本發(fā)明涉及一種曝氣風機制造領域，特別是涉及一種磁懸浮高速離心式曝氣風機及其制備方法。
背景技術：
隨著我國對環(huán)境污染治理力度的加大，政府對環(huán)境方面的投入逐年增加，污水處理行業(yè)迎來了難得的發(fā)展的高峰期，整個規(guī)模高速增長。“十二五”時期前3年我國城市污水處理廠日處理能力年平均增長率為6.6%，“十二五”期間全國城鎮(zhèn)污水處理及可再生利用設施建設規(guī)劃投資近4300億元，其中，各類設施建設投資4271億元，環(huán)保的需求及相關政策要求，為先進的污水處理設備的研發(fā)及應用提供了廣闊的發(fā)展空間，目前，污水處理工藝和設備種類繁多，其中使用最普及、運行數(shù)量最多、最成熟的技術是活性污泥法，當污水處理工藝采用活性污泥法工藝時，曝氣鼓風機也是處理工藝的核心設備之一。在城市污水處理中，鼓風機的風量與污水處理量（容積）的氣水比一般為3-10，我國通常為6.7-7，在工業(yè)污水處理中，由于廢水濃度大，氣水比可高達35，城市污水處理過程中，由于季節(jié)變化，每天污水的處理量和溶解氧濃度也變化。因此，要求運行中的鼓風機在恒定壓力條件下自動調(diào)節(jié)所需的風量，而且要求流量調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)效率高，以保證系統(tǒng)優(yōu)化運行，達到高效節(jié)能的目的。污水處理廠能耗成本占其運營維護成本的40-80%，其中曝氣供養(yǎng)過程中鼓風機的能耗占總能耗比例較大，達到整個污水處理廠能耗的50-60%。清華大學對我國559座城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗狀況做了分析，分析結(jié)果表明，曝氣鼓風機能耗占污水處理廠總能耗的57%，因此大型城市污水處理廠為降低運行成本，對曝氣鼓風機的節(jié)能提出了嚴格要求。
目前，絕大多數(shù)污水處理廠使用的曝氣鼓風機尺寸及重量較大，不僅增加了地基處理及鼓風機的土建投資，而且增加了安裝工程費用，噪音較大，維護成本較高。因此，選擇低噪音、安裝維護方便、且在污水處理廠全生命周期內(nèi)成本最低的鼓風機是今后污水處理行業(yè)曝氣鼓風機的發(fā)展趨勢。
針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，采用先進的變頻調(diào)速、磁懸浮軸承以及高速永磁同步電機等技術，取消了傳統(tǒng)單級高速離心鼓風機的齒輪增速組件及潤滑系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)風機，效率低、噪音大、能耗大、體積及重量大和流量調(diào)節(jié)性能較差等缺陷，可實現(xiàn)就地和遠程控制，風機效率達到83%；風機噪音在80db以下；實現(xiàn)風量、風壓、轉(zhuǎn)速等的智能調(diào)控，而且要求流量調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)效率高，以保證系統(tǒng)優(yōu)化運行，達到高效節(jié)能的目的，整機采用撬裝結(jié)構(gòu)，布置緊湊，安裝便捷，生產(chǎn)線先進合理，具有較高的經(jīng)濟效益，將有廣闊的市場前景。
本發(fā)明的目的是通過如下方案實現(xiàn)的：
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，包括單級高速離心式風機，磁懸浮軸承和高速永磁同步電機三部分主件組成，所述的單級高速離心式風機，磁懸浮軸承和高速永磁同步電機分別設置在機體的左上端和右側(cè)及左下端，其中，所述單級高速離心式風機上設有葉輪，蝸殼，型環(huán)，轉(zhuǎn)盤，小葉片，小齒輪，轉(zhuǎn)柄，襯套，風門殼體，轉(zhuǎn)盤上端設有調(diào)節(jié)銷并由螺母緊固，小齒輪和轉(zhuǎn)柄之間設有彈簧圈，所述的磁懸浮軸承中心端設有電機心軸，定向傳感器轉(zhuǎn)子部件，鏡像磁軸承轉(zhuǎn)子部件-徑向端，輔助軸承部件，定向傳感器定子部件，徑向磁軸承定子疊片-徑向端，徑向磁軸承定子屏蔽蓋，電機心軸與葉輪直接相連，徑向磁軸承定子屏蔽蓋上端由螺釘固定，所述的磁懸浮軸承的左下端分別設有輔助軸承轉(zhuǎn)子擋圈，推力盤，軸向軸承墊片，徑軸向傳感轉(zhuǎn)子部件，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子部件-軸向端，彈性擋圈，所述的磁懸浮軸承的左上端分別設有徑向磁軸承定子疊片-軸向端，軸向端外殼，徑軸向傳感器定子部件，軸向軸承部件，輔助軸承墊片，輔助軸承部件-軸向端；所述的高速永磁同步電機固定在電機座上端，電機座上端設擋圈并由內(nèi)角螺絲固定。
