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工廠車間通風降溫軸流通風機最佳結構設計與技術細節處理造氣爐鼓
摘要：提出了軸流通風機最佳結構設計問題，著重對產品結構型式合理化和技術細節處理規范化進行了論述。
0 引言
軸流通風機氣動設計計算完成之后要進行結構設計。氣動設計解決的是產品性能的先進性，結構設計解決的是產品結構的合理性、使用的可靠性和維護的簡便性等，并提供用于指導生產的設計圖樣。結構設計與氣動設計密不可分并相互協調。以往，國內業界在軸流通風機氣動設計與性能上研究論述較多，在結構設計上論述頗少。
與離心通風機相比，軸流通風機研發不成功的機率較大[1]，究其原因：一是結構設計與氣動設計之間的協調處理不妥；二是結構設計最佳化及其技術細節處理不當。
軸流通風機結構設計最佳化是產品結構設計的期望，通常是依據空氣動力學、結構力學、材料學和工藝學等基礎知識以及相關標準為指導，結合設計者的實踐經驗，進行具體設計實現的。軸流通風機結構設計最佳化應包含產品結構形式的合理化、產品結構組成的模塊化、產品結構技術細節處理的規范化、產品壽命的最大化以及產品維護的簡便化等內容。本文將著重對產品結構型式的合理化和技術細節處理規范化進行研討。
1關于結構型式的合理化
軸流通風機產品結構型式是依據氣動略圖確定的。產品結構型式的合理化是結構設計的前提和依據。對于管道軸流通風機，按葉尖處的流速系數和壓力高低可大致分為三類[1]。葉尖處流速系數定義為：Λ＝Va/ΩR=60Va/πDn,其中Va為軸向速度；Ω為葉輪旋轉角速度；D＝2R為葉輪直徑、半徑；n為葉轉工作轉速。
1）Λ＜0.2,此類風機壓力較低，輪轂比較小（≤0.4），單級葉輪，無導葉。
2）Λ≈0.2~0.4,此類風機壓力較高，輪轂比較大，通常在0.5~0.7,單級葉輪常有導葉。
3）Λ＞0.4,由于單級葉輪的風機壓力受到了限制，為進一步提高壓力，此類風機采用了多級型式，如二級或三級等。
上述三類風機，在進行具體結構設計時，可以有不同的結構安排或配置，從而有個合理性的問題，下面將分別加以論述。
1.1單級葉輪風機（R級）
國內有T35，T40軸流通風機系單葉輪，用于一般用途的通風換氣。T35，T40的結構型式見圖1和圖2。
由圖1可知，T35風機帶有頭罩，電動機通過支承桿與風筒相連接。進口氣流經過集流器和頭罩后進入葉輪，確保了均直的入流條件。流出氣流經支承桿和電動機后，較少加劇氣流分離。由圖2可知，T40的進口氣流經過集流器后，首先遇到電動機及其支承板，致使進入葉輪的氣流為旋流，均直氣流受到破壞。必須指出的是，設計軸流通風機時，要求從進口壁面到葉輪處的氣流應該是軸向的和不發生分離的；即穩定的、無旋轉的和軸對稱的進流是設計所必要的先決條件。對比圖1和圖2，T35的結構安排比T40更為合理，T35的壓力損失要小于T40，T35的性能必定優于T40這里需要說明的是，T35、T40的性能初始都是按GB1236-1976標準，按環面積計算風機動壓的。后來，風機行業將T35又按GB1236-85標準重新測試，采用出口圓面積計算風機動壓，并按大、中、小三種機號分別給出全壓效率值。而T40至今仍是以環面積計算動壓的，其全壓效率是偏高的。
1.2葉輪+后導葉風機（R+S級）
這種結構型式在電站鍋爐鼓、引通風機和礦井主通風機上都有應用。目前這種結構大致有兩種不同和安排，見圖3和圖4。
