将鼓风机安装远离墙壁或其它产品至少1米远，有利于确保维护过程中的安全性以及空气的流通。 &
2.在通风的情况下，机器运行温度在0℃至50℃之间.如温度在0℃以下，请安装在拥有供热系统的地方。 &
空气悬浮高速离心鼓风机在空气中含盐量过高、含灰尘过多的地方都会出现腐蚀的情况，所以注意防止灰尘进入鼓风机中，这也是我们在使用高速离心鼓风机时要注意的，避免出现意外！&漳平市空气悬浮鼓风机推荐
来源 ：网络
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罗茨风机设备维修准备工作
&1、罗茨风机设备维修准备工作&
①送交热力工作票
②三方确认安全措施
2、罗茨风机设备解体
①拆下罗茨风机皮带防护罩梅花扳,解下三角皮带,用拉马拉下皮带轮,取下消声器,梅花扳,吊罗茨风机到工作场所,放尽前后油箱内的润滑油,用梅花扳取下油箱,甩油盘,用螺丝顶出轴座和轴承取下调整片,取出轴座。
②拆罗茨风机的安全罩螺栓,拆轴器螺栓和拆电动机底脚螺栓,吊出电动机,用拉马拉出轴器取下键。拆罗茨风机底脚螺栓和出口法兰螺栓,吊下罗茨风机。
③先将罗茨风机油箱内的润滑油放在油桶内,放尽后,用拉马拉出轴器。
④拆罗茨风机前轴承盖螺母,取下轴承压盖,拆轴承调节螺栓,取下调节片,用螺栓顶出轴承座和轴承,然后卸出轴承和挖出骨架封圈。
⑤拆罗茨风机后油箱螺栓。取下油箱,拆同步齿轮螺母,取下垫圈和同步齿轮,注意要做好标记之后方能取下同步齿轮。
⑥拆罗茨风机轴承螺母,取下止动垫圈,拆轴承座螺栓,取下调整片,用二支稍长的螺栓,对称顶出轴承座和轴承(注意在顶前后轴承座时二支顶螺栓用力要一致,以防轴承座受力不均后顶碎轴承座。
⑦将前后拆出的零件放在二只油盘内,不要将前后零件混淆。
⑧拆罗茨风机前、后墙板时要注意安全,不要将主轴和从轴上的密封碰坏。然后将主动转子和从动转子从机壳取下,拆下来的零件要做好标记。
⑨将拆下来的零部件用柴油一一清洗干净,轴承要用汽油清洗干净,清理齿轮箱、机壳、叶轮时不准用回丝,要用刀口布揩干净,不符合要求的零部件要更换。
3、罗茨风机设备的清洗和检查
①检查罗茨风机主、从动叶轮和主、从动轴的情况 (一般情况叶轮不拆下来),叶轮和轴有无磨损和弯曲及裂缝现象。
②检查罗茨风机轴承磨损情况,将清洗干净的同步齿轮一一检查有无断裂和磨损严重。如有断裂或有裂纹,及轮齿发光现象,则要更换同步齿轮。
③检查罗茨风机的后墙板和机壳有无磨损,有无裂纹,如磨损严重或有裂纹则要求更换。
④检查罗茨风机前后轴承座有无损坏,如有损坏，则要更换轴承座。
4、将检查过或更换的罗茨风机部件进行组装
①将罗茨风机前墙板装上,用螺栓拧紧,再装上后墙板,用螺栓拧紧。
②将罗茨风机轴承装入轴承座内,然后装入前后主、从动轴颈上,旋上螺栓,放好调整片。
③罗茨风机的转子轴向间隙,可过位于罗茨风机前墙板的轴承座端的一组调整垫片进行调整,边调整边测量叶轮与前墙板的间隙,如达不到要求,则要将前墙板与机壳之间加纸垫片。然后再调整叶轮与前墙板的间隙。后墙板与叶轮之间的间隙必须大于前墙板与叶轮之间的间隙0.05毫米以上,然后拧紧前后轴承座,再进行复验一次。
④叶轮与叶轮之间的间隙可过同步齿轮来调整,拆卸同步齿轮部的定位锥销,变更齿轮圈和齿轮毂的定位位置,从而达到调整叶轮与叶轮之间的间隙。调整好后,紧固齿轮圈与齿轮毂的紧定螺钉,再将轴上的螺母拧紧,并将止动垫圈的爪嵌入螺母槽中,再检验一下间隙有无变动。