所述蝸殼的形狀選擇圓截面。
所述的電機心軸與葉輪直接相連處的一端設整流罩，并設熱圈，由螺栓固定。
所述小葉片下端設有彈簧圈，襯套。
所述的磁懸浮軸承2左側(cè)外端設有屏蔽罩。
所述的一種磁懸浮高速離心式曝氣風機的制備方法，其制備方法的具體實施步驟為：
單級高速離心風機：采用設計軟件進行三元流葉輪初步設計，通過cfd軟件進行分析與優(yōu)化，最后定型；再進行另一關鍵部件蝸殼的設計計算，考慮氣體從葉輪和擴壓器出來時具有很大的旋繞，在排氣室不同截面處氣體的流量將不一樣，設計的蝸殼通流截面沿著氣流旋繞方向逐漸增大，通過優(yōu)化設計讓氣體在蝸殼內(nèi)的流動損失最小，蝸殼的性能分析需要通過通流部分的整級數(shù)值模擬計算來完成。關鍵部件三元流葉輪采用高強度航空鋁，后彎式設計，五軸聯(lián)動高速銑削成型，經(jīng)過cae分析、100%x射線探傷和115%的超轉(zhuǎn)速試驗。
步驟1：設計參數(shù)整理
1.1用戶提供的設計參數(shù)
流量：4800m3/h
當?shù)卮髿鈮海?.013bar
升壓：0.7bar，最高升壓：1.1bar
平均進氣溫度：30℃
平均濕度：70%
輸送介質(zhì)：空氣
1.2設計參數(shù)的整理與計算
風機進口增加消音器和過濾器，壓力損失分別為200pa和1500pa，所以平均進氣壓力：99600pa
進氣溫度：30℃
進氣濕度：70%
進氣狀態(tài)氣體的密度（
（根據(jù)公式
進氣流量：81.5m3/min
步驟2：氣動計算
根據(jù)設計參數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)速優(yōu)化，額定轉(zhuǎn)速確定為24000r/m，葉輪采用半開式，在半開式葉輪設計中，在高轉(zhuǎn)速運行時，容易在葉輪進口處形成氣流堵塞，因而常常從進口處縮短一半葉片數(shù)的葉片軸向尺寸，形成長短葉葉輪結(jié)構(gòu)，也就是帶有分流葉片的葉輪形式，減小葉片在進口時對流動的阻塞，此時短葉片的位置應該優(yōu)化確定。
采用numeca軟件進行葉輪的性能分析計算，采用單通道模型進行計算。計算結(jié)果表明風機性能滿足設計要求，計算得出風機的最高轉(zhuǎn)速為27000r/m，最大軸功率為138.5kw。
步驟3：機殼的設計
3.1進氣室的設計與計算
采用軸向進氣形式，用于單級懸臂式鼓風機或者增壓器中。
3.2進口可轉(zhuǎn)導葉機構(gòu)的設計
可調(diào)進口導葉是安裝在葉輪進口前的一組葉片，可以繞自身的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一個角度就是一個導葉安裝角，氣流在進入葉輪之前速度方向發(fā)生改變，導葉葉型是通過數(shù)據(jù)庫提取并進行優(yōu)化設計。導葉旋轉(zhuǎn)角度與流量、效率的關系曲線通過實驗測得；
進口可轉(zhuǎn)導葉調(diào)節(jié)方式：通過控制電力驅(qū)動器控制進口導葉調(diào)節(jié)機構(gòu)的連桿前后運動，通過連桿的前進和后退帶動導葉外的環(huán)型件繞著風機進口中心線做圓周運動，進而通過連接件帶動導葉繞著各自的中心軸旋轉(zhuǎn)已達到控制導葉開關。
3.3排氣蝸殼的設計
目前鼓風機蝸殼設計方法，基本上都是采用動量矩不變的理論進行設計的，即：
蝸殼的形狀選擇圓截面蝸殼；
對蝸殼進口半徑r4為等直徑的圓截面蝸殼，按下列公式計算圓的截面半徑：
式中：
根據(jù)不同
機殼設計好后整機進行數(shù)值模擬計算，風機的效率為84.5%。
步驟4：進口可轉(zhuǎn)導葉
4.1，采用ansys程序計算出葉片的真實應力值，該程序得出的應力值安全系數(shù)取1.0，計算出的最大應力值應不大于選用材質(zhì)的許用應力；
7a09鋁棒力學性能抗拉強度σb(mpa)：≥530,伸長應力σp0.2(mpa)：≥400；
葉根處的計算存在偏差，采用熱點應力法對葉根處的應力進行校核計算：