圖3和圖4均為電動機內置與葉輪直聯。圖3的進口氣流經由集流器和頭罩再進入葉輪和后導葉，均直的入流條件得到保證。為減少流道內氣流的壓力損失，電動機被封閉的外筒包圍，并外包筒的直徑與輪轂直徑相同。后導葉焊接在外包筒與主風筒之間。電動機采用B3安裝形式，其外露支承板可視為后導葉的一部分�？梢姡瑘D3的葉輪的均直入流條件較好。氣流經由后導葉均直地流入擴壓器的流動狀況亦較好。圖4的進口氣流經由頭罩和集流器后，再流經電動機的外包筒和外露的支承板，然后再流入葉輪，葉輪均勻的入流條件必將受到影響。而將后導葉焊于擴壓器的芯筒與外筒之間，不僅影響后導葉的功效，擴壓器的擴壓作用亦將受到影響。對比圖3和圖4可知，圖4的結構安排是不合理的。
目前，國內有些生產企業就是生產如圖4的礦用主通風機。這種主通風機的效率較低甚至很低，一個重要原因就是與這種不合理的結構安排有關。
1.3對旋風機（RⅠ+RⅡ級）
對旋風機是兩級軸流通風機的一種，其目的是提高壓力。對旋風機的兩級葉輪互為導葉，與葉輪+后導葉的兩級軸流通風機相比，其壓力特性最佳而并非效率最高，這正是對旋風機推廣應用的價值所在[2]。
對旋軸流通風機有以下三種結構安排：
1）電動機-葉輪/葉輪-電動機；
2）葉輪-電動機/電動機-葉輪；
3）葉輪-電動機/葉輪-電動機。
其中第一種配置應用較多，但由于葉輪的間距較近，噪聲最大。
由于對旋風機主要用于提高壓力，通常其輪轂比亦較大，其中0.6輪轂比使用較多。然而，自對旋風機在煤礦應用以來，一些企業竟然設計、制造了一種小輪轂比（0.4）的對旋風機。
小于等于0.4的輪轂比，通常是用來設計、制造低風壓大流量軸流通風機的，如前述的T35，T40以及冷卻塔風機、空冷器風機和射流風機等專用軸流通風機。把小輪轂比用于對旋上，從根本上背離了開發、應用對旋風機的初衷。這種為對旋而對旋的作法，實屬不當，很不可取。事實表明，市場上根本無法選用0.4輪轂比的對旋主通風機。這種對旋只能作為稀有品種保留在樣本之中。筆者深信，這種毫無意義的對旋，遲早會退出歷史舞臺。
2關于結構設計中的技術細節處理
“細節決定成敗”的理念，同樣適用于軸流通風機的設計。把結構設計中的技術細節處理得好，不僅有利于風機性能的改善，而且有利于提高使用的可靠性，延長風機壽命。根據筆者的設計實踐，以下的技術細節處理應引起人們的關注和重視。
2.1葉根的修型處理
由于結構和強度的需要，往往要對機翼型葉片根部或根部附近的切面（即過渡切面）進行修型。修型原則：將標準翼型修改成非標準翼型后，應具有良好的光滑的外形，以盡量減少對風機性能的不利影響。常用的修型方法有：改變翼型厚度；改變翼型寬度和改變前、后緣半徑。具體方法見文獻[3]。
2.2機翼型葉片的防腐、耐磨處理
大型電站鍋爐軸流引風機，工作在高溫、磨損的環境條件下；煤礦的抽出式軸流主通風機在潮濕、含塵的氣流中工作；帶水的氣流對冷卻塔軸流通風機葉片前緣造成沖蝕作用，等等。這些風機葉片都有或防腐蝕或防磨損或防腐、防磨的處理問題。
對于鑄造或鍛造的鋁合金葉片，可采用表面處理（如鉻酸陽極化）的方法防腐蝕；采用增置不銹鋼前緣包邊的方法解決磨損問題。
玻璃鋼葉片抗腐蝕而不耐磨損，通常采用耐磨橡膠制作的前緣包邊的方法防磨損。
對于煤礦至今仍使用的鉚焊結構的鋼質空心葉片，可在葉片外表面采用熱噴涂不銹鋼合金的方法提高抗腐蝕性；在迎風面噴涂鎳鉻合金以增加耐磨性能。
對于普通鋼質空心葉片，尚可采用簡便的抗磨損方法，這就是從旋轉線速度90m/s的葉片半徑處開始直至葉尖處，在葉片前緣補焊耐磨尖楔，此尖楔長度從起始半徑處向葉尖逐漸增大到弦長的3%，然后再將翼型上、下表面延伸焊接至尖楔的頂端，并使頭部的半徑變得很小，見圖5。這種耐磨尖楔在一定程度上延長了葉片的壽命而可不計對性能的影響。此方法適用于葉尖線速度不大于110m/s時。