⑤装上罗茨风机的前轴套和甩油盘,拧紧螺母,前油箱装入二只骨架油封,装在前墙板上,用螺栓拧紧。装上三角皮带轮,最后将组装好的罗茨风机运到现场,吊入底座拧上螺栓,装上消音器拧紧法兰螺栓。
⑥电动机安装:将修好的电动机从电气车间有关班组取回,放好键装上三角皮带轮,吊入底座拧上螺栓。
⑦三角皮带轮调整好后,拧紧电动机底脚螺栓,装上安全罩,拧紧螺栓。
5、罗茨风机试转，知电气车间有关班组进行接电动机的电源线,然后电试转,将出气管装上拧紧法兰螺栓。最后加润滑油主油位批示中心线。
6、5S工作 做好罗茨风机设备和检修场地的清洁工作。
罗茨风机是由英国乔治京斯于1849年发明创造的，后来由美国罗茨兄弟(Roots Brother)对其进行改进并推，逐渐得到泛地认识和应用，因罗茨兄弟申请了“Roots”（罗茨）商标，所以的又将其称之为“Rotaryblower”,传入我国被翻译成“罗茨风机”，是一种容积式恒流量的气体输送设备，在同一转速下，系统阻力造成的压差越大时，流量也会因此造成内泄量的加剧，并使微量损耗成正比，所以，在选型高压风机时，可选理论流量稍高一点的罗茨风机，来弥补这一缺陷；另外，它具有憋压特性，即它的压力来自于系统本身的反作用力，该反作用力具有强制的特性，该特性因此被称之为“硬风”，而罗茨风机还有一个缺点，就是噪音高，特别是随着压力的上升而升高，随着环保部门，对噪音要求的不断提高，也是罗茨风机发展所必然面临要解决的问题，目前，治理噪音的手段是为风机添加隔声罩；不过，因其具有的强制鼓风的特性，在没有合适的产品代替它时，即便这一问题没有很好地解决，也无法在很多场所淘汰它；多级离心风机或者高速风机虽然压力能达到罗茨风机的一样的压力，但其特性终究是“软风”，即靠离心力所产生的风压，没有强制性，所以，当客户需要高压力和要求流量稳定时，罗茨风机是首选。
我国最早生产罗茨风机的时间是1947年，由“中国柴油机股份公司”生产，因当时技术原因还无法做到一台风机既能鼓风又能抽风，所以把只能用于鼓风的称“罗茨鼓风机”，把只能用于抽风的称“罗茨真空泵”。在上世纪八十年代，为了行使行业的规范化及产品的用化的战略，由机械部将国内当时生产罗茨风机的厂家组织起来，成立了合设计组，从新制定了罗茨风机的具体结构和尺寸，称之为新L系列罗茨风机。但随着九十年代中期，山东章丘引进了日本大晃的罗茨风机生产技术后，由此，国内的罗茨风机市场逐步进入了多样化，和激烈竞争的轨道！
2.罗茨风机的性能参数及技术要求：风机的性能参数是风机使用者对风机选型所依靠的重要指标，而风机的技术要求则规定了风机的使用方向，设计及制造要求。
为了提高罗茨风机性能、降低噪声污染、满足环保要求,工程师们想尽了各种对策。昶盛从罗茨鼓风机噪声源着手,在制造精度方面提出降低噪声的一些方法。
精度的提高意味着产品成本的增加,但为了满足所需性能,又不得不提高相应方面的精度。下面就为满足低噪性能方面提出应提高的精度。
叶轮表面质量及平衡
叶轮表面质量主要取决于材质及加工质量。对于小叶轮,一般选择铸钢或球墨铸铁,并与轴铸成一体,大叶轮选择HT200 ,粗糙度为Ra3. 2 ,在数控机床上加工,取较小的走刀量,可获得较低的粗糙度;转子平衡至少应保证G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
&&进行测量时,风机各转动部件位置必须正常否则测定数据不准确,确定各加工尺寸容易产生误差。
