離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流短路間隙對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的探討

信息來(lái)源：發(fā)布時(shí)間：2020-08-14閱讀：375

：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)離心通風(fēng)機(jī)普遍存在的內(nèi)部氣流短路間隙過(guò)大的問(wèn)題，進(jìn)行了一次嚴(yán)格的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果是：間隙由2mm增大到19mm，就使有效功率降低了一半。僅此一項(xiàng)造成的能源損失大約等于輸入功率的40%?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)正在生產(chǎn)和使用的離心通風(fēng)機(jī)的間隙一般都大于19mm。對(duì)此作者提出了風(fēng)機(jī)改造方案。
關(guān)鍵詞：離心通風(fēng)機(jī)；內(nèi)部氣流短路；氣流短路間隙；節(jié)能改造；性能測(cè)試

0 引言
　　目前我國(guó)普通離心通風(fēng)機(jī)普遍存在的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，就是其進(jìn)風(fēng)口與葉輪之間的間隙（也叫輪蓋間隙）太大，造成機(jī)內(nèi)大量氣流短路。這既使風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)效率大大降低，造成大量能源浪費(fèi)，又嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和工作：例如烘烤爐的風(fēng)量不夠，產(chǎn)量降低；正確設(shè)計(jì)的氣力輸送系統(tǒng)不能正常輸送物料；一套冶金或化工裝置由于總風(fēng)機(jī)抽力不夠?qū)е律a(chǎn)不正常；氣流干燥或流化床系統(tǒng)效果不佳等等。近二十多年來(lái)這方面的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重了。本人在多個(gè)機(jī)電大市場(chǎng)和工廠看到的和實(shí)際用到的4-72、9-19、G4-73、Y4-73、Y5-48等，以及塑料風(fēng)機(jī)、多翼低噪聲離心風(fēng)機(jī)，其氣流短路間隙大多在20mm以上，很多達(dá)到25~35mm，鍋爐引風(fēng)機(jī)的間隙更大。造成這種狀況的原因是多方面的：有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題、小廠管理不善、用戶采購(gòu)員不懂技術(shù)等等。但最主要的還是風(fēng)機(jī)行業(yè)的技術(shù)人員和管理人員存在的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，他們大多認(rèn)為間隙大了不好，會(huì)有些浪費(fèi)，但并不相信會(huì)造成很嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。為了弄清楚這間隙的影響到底有多大，特進(jìn)行了本次測(cè)試。
1 測(cè)試方法和儀器
　　本次測(cè)試采取自由進(jìn)口和管道出口裝置類型（B類）。
　　除非是有條件的專門測(cè)試場(chǎng)所適于用孔板、文丘里等裝置以外，一般的風(fēng)機(jī)性能測(cè)試多用L形標(biāo)準(zhǔn)皮托管做傳感器。但皮托管并不理想：風(fēng)速不能大于40m/s，有的標(biāo)明只能用于0~30m/s，精度也不高?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有數(shù)字式風(fēng)速測(cè)量?jī)x、流量測(cè)量?jī)x，靈敏又方便，但其傳感器還是皮托管。皮托管之所以不能用于高風(fēng)速場(chǎng)合，主要是因?yàn)槠潇o壓測(cè)孔開在皮托管之外壁，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，此處很難保留貼近管壁的滯留層，所以靜壓測(cè)不準(zhǔn)。
　　本次測(cè)試所用的主要儀器是小管徑全壓測(cè)量管，用Φ3.0的無(wú)縫不銹鋼圓管制作，其測(cè)量口一段逐漸縮小到直徑2mm，從測(cè)量口到直角彎的直管長(zhǎng)度為管徑的20倍以上，并有專門的固定和調(diào)節(jié)裝置，使用很方便。靜壓測(cè)孔單獨(dú)開在被測(cè)風(fēng)管壁，與全壓管測(cè)量口處于同一橫截面內(nèi)。在測(cè)量點(diǎn)前后有足夠長(zhǎng)度的情況下，可以認(rèn)為在同一個(gè)橫截面上的各點(diǎn)靜壓相等。顯示壓力用玻璃管U形壓力計(jì)。風(fēng)機(jī)為4-72A-4.5 #-7.5kW-2900r/min。風(fēng)管為DN250的PVC管，長(zhǎng)3.8m，測(cè)量點(diǎn)距進(jìn)風(fēng)端面2m，相當(dāng)于8倍管直徑。靜壓測(cè)孔直徑約2.2mm，外管直徑3mm。電壓測(cè)量用數(shù)字式萬(wàn)用電表，電流測(cè)量用初級(jí)8匝的5倍電流互感器接數(shù)字電流表。
　　風(fēng)管出風(fēng)口的軸線上有一根螺桿，移動(dòng)螺桿上的圓鋼板就可以調(diào)節(jié)閥門開度。這次的閥門開度共設(shè)7檔，圓鋼板到出風(fēng)口端面的距離分別是：0檔、1檔30mm、2檔70mm、3檔120mm、4檔200mm、5檔300mm和6檔全開。