2.3彎板葉片的補強處理
彎板葉片的最佳厚度為葉片寬度的2%。由于某種原因，當需要增補葉片強度和剛度時，可在葉片下表面焊接尖削的連接板，此板要與凹面的曲率相一致，見圖6。對于彎板葉片，這種補強方法對氣動性能的影響是很小的。
2.4流線化處理
1）彎板葉片的流線化處理
文獻[4]對T40-№.6A軸流通風機的彎板葉片前緣打圓和后緣打薄進地了實驗研究，結果表明：與原有葉片相比，葉片前緣打圓、后緣打薄明顯地提高了風機的氣動性能（全壓提高最大值為9.3%，效率提高最大值為5%）和聲學性能（噪聲下降約1.5dB（A））。對此，筆者建議，對彎板葉片進行前緣打圓、后緣打薄的流線化處理是必要的，有益的。
2）支承結構件的流線化處理
對于電動機內置的大型專用軸流通風機，為減少流道內的壓力損失，電動機外徑與輪轂直徑保持相同或相近是必要的。當電動機外徑小于輪轂直徑時，應將電動機用與輪轂直徑相同的圓筒包裹，以防止流道內的氣流發生畸變。該圓筒還可用來焊接后導葉片。若有隔爆要求時，防爆電動機應安裝于密閉的圓筒（即通常所說的隔流腔室）內。圓筒內的非防爆電動機與防爆電動機的冷卻方式是不同的，見圖7和圖8。
對于頭罩支承件、擴壓器內筒支承件以及內置電動機支承板等，在滿足強度、剛度要求的情況下，數量易少不易多，材料易薄不易厚。對著氣流方向的支承件的前緣打圓、后緣打薄為好，以盡量減少旋流的發生。
2.5動靜葉片軸向間距的安排
軸流通風機動靜葉片的軸向距離對氣動性能、噪聲特性及結構緊湊均有影響，應予以權衡考慮。
圖9給
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軸流通風機氣動設計計算完成之后要進行結構設計。氣動設計解決的是產品性能的先進性，結構設計解決的是產品結構的合理性、使用的可靠性和維護的簡便性等，并提供用于指導生產的設計圖樣。結構設計與氣動設計密不可分并相互協調。以往，國內業界在軸流通風機氣動設計與性能上研究論述較多，在結構設計上論述頗少。
與離心通風機相比，軸流通風機研發不成功的機率較大[1]，究其原因：一是結構設計與氣動設計之間的協調處理不妥；二是結構設計最佳化及其技術細節處理不當。
軸流通風機結構設計最佳化是產品結構設計的期望，通常是依據空氣動力學、結構力學、材料學和工藝學等基礎知識以及相關標準為指導，結合設計者的實踐經驗，進行具體設計實現的。軸流通風機結構設計最佳化應包含產品結構形式的合理化、產品結構組成的模塊化、產品結構技術細節處理的規范化、產品壽命的最大化以及產品維護的簡便化等內容。本文將著重對產品結構型式的合理化和技術細節處理規范化進行研討。
1關于結構型式的合理化
軸流通風機產品結構型式是依據氣動略圖確定的。產品結構型式的合理化是結構設計的前提和依據。對于管道軸流通風機，按葉尖處的流速系數和壓力高低可大致分為三類[1]。葉尖處流速系數定義為：Λ＝Va/ΩR=60Va/πDn,其中Va為軸向速度；Ω為葉輪旋轉角速度；D＝2R為葉輪直徑、半徑；n為葉轉工作轉速。
1）Λ＜0.2,此類風機壓力較低，輪轂比較小（≤0.4），單級葉輪，無導葉。
2）Λ≈0.2~0.4,此類風機壓力較高，輪轂比較大，通常在0.5~0.7,單級葉輪常有導葉。
3）Λ＞0.4,由于單級葉輪的風機壓力受到了限制，為進一步提高壓力，此類風機采用了多級型式，如二級或三級等。
上述三類風機，在進行具體結構設計時，可以有不同的結構安排或配置，從而有個合理性的問題，下面將分別加以論述。
1.1單級葉輪風機（R級）