a類結(jié)構(gòu)熱點應力計算方法
對于不超過0.4t的細網(wǎng)格，應按下式計算其結(jié)構(gòu)應力：
式中
b類結(jié)構(gòu)熱點應力計算方法
對于不超過4mm的細網(wǎng)格，應按照下式計算其結(jié)構(gòu)應力：
其中
取葉根處最大的應力點位置為熱點，進行熱點應力計算，
步驟5：轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算
采用ansys軟件的模態(tài)分析模塊計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；
可以計算得出轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為48060r/min，風機的最大轉(zhuǎn)速27000r/min避開了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。同時計算出轉(zhuǎn)子的模態(tài)陣型。
步驟6：與電機的連接
電機與葉輪直聯(lián)，無齒輪增速裝置，無任何機械接觸，無需潤滑油系統(tǒng)，沒有磨損及能量損耗，維護費用較低；
根據(jù)公式
p：軸功率（kw）
n：轉(zhuǎn)速（r/min）
額定工況軸功率105kw，轉(zhuǎn)速24000r/min時，扭矩為41.8n·m；
軸功率138kw，轉(zhuǎn)速26800r/min時，扭矩為49.2n·m；
安全系數(shù)取2，摩擦面需要傳遞的扭矩為98.4n·m；
計算出所需摩擦力f1=98.4/0.012=8200n；
需要的螺栓預緊力：f2=8200/0.17=48235n；
m24螺栓預緊力計算：
選用8.8級螺栓：p0=77660n；
選用9.8級螺栓：p0=138500n；
為了安全等級更高一些，應該選用9.8級螺栓，材料選用25cr2mov，該材料的屈服極限≥785mpa。
產(chǎn)生138500n的預緊力，螺栓的伸長量計算：
138500/353=392mpa；
應變=
伸長量=
彈性變形量范圍內(nèi)，每伸長0.1mm，預緊力增加37400n。
m24長197mm的螺栓（材料為25cr2mov）產(chǎn)生塑性變形的最大伸長量量計算：
應力/應變=彈性模量；
應變=應力/彈性模量；
25cr2mov屈服極限≥785mpa，彈性模量：
最大應變=
最大伸長量=
本發(fā)明的有益效果：
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機及其制備方法，采用先進的變頻調(diào)速、磁懸浮軸承以及高速永磁同步電機等技術，取消了傳統(tǒng)單級高速離心鼓風機的齒輪增速組件及潤滑系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)風機，效率低、噪音大、能耗大、體積及重量大和流量調(diào)節(jié)性能差等缺陷，實現(xiàn)風量、風壓、轉(zhuǎn)速等的智能調(diào)控，調(diào)節(jié)效率高，以保證系統(tǒng)優(yōu)化運行，達到高效節(jié)能的目的，整機采用撬裝結(jié)構(gòu)，布置緊湊，安裝便捷，生產(chǎn)線先進合理，具有較高的經(jīng)濟效益，將有廣闊的市場前景。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1-單級高速離心式風機，2-磁懸浮軸承，3-高速永磁同步電機，4-葉輪，5-蝸殼，6-小齒輪，7-整流罩，8-小葉片，9-轉(zhuǎn)盤，10-調(diào)節(jié)銷，11-螺母，12-螺栓，13-風門殼體，14-轉(zhuǎn)炳，15-定向傳感器定子部件，16-定向傳感器轉(zhuǎn)子部件，17-心軸，18-推力盤，19螺釘，20-輔助軸承部件，21-內(nèi)6角螺絲，22-彈簧圈，23-襯套，24-擋圈，25-電機座，26-墊圈，27-型環(huán)，28-徑向磁軸承定子疊片-徑向端，29-徑向磁軸承定子屏蔽蓋，30-徑向磁軸承定子疊片-軸向端，31-軸向端外殼，32-徑軸向傳感器定子部件，33-軸向軸承部件，34-輔助軸承墊片，35-輔助軸承部件-軸向端，36-下端屏蔽罩，37-輔助軸承轉(zhuǎn)子擋圈，38-軸向軸承墊片，39-徑軸向傳感轉(zhuǎn)子部件，40-徑向磁軸承轉(zhuǎn)子部件-軸向端，41-彈性擋圈，42-鏡像磁軸承轉(zhuǎn)子部件-徑向端。