轴承作为易损件,一般的企业都不愿提高其精度使产品成本增加,这样往往得不偿失。因为低精度轴承产生较大的振动和摩擦,且其作为整个机器的装配基准,对整机性能及其它零部件的寿命都有至关重要的影响。国外罗茨风机的轴承精度一般至少相当于我国的C 级标准。
齿轮间隙、运动准确性、齿向精度等直接决定着叶轮啮合的均匀性及平稳性,齿面粗糙度又是摩擦噪声的主要来源之一。因此,按国标要求齿轮精度应保证在7 级以上,而一般机械加工厂的齿轮加工、检测手段往往不强, 使精度不能满足要求。所以齿轮加工最好是与专业的齿轮加工厂协作。
光滑的风道表面能让气流顺利过,不仅有利于减少损失,而且能大大减少因气流流动受阻而带来的啸叫声,因此,管道内壁应尽量降低粗糙度,减少弯道数量;进出风口不宜处于急变流场,应由方变圆光滑过渡。若系统中有多个管件,如弯头、支管等,则它们之间的距离应拉开5~10 倍管径。
采用消声、隔声、隔振等措施
除了在结构及制造精度方面控制噪声外,在轴承、齿轮、密封处应使用优质的润滑油,进出风口配设消声器,整机及配套设备设计隔声罩,有条件的地方可将罗茨风机置于地下室工作或选择水下罗茨鼓风机进行隔声、隔振等。
创新结构设计与噪声治理
“一种低噪声罗茨鼓风机”就是针对降低二叶罗茨鼓风机气动噪声，在噪声声源降噪的产品。其主要结构就是将罗茨鼓风机的排气口设计为双螺旋气口，并设有变径消声腔。当基元容积与排气口相时，高压回流气体同时从双螺旋气口两侧进入基元容积腔内，与单螺旋气口相比，相同时间内回流气体的体积增加一倍，回流流速降低一半，故回流冲击脉动强度降低，从而降低了噪声。
不仅如此，双螺旋气口使的高压回流气体从两封口同时回流，其冲击作用在基元容积腔内相互作用、相互抵消，最终对风机侧板基本不形成冲击力，能很好的降低噪声。与此同时，双螺旋风口降低高压气体对叶轮轴的挠度影响，使得运行更可靠，这样的结构，还提高了抗超负荷的能力。而且，罗茨鼓风机内部成整体，使其的抗挤压能力和抗拉伸能力得到很大提高。最后，除了采用以上办法降低启动噪声和机械噪声外，还设计有变径消声腔干涉消声，使得噪声大大降低。
罗茨鼓风机每次吸入、排出的风量很大并有突变现象,从而产生较大的噪声,被称之为机械产品的“声老虎”,特别是在高压的情况下尤甚,且风量越大、压力越高、转速越快,则噪声就越大,而现代化大生产又希望罗茨风机能提供更高的压力和更大的风量。为了提高风机性能、降低噪声污染、满足环保要求,工程师们想尽了各种对策。本文从噪声源着手,在设计与制造方面提出降低噪声的一些方法。
机械噪声主要来源于机壳的振动, 使机壳发生振动的原因主要有两个:①叶轮的转动不平衡力,过传动构件转移到机壳上,对机壳产生周期性的激励;②机壳内的涡流强度所决定的压力脉动,常与叶片的基频(即叶片过频率)有系,也对机壳产生周期性的激励。罗茨鼓风机的风压越高,这一激励源越不能忽视。噪声测量测量罗茨风机噪声的目的就是为了对被测对象进行噪声等级的、评价或声源识别,以便采取适当的措施进行噪声控制。常罗茨风机的噪声识别方法有现场测量法、声功率测量法、表面振动测量法等,其中,现场测量法是工程实际中常用的方法。现场测量法过对数据、频谱的确定主要的噪声辐射源,方法简便,测量结果能真实反映风机的振动与噪声水平,但易受环境的影响。声功率测量法反映噪声源辐射强度与辐射特性,避免了声压级易受测量距离和测量环境影响的缺点。振动测量法是根据罗茨风机的表面振动速度来估计表面辐射声功率,主要困难在于罗茨风机零部件辐射比的确定,需要测量较多的数据和进行大量的计算。
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