一种直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组的制作方法

本发明涉及鼓风机技术领域，具体涉及一种直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组。

背景技术：

流体机械是以流体为工作介质进行能量转换的机械设备，将不同的能源转换成压力能和动能，是众多领域的核心驱动设备，其中鼓风机就是流体机械中高能耗动力设备之一。行业中广泛使用的鼓风机有罗茨鼓风机、多级鼓风机、单机高速鼓风机等，这些设备效率低、噪声高、体积大、故障率高、智能化低，比如罗茨鼓风机，运行多变效率多数在30-50％之间，运行噪声多数在115-120db(a)之间，这对我国节能减排事业提出了巨大挑战。而目前的磁悬浮鼓风机、空气悬浮鼓风机，虽然在效率、噪声和智能化等方面有一定优势，但是设备的生产成本偏高，性价比较低。特别空气悬浮鼓风机，由于设备启动时，轴和空气轴承还存在摩擦，故障率普遍偏高；气力系统受环境的影响较大，刚度较小，稳定性受到考验。

因此，如何实现效率高、噪声低、稳定性好、智能化高及性价比高的鼓风机，是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组。本发明能有效的解决现有的鼓风机效率低、噪声高、体积大、智能化低、故障率高等众多问题，为各行业提供高效、低噪、智能化集成的直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种直驱式高速永磁离心鼓风机，包括：前盖板、蜗壳、电机、叶轮、扩压器，所述前盖板与蜗壳连接，所述蜗壳的旋转通道入口设置有扩压器，蜗壳与电机通过法兰相连；所述蜗壳与电机之间有配合面，使蜗壳中心与电机中心对中；所述叶轮叶轮直接挂在电机轴上，与电机轴以双键形式连接，所述鼓风机还包括电机进水口与电机出水口。

进一步地，所述扩压器为变宽度无叶扩压器，具体满足：

rcθ≈constant

ρcm2πb＝m

其中，c为绝对速度，cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，α为cm与c的夹角，r2为无叶扩压器入口半径或叶轮出口半径，r5为无叶扩压器出口半径或蜗壳入口半径，r为离叶轮中心的半径，b为扩压器宽度，ρ为密度，p为压力，t为绝对温度，r为气体常数，cf为摩擦阻力系数，cp为定压比热容

进一步地，所述蜗壳为鸭梨状对称蜗壳，具体满足：

蜗壳内的流动满足动量距定律：

cθr＝constant

蜗壳型线满足如下公式：

鸭梨状对称蜗壳满足设计如下：

令h＝rs-r5

用△a，△h取代da,dh，则

根据修整尖角需要，另△a＝2s,取s＝(0.03-0.07)a

其中，cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，r为离叶轮中心的半径，b为任意半径位置的宽度，b5是扩压器出口或蜗壳入口半径位置的宽度，c5θ是扩压器出口或蜗壳入口的流线法向速度，c5m为扩压器出口或蜗壳入口流线切线速度，c5为扩压器出口或蜗壳入口绝对速度，α5为c5m与c5的夹角，rs蜗壳型线半径，r5为无叶扩压器出口半径或蜗壳入口半径，为任意角位置蜗壳通流截面上的体积流量，qv5为蜗壳入口处的体积流量,为蜗壳内位置角度；r5为蜗壳进口半径；rs为蜗壳型线半径；最终蜗型线半径rs’,r为蜗壳形状尖角处半径，其中c为绝对速度，cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，θs为蜗壳扩张角，为30～50°。

进一步地，所述叶轮前部设有导流帽，导流帽型线下方与轮毂线相切，导流帽中心位置的角度为70°-90°。

进一步地，所述鼓风机还包括底座，所述电机与底座通过螺栓连接，所述蜗壳正下方有与底座连接的顶丝。

进一步地，所述叶轮为三元流可控涡叶轮，所述三元流可控涡叶轮为五轴精加工高强度铝合金，为半开式三元流叶轮，入口翼尖冲角为0°～1°，入口翼根冲角为2°～4°；叶片出口角为-30°～-40°；轮毂比为0.4-0.5；叶片厚度为前缘尾缘小，中间大，翼根大，翼尖小。

进一步地，所述前盖板为可控间隙盖板，使前盖板与蜗壳的安装高度可调。

本发明还提出一种直驱式高速永磁离心鼓风机机组，包括如上所述的直驱式高速永磁离心鼓风机，其特征在于，还包括：水冷系统，所述水冷系统与鼓风机的电机进水口连接，为鼓风机提供相应的水冷却量。

进一步地，所述离心鼓风机机组还包括控制器，所述控制器与鼓风机相连，包括传感器单元及控制单元，所述控制单元对传感器单元采集的信息进行分析，判断鼓风机的运行状态。

进一步地，所述离心鼓风机机组还包括消声通流箱体，所述鼓风机、水冷系统、控制器设置于消声通流箱体内，所述消声通流箱体内含波浪形消声棉、过滤系统，具备自吸冷却功能。

本发明提出的直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组，与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明能有效的解决现有的鼓风机效率低、噪声高、体积大、智能化低、故障率高等众多问题，为各行业提供高效、低噪、智能化集成的直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组；

(2)本发明采用变宽度无叶扩压器。在扩压段微渐缩，控制叶轮出口的流态，把动压转变为静压，拓宽设备的工况范围，控制喘振，提升风机效率；根据需要的鼓风机参数进行变宽度无叶扩压器各参数的适应性计算与设计；