國內有T35，T40軸流通風機系單葉輪，用于一般用途的通風換氣。T35，T40的結構型式見圖1和圖2。
由圖1可知，T35風機帶有頭罩，電動機通過支承桿與風筒相連接。進口氣流經過集流器和頭罩后進入葉輪，確保了均直的入流條件。流出氣流經支承桿和電動機后，較少加劇氣流分離。由圖2可知，T40的進口氣流經過集流器后，首先遇到電動機及其支承板，致使進入葉輪的氣流為旋流，均直氣流受到破壞。必須指出的是，設計軸流通風機時，要求從進口壁面到葉輪處的氣流應該是軸向的和不發生分離的；即穩定的、無旋轉的和軸對稱的進流是設計所必要的先決條件。對比圖1和圖2，T35的結構安排比T40更為合理，T35的壓力損失要小于T40，T35的性能必定優于T40這里需要說明的是，T35、T40的性能初始都是按GB1236-1976標準，按環面積計算風機動壓的。后來，風機行業將T35又按GB1236-85標準重新測試，采用出口圓面積計算風機動壓，并按大、中、小三種機號分別給出全壓效率值。而T40至今仍是以環面積計算動壓的，其全壓效率是偏高的。
1.2葉輪+后導葉風機（R+S級）
這種結構型式在電站鍋爐鼓、引通風機和礦井主通風機上都有應用。目前這種結構大致有兩種不同和安排，見圖3和圖4。
圖3和圖4均為電動機內置與葉輪直聯。圖3的進口氣流經由集流器和頭罩再進入葉輪和后導葉，均直的入流條件得到保證。為減少流道內氣流的壓力損失，電動機被封閉的外筒包圍，并外包筒的直徑與輪轂直徑相同。后導葉焊接在外包筒與主風筒之間。電動機采用B3安裝形式，其外露支承板可視為后導葉的一部分�？梢姡瑘D3的葉輪的均直入流條件較好。氣流經由后導葉均直地流入擴壓器的流動狀況亦較好。圖4的進口氣流經由頭罩和集流器后，再流經電動機的外包筒和外露的支承板，然后再流入葉輪，葉輪均勻的入流條件必將受到影響。而將后導葉焊于擴壓器的芯筒與外筒之間，不僅影響后導葉的功效，擴壓器的擴壓作用亦將受到影響。對比圖3和圖4可知，圖4的結構安排是不合理的。
目前，國內有些生產企業就是生產如圖4的礦用主通風機。這種主通風機的效率較低甚至很低，一個重要原因就是與這種不合理的結構安排有關。
1.3對旋風機（RⅠ+RⅡ級）
對旋風機是兩級軸流通風機的一種，其目的是提高壓力。對旋風機的兩級葉輪互為導葉，與葉輪+后導葉的兩級軸流通風機相比，其壓力特性最佳而并非效率最高，這正是對旋風機推廣應用的價值所在[2]。
對旋軸流通風機有以下三種結構安排：
1）電動機-葉輪/葉輪-電動機；
2）葉輪-電動機/電動機-葉輪；
3）葉輪-電動機/葉輪-電動機。
其中第一種配置應用較多，但由于葉輪的間距較近，噪聲最大。
由于對旋風機主要用于提高壓力，通常其輪轂比亦較大，其中0.6輪轂比使用較多。然而，自對旋風機在煤礦應用以來，一些企業竟然設計、制造了一種小輪轂比（0.4）的對旋風機。
小于等于0.4的輪轂比，通常是用來設計、制造低風壓大流量軸流通風機的，如前述的T35，T40以及冷卻塔風機、空冷器風機和射流風機等專用軸流通風機。把小輪轂比用于對旋上，從根本上背離了開發、應用對旋風機的初衷。這種為對旋而對旋的作法，實屬不當，很不可取。事實表明，市場上根本無法選用0.4輪轂比的對旋主通風機。這種對旋只能作為稀有品種保留在樣本之中。筆者深信，這種毫無意義的對旋，遲早會退出歷史舞臺。
2關于結構設計中的技術細節處理
“細節決定成敗”的理念，同樣適用于軸流通風機的設計。把結構設計中的技術細節處理得好，不僅有利于風機性能的改善，而且有利于提高使用的可靠性，延長風機壽命。根據筆者的設計實踐，以下的技術細節處理應引起人們的關注和重視。
2.1葉根的修型處理