　　為了驗(yàn)證進(jìn)風(fēng)口與葉輪之間的間隙對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，這次為一個(gè)葉輪配制了2個(gè)不同的進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)與葉輪的間隙為2mm，另一個(gè)為19mm。這樣測(cè)試完一個(gè)后，只要換裝一個(gè)進(jìn)風(fēng)口就可以再試第二個(gè)了。

3 　數(shù)據(jù)處理
　　所用PVC管并不很圓，內(nèi)徑從241mm至245mm,截面積按直徑243mm計(jì)算,而測(cè)量孔開在245mm的直徑上?？紤]到圓管中間和邊緣可能流速有差別，將圓面積平均分為三等分，即中間一個(gè)圓及兩個(gè)圓環(huán)。這三個(gè)部分的測(cè)量點(diǎn)都必須取在其內(nèi)外等面積的等分線上。這樣一來(lái)，實(shí)際上就是要將整個(gè)圓平均分成6等分，測(cè)量點(diǎn)分別設(shè)在第1、第3、第5個(gè)圓上。設(shè)這三個(gè)圓的半徑分別是R₁、R₂、R₃，大圓半徑為R=122.5mm，則可推出：
　　R₁＝(1/6)^0.5R=0.408 2R=50.00mm
　　R₂＝(3/6)^0.5R=0.707 1R=86.62mm
　　R₃=(5/6)^0.5R=0.912 9R=111.83mm
測(cè)量中，風(fēng)管內(nèi)的全壓取全壓管的讀數(shù)，動(dòng)壓為全壓與靜壓之差?？諝鉁囟群蜐穸榷冀咏鼧?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，直接取數(shù)計(jì)算，空氣密度取1.2kg/m³。電動(dòng)機(jī)的功率因素沒(méi)有實(shí)測(cè)，就取其銘牌上的0.8。
　　動(dòng)壓、靜壓、全壓分別標(biāo)為p_d、p_j、p_q，功率、輸入功率、有效功率分別標(biāo)為N、Nr、Ny，風(fēng)速、風(fēng)量、面積分別標(biāo)為U、Q、S，電流、電壓分別為I、V，則：
　　U=(2p_d/1.2)^0.5=1.291p_d^0.5（m/s）
　　Q=SU=0.785 4×0.243²×3 600U=166.968U(m³/h)
　　Ny=Qp_q/3 600 000(kW)
　　N_r=1.732IV×cosφ
　　由以上測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算公式，依次可計(jì)算出如下結(jié)果：5 討論
　　由以上數(shù)據(jù)和圖表可以看出：離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流短路間隙的大小對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響：間隙由2mm擴(kuò)大到19mm，就使風(fēng)機(jī)總效率降低了將近40%；在輸入功率減少大約1/5的同時(shí)，有效功率減少了一半。僅此一項(xiàng)所造成的能源損失大約等于風(fēng)機(jī)輸入功率的40%?？梢韵嘈?，與低壓的4-72風(fēng)機(jī)相比，高壓的9-19等風(fēng)機(jī)對(duì)間隙更敏感。
　　在JB/T10563-2006一般用途離心通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件中有規(guī)定：
　　“3.5.4 進(jìn)風(fēng)口與葉輪輪蓋進(jìn)口間的徑向單側(cè)間隙為葉輪直徑的0.15%~0.45%，軸向重迭長(zhǎng)度為葉輪直徑的0.8%~1.2%。”照此規(guī)定，直徑450mm的4.5#風(fēng)機(jī)的間隙應(yīng)為0.675~2.025mm，軸向重迭長(zhǎng)度為3.6～5.4mm。照此標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)正在使用的和正在生產(chǎn)的普通離心通風(fēng)機(jī)沒(méi)有一臺(tái)是合格的。
　　雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求很高，但若要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求在我國(guó)現(xiàn)階段是不可能的。
　　1）　設(shè)計(jì)方面的原因：據(jù)了解，我國(guó)現(xiàn)用的離心通風(fēng)機(jī)制造技術(shù)基本上還是沿用前蘇聯(lián)在上世紀(jì)四、五十年代的標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯觯L(fēng)機(jī)的發(fā)明人和后來(lái)的改進(jìn)者在流體動(dòng)力學(xué)方面考慮得很細(xì)，但對(duì)于在制造工藝中如何減少氣流短路這方面有所忽略。為了盡可能減少氣體渦流損失，將進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)成特殊的弧線形，或叫雙喇叭形（見圖7），其直徑先逐漸縮小，然后又逐漸擴(kuò)大一些，這樣就有了一個(gè)比中間的最小圓大一些的端面圓。風(fēng)機(jī)裝配時(shí)，多是先裝葉輪后裝進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口的端面圓必須小于葉輪輪蓋進(jìn)口才能裝得進(jìn)去。裝進(jìn)去以后，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的一般情況都是盡量使葉輪處于進(jìn)風(fēng)口最小圓平面內(nèi)，這樣，實(shí)際間隙為S₃,S₃=S₁+S₂,這就必然有相當(dāng)大了。