具體實施方式
下面經(jīng)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明：
實施例1
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，包括單級高速離心式風機1，磁懸浮軸承2和高速永磁同步電機3三部分主件組成，所述的單級高速離心式風機1，磁懸浮軸承2和高速永磁同步電機3分別設置在機體的左上端和右側(cè)及左下端，其中，所述單級高速離心式風機1上設有葉輪4，蝸殼5，型環(huán)27，轉(zhuǎn)盤9，小葉片8，小齒輪6，轉(zhuǎn)柄14，襯套23，風門殼體13，轉(zhuǎn)盤9上端設有調(diào)節(jié)銷10并由螺母11緊固，小齒輪6和轉(zhuǎn)柄14之間設有彈簧圈22，所述的磁懸浮軸承2中心端設有電機心軸17，定向傳感器轉(zhuǎn)子部件16，鏡像磁軸承轉(zhuǎn)子部件-徑向端42，輔助軸承部件20，定向傳感器定子部件15，徑向磁軸承定子疊片-徑向端28，徑向磁軸承定子屏蔽蓋29，電機心軸17與葉輪4直接相連，徑向磁軸承定子屏蔽蓋29上端由螺釘19固定，所述的磁懸浮軸承2的左下端分別設有輔助軸承轉(zhuǎn)子擋圈37，推力盤18，軸向軸承墊片38，徑軸向傳感轉(zhuǎn)子部件39，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子部件-軸向端40，彈性擋圈41，所述的磁懸浮軸承2的左上端分別設有徑向磁軸承定子疊片-軸向端30，軸向端外殼31，徑軸向傳感器定子部件32，軸向軸承部件33，輔助軸承墊片34，輔助軸承部件-軸向端35；所述的高速永磁同步電機3固定在電機座25上端，電機座25上端設擋圈24并由內(nèi)角螺絲21固定。
實施例2
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，所述蝸殼5的形狀選擇圓截面。
實施例3
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，電機心軸17與葉輪4直接相連處的一端設整流罩7，并設熱圈26，由螺栓12固定。
實施例4
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，所述小葉片8下端設有彈簧圈22，襯套23。
實施例5
一種磁懸浮高速離心式曝氣風機，所述的磁懸浮軸承2左側(cè)外端設有屏蔽罩36。
實施例6
所述的一種磁懸浮高速離心式曝氣風機及其制備方法，其制備方法的具體實施步驟為：
單級高速離心風機：采用設計軟件進行三元流葉輪初步設計，通過cfd軟件進行分析與優(yōu)化，最后定型；再進行另一關鍵部件蝸殼的設計計算，考慮氣體從葉輪和擴壓器出來時具有很大的旋繞，在排氣室不同截面處氣體的流量將不一樣，設計的蝸殼通流截面沿著氣流旋繞方向逐漸增大，通過優(yōu)化設計讓氣體在蝸殼內(nèi)的流動損失最小，蝸殼的性能分析需要通過通流部分的整級數(shù)值模擬計算來完成。關鍵部件三元流葉輪采用高強度航空鋁，后彎式設計，五軸聯(lián)動高速銑削成型，經(jīng)過cae分析、100%x射線探傷和115%的超轉(zhuǎn)速試驗。
步驟1：設計參數(shù)整理
1.1用戶提供的設計參數(shù)
流量：4800m3/h
當?shù)卮髿鈮海?.013bar
升壓：0.7bar，最高升壓：1.1bar
平均進氣溫度：30℃
平均濕度：70%
輸送介質(zhì)：空氣
1.2設計參數(shù)的整理與計算
風機進口增加消音器和過濾器，壓力損失分別為200pa和1500pa，所以平均進氣壓力：99600pa
進氣溫度：30℃
進氣濕度：70%
進氣狀態(tài)氣體的密度（
（根據(jù)公式
進氣流量：81.5m3/min
步驟2：氣動計算
根據(jù)設計參數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)速優(yōu)化，額定轉(zhuǎn)速確定為24000r/m，葉輪采用半開式，在半開式葉輪設計中，在高轉(zhuǎn)速運行時，容易在葉輪進口處形成氣流堵塞，因而常常從進口處縮短一半葉片數(shù)的葉片軸向尺寸，形成長短葉葉輪結(jié)構(gòu)，也就是帶有分流葉片的葉輪形式，減小葉片在進口時對流動的阻塞，此時短葉片的位置應該優(yōu)化確定。