由于結構和強度的需要，往往要對機翼型葉片根部或根部附近的切面（即過渡切面）進行修型。修型原則：將標準翼型修改成非標準翼型后，應具有良好的光滑的外形，以盡量減少對風機性能的不利影響。常用的修型方法有：改變翼型厚度；改變翼型寬度和改變前、后緣半徑。具體方法見文獻[3]。
2.2機翼型葉片的防腐、耐磨處理
大型電站鍋爐軸流引風機，工作在高溫、磨損的環境條件下；煤礦的抽出式軸流主通風機在潮濕、含塵的氣流中工作；帶水的氣流對冷卻塔軸流通風機葉片前緣造成沖蝕作用，等等。這些風機葉片都有或防腐蝕或防磨損或防腐、防磨的處理問題。
對于鑄造或鍛造的鋁合金葉片，可采用表面處理（如鉻酸陽極化）的方法防腐蝕；采用增置不銹鋼前緣包邊的方法解決磨損問題。
玻璃鋼葉片抗腐蝕而不耐磨損，通常采用耐磨橡膠制作的前緣包邊的方法防磨損。
對于煤礦至今仍使用的鉚焊結構的鋼質空心葉片，可在葉片外表面采用熱噴涂不銹鋼合金的方法提高抗腐蝕性；在迎風面噴涂鎳鉻合金以增加耐磨性能。
對于普通鋼質空心葉片，尚可采用簡便的抗磨損方法，這就是從旋轉線速度90m/s的葉片半徑處開始直至葉尖處，在葉片前緣補焊耐磨尖楔，此尖楔長度從起始半徑處向葉尖逐漸增大到弦長的3%，然后再將翼型上、下表面延伸焊接至尖楔的頂端，并使頭部的半徑變得很小，見圖5。這種耐磨尖楔在一定程度上延長了葉片的壽命而可不計對性能的影響。此方法適用于葉尖線速度不大于110m/s時。
2.3彎板葉片的補強處理
彎板葉片的最佳厚度為葉片寬度的2%。由于某種原因，當需要增補葉片強度和剛度時，可在葉片下表面焊接尖削的連接板，此板要與凹面的曲率相一致，見圖6。對于彎板葉片，這種補強方法對氣動性能的影響是很小的。
2.4流線化處理
1）彎板葉片的流線化處理
文獻[4]對T40-№.6A軸流通風機的彎板葉片前緣打圓和后緣打薄進地了實驗研究，結果表明：與原有葉片相比，葉片前緣打圓、后緣打薄明顯地提高了風機的氣動性能（全壓提高最大值為9.3%，效率提高最大值為5%）和聲學性能（噪聲下降約1.5dB（A））。對此，筆者建議，對彎板葉片進行前緣打圓、后緣打薄的流線化處理是必要的，有益的。
2）支承結構件的流線化處理
對于電動機內置的大型專用軸流通風機，為減少流道內的壓力損失，電動機外徑與輪轂直徑保持相同或相近是必要的。當電動機外徑小于輪轂直徑時，應將電動機用與輪轂直徑相同的圓筒包裹，以防止流道內的氣流發生畸變。該圓筒還可用來焊接后導葉片。若有隔爆要求時，防爆電動機應安裝于密閉的圓筒（即通常所說的隔流腔室）內。圓筒內的非防爆電動機與防爆電動機的冷卻方式是不同的，見圖7和圖8。
對于頭罩支承件、擴壓器內筒支承件以及內置電動機支承板等，在滿足強度、剛度要求的情況下，數量易少不易多，材料易薄不易厚。對著氣流方向的支承件的前緣打圓、后緣打薄為好，以盡量減少旋流的發生。
2.5動靜葉片軸向間距的安排
軸流通風機動靜葉片的軸向距離對氣動性能、噪聲特性及結構緊湊均有影響，應予以權衡考慮。
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一、概述
造氣爐鼓風機是八十年代為滿足我國化肥企業技改擴建而設計制造的專用鼓風機.它配用于氮肥廠的煤氣發生爐上,也可根據性能選作它用.該型風機流量、壓力可供選擇范圍較寬，與φ2400-φ3600爐徑煤氣發生爐配套,采用煤塊、碳化、煤球、碳棒等燃料，效果皆佳，被原化工部小氮肥司定為推廣產品。
型號說明：
二、性能參數表
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