即使是進(jìn)風(fēng)口端面正好處于葉輪輪蓋進(jìn)口平面內(nèi)或稍許進(jìn)去一點(diǎn)，這樣間隙可以達(dá)到最小，但在以后的檢修和熱膨脹都可能改變?nèi)~輪的軸向位置，也就會(huì)加大間隙?！?）　制作方面的原因：現(xiàn)在的絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)廠都是人工冷作，工件的尺寸精度、圓度、同軸度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，光是圓度誤差就超過(guò)間隙標(biāo)準(zhǔn)要求的幾倍；再加上工人技術(shù)不熟練、企業(yè)管理不嚴(yán)、市場(chǎng)對(duì)“間隙”沒(méi)有要求，所以一般的間隙都很大。一些塑料風(fēng)機(jī)、多翼低噪聲風(fēng)機(jī)的軸向間隙在20~35mm，顯然是生產(chǎn)者和采購(gòu)者都沒(méi)有這方面的意識(shí)。
　　3）　政府缺乏技術(shù)監(jiān)督：過(guò)去有地方政府的行業(yè)監(jiān)督，對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品實(shí)行抽樣測(cè)試，現(xiàn)在沒(méi)有了。
　　現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)廠都把用于較高溫度場(chǎng)合的鍋爐引風(fēng)機(jī)等的間隙留得特別大，理由是考慮熱膨脹。其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)。因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口是插在葉輪里面的；而且葉輪的溫度總是略高于進(jìn)風(fēng)口，因?yàn)闊釟饬鲗?duì)葉輪的對(duì)流換熱最好，對(duì)風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)口的傳熱要差一些，而且進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)管還有對(duì)外散熱的問(wèn)題，葉輪則沒(méi)有。所以，當(dāng)氣體溫度升高后，兩者之間的間隙不是變小了，而是增大了，所以鍋爐引風(fēng)機(jī)等高溫風(fēng)機(jī)也不必加大間隙。
　　要想真正解決我國(guó)的離心通風(fēng)機(jī)間隙問(wèn)題，避免嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，只有采取一個(gè)辦法：改變風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和加工方法，將葉輪和進(jìn)風(fēng)口的配合部分改成圓柱面，并實(shí)行車削加工（見圖8）。只有這樣，才能達(dá)到必要的尺寸精度、圓度和同軸度，才能使氣流短路間隙不會(huì)因葉輪位置難以避免軸向移動(dòng)而改變?！∽?010年上半年以來(lái)，我們根據(jù)此方法改造了1臺(tái)舊風(fēng)機(jī)，又在風(fēng)機(jī)廠定制了3臺(tái)，總共4臺(tái)。第一臺(tái)間隙2.55mm，第二、三臺(tái)間隙1.5mm,第四臺(tái)間隙2mm（就是這次測(cè)試用的）。投入使用后風(fēng)量、風(fēng)壓都明顯大了。這樣的改動(dòng)所增加的氣流阻力損失應(yīng)是微乎其微的，制作成本也增加不多，目前這項(xiàng)技術(shù)已獲得專利。
　　4）　節(jié)能改造的效益估計(jì)
　　在全國(guó)離心通風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量和用電量，目前沒(méi)有參考數(shù)據(jù)。估計(jì)裝機(jī)容量和用電量大約都占到總量的1/10以上。按照這個(gè)比例，2010年全國(guó)發(fā)電量41　413億kWh，因?yàn)橥L(fēng)機(jī)間隙增大的原因平均浪費(fèi)40%的電量，按0.5元/k·Wh計(jì)算，全國(guó)離心通風(fēng)機(jī)因此而浪費(fèi)的總電價(jià)值為828億元/年。大量節(jié)約電能，就能減少以煤發(fā)電的環(huán)境污染，減少煤礦礦難。風(fēng)機(jī)質(zhì)量大幅提高對(duì)使用風(fēng)機(jī)場(chǎng)所提產(chǎn)降耗、改善環(huán)境也都大有裨益。
6 結(jié)論
　　測(cè)試結(jié)果表明，離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流短路間隙的大小對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響：間隙由2mm擴(kuò)大到19mm，就使風(fēng)機(jī)總效率降低了近40%；在輸入功率減少大約1/5的同時(shí)，有效功率減少了一半。僅此一項(xiàng)所造成的能源損失大約等于風(fēng)機(jī)輸入功率的40%。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)正在生產(chǎn)和使用的離心通風(fēng)機(jī)中多數(shù)間隙在19mm以上，還有很多在30mm以上，浪費(fèi)的電能比例更大。要想改變這種局面，必須改變離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和加工方法，將進(jìn)風(fēng)口和葉輪的配合部分改成圓柱面并進(jìn)行車削加工。