采用numeca軟件進行葉輪的性能分析計算，為了節(jié)約計算時間，采用單通道模型進行計算。計算結(jié)果表明風機性能滿足設計要求，計算得出風機的最高轉(zhuǎn)速為27000r/m，最大軸功率為138.5kw。
步驟3：機殼的設計
3.1進氣室的設計與計算
采用軸向進氣形式，用于單級懸臂式鼓風機或者增壓器中。
3.2進口可轉(zhuǎn)導葉機構(gòu)的設計
可調(diào)進口導葉是安裝在葉輪進口前的一組葉片，可以繞自身的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一個角度就是一個導葉安裝角，氣流在進入葉輪之前速度方向發(fā)生改變，導葉葉型是通過數(shù)據(jù)庫提取并進行優(yōu)化設計。導葉旋轉(zhuǎn)角度與流量、效率的關系曲線通過實驗測得；
進口可轉(zhuǎn)導葉調(diào)節(jié)方式：通過控制電力驅(qū)動器控制進口導葉調(diào)節(jié)機構(gòu)的連桿前后運動，通過連桿的前進和后退帶動導葉外的環(huán)型件繞著風機進口中心線做圓周運動，進而通過連接件帶動導葉繞著各自的中心軸旋轉(zhuǎn)已達到控制導葉開關。
3.3排氣蝸殼的設計
目前鼓風機蝸殼設計方法，基本上都是采用動量矩不變的理論進行設計的，即：
蝸殼的形狀選擇圓截面蝸殼；
對蝸殼進口半徑r4為等直徑的圓截面蝸殼，按下列公式計算圓的截面半徑：
式中：
根據(jù)不同
機殼設計好后整機進行數(shù)值模擬計算，風機的效率為84.5%。
步驟4：風機進口可轉(zhuǎn)導葉
4.1，采用ansys程序計算出葉片的真實應力值，該程序得出的應力值安全系數(shù)取1.0，計算出的最大應力值應不大于選用材質(zhì)的許用應力；
7a09鋁棒力學性能抗拉強度σb(mpa)：≥530,伸長應力σp0.2(mpa)：≥400；
葉根處的計算存在偏差，采用熱點應力法對葉根處的應力進行校核計算：
a類結(jié)構(gòu)熱點應力計算方法
對于不超過0.4t的細網(wǎng)格，應按下式計算其結(jié)構(gòu)應力：
式中
b類結(jié)構(gòu)熱點應力計算方法
對于不超過4mm的細網(wǎng)格，應按照下式計算其結(jié)構(gòu)應力：
其中
取葉根處最大的應力點位置為熱點，進行熱點應力計算，
步驟5：轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算
采用ansys軟件的模態(tài)分析模塊計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；
可以計算得出轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為48060r/min，風機的最大轉(zhuǎn)速27000r/min避開了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。同時計算出轉(zhuǎn)子的模態(tài)陣型。
步驟6：與電機的連接
電機與葉輪直聯(lián)，無齒輪增速裝置，無任何機械接觸，無需潤滑油系統(tǒng)，沒有磨損及能量損耗，維護費用較低；
根據(jù)公式
p：軸功率（kw）
n：轉(zhuǎn)速（r/min）
額定工況軸功率105kw，轉(zhuǎn)速24000r/min時，扭矩為41.8n·m；
軸功率138kw，轉(zhuǎn)速26800r/min時，扭矩為49.2n·m；
安全系數(shù)取2，摩擦面需要傳遞的扭矩為98.4n·m；
計算出所需摩擦力f1=98.4/0.012=8200n；
需要的螺栓預緊力：f2=8200/0.17=48235n；
m24螺栓預緊力計算：
選用8.8級螺栓：p0=77660n；
選用9.8級螺栓：p0=138500n；
為了安全等級更高一些，應該選用9.8級螺栓，材料選用25cr2mov，該材料的屈服極限≥785mpa。
產(chǎn)生138500n的預緊力，螺栓的伸長量計算：
138500/353=392mpa；
應變=
伸長量=
彈性變形量范圍內(nèi)，每伸長0.1mm，預緊力增加37400n。
m24長197mm的螺栓（材料為25cr2mov）產(chǎn)生塑性變形的最大伸長量量計算：
應力/應變=彈性模量；
應變=應力/彈性模量；
25cr2mov屈服極限≥785mpa，彈性模量：
最大應變=
最大伸長量=