(3)本发明采用鸭梨状对称蜗壳，使扩压器的出来的气流充分的光滑导流、扩压，根据需要的鼓风机参数进行鸭梨状对称蜗壳各参数的适应性计算与设计；

(4)本发明蜗壳与电机之间有配合面，确保蜗壳中心与电机中心对中，以防止由于蜗壳和电机不对中而导致的转动件与静止件碰壳；

(5)本发明叶轮与电机轴直接以双键形式连接，由于电机转速高，相比于单键结构，具备较好的稳定性，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗；

(6)本发明导流帽与叶轮以键或销连接，导流帽型线下方与轮毂线相切，导流帽中心位置的角度为70°-90°，导流效果好；

(7)本发明蜗壳正下方有与底座连接的顶丝，即可以提升产品的稳定性、减少振动，又可以拧开螺丝，放水及清洁风机；

(8)本发明所述的三元流可控涡叶轮高效区宽，叶轮效率高，高效区宽，控制叶轮的失速喘振，强度性能好；

(9)本发明盖板为可控间隙盖板，能够根据叶轮进行安装高度的调整，提高风机的安全可靠性及气动性能；

(10)本发明采用水冷形式，对气体进行强制冷却，避免鼓风机的排气温度过高，提高鼓风机运行的安全性；水冷系统运行功率小，节能高效；

(11)本发明鼓风机机组包括消声通流箱体，大大降低了鼓风机噪声，且消声通流箱体还具备自吸冷却功能，冷却箱体内的电器元器件，无需额外的风扇冷却，延长电器元器件的使用寿命；

(12)本发明鼓风机机组包括控制器，对鼓风机的风量、风压、温度、振动等等信息进行实时的采集。控制单元集成智能化控制功能，对传感器采集的信息进行分析，判断鼓风机的运行状态，防止喘振、故障等，使设备一直在安全高效区运行。同时，当鼓风机故障等情况发生时，实时进行预警，最大程度降低鼓风机故障带来的损失，提高了鼓风机的智能性。

附图说明

图1是直驱式高速永磁离心鼓风机结构示意图；

图2是扩压器内速度三角形示意图；

图3是鸭梨状蜗壳设计计算示意图；

图4是直驱式高速永磁离心鼓风机机组结构示意图；

图中，1-前盖板，2-盖板与蜗壳螺栓，3-叶片，4-轮毂，5-蜗壳与电机连接螺栓，6-电机进水口，7-电机出水口，8-高速永磁电机，9-电机与底座连接螺栓，10-底座，11-蜗壳下方与底座连接顶丝，12-导流帽与叶轮连接螺栓，13-导流帽，14-冷却系统，15-直驱式高速永磁离心鼓风机，16-控制器，17-消声导流箱体，18-蜗壳。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种直驱式高速永磁离心鼓风机，包括：前盖板1、蜗壳18、电机8、叶轮、扩压器。

所述蜗壳的旋转通道入口设置有扩压器，蜗壳与电机通过法兰相连，还通过蜗壳与电机连接螺栓5进行连接固定。蜗壳与电机之间有配合面，确保蜗壳中心与电机中心对中，以防止由于蜗壳和电机不对中而导致的转动件与静止件碰壳。叶轮包括叶片3、轮毂4等，叶轮与电机轴直接以双键形式连接，由于电机转速高，相比于单键结构，具备较好的稳定性，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗。前盖板与蜗壳连接，具体地，前盖板与蜗壳通过前盖板与蜗壳螺栓2连接。

此外，本发明所述的鼓风机在叶轮前部设有导流帽13，导流帽与叶轮以键或销连接，导流帽型线下方与轮毂线相切，导流帽中心位置的角度为70°-90°，导流效果好。如图1所示，导流帽与叶轮的连接螺栓为12。鼓风机还配有相匹配的底座10，电机与底座通过电机与底座连接螺栓9进行连接。蜗壳正下方有与底座连接的顶丝11，即可以提升产品的稳定性、减少振动，又可以拧开螺丝，放水及清洁风机。

具体地，本发明所述的电机为高速永磁无级调速电机，所述叶轮可以采用三元流可控涡叶轮。三元流可控涡叶轮为五轴精加工高强度铝合金，叶轮为半开式三元流叶轮，入口翼尖冲角为0°～1°，入口翼根冲角为2°～4°；叶片出口角为-30°～-40°；轮毂比为0.4-0.5；叶片厚度为前缘尾缘小，中间大，翼根大，翼尖小。因此，本发明所述的三元流可控涡叶轮高效区宽，叶轮效率高，高效区宽，控制叶轮的失速喘振，强度性能好。

由于叶轮为半开式叶轮，叶轮与盖板间隙对风机的安全可靠性及气动性能产生重大影响，因此，前盖板与蜗壳的安装高度是可调的，即本发明所述的盖板为可控间隙盖板。具体地，所述的可控间隙盖板,与叶轮翼尖存在一定间隙。间隙量根据叶轮的因变量进行确定，由于叶轮与盖板间隙对鼓风机整体性能具有重大影响，因此设计的盖板间隙是可调的，实际过程中，可在盖板和蜗壳法兰处通过垫片进行调整高度。

由于鼓风机叶轮出口，气流速度相当大，高速气流从叶轮出口流入机壳时，因为流道截面积的突然扩大，所以产生较大的突然扩大损失。同时，在涡壳中又不能够充分地把动能转变为静压能，致使鼓风机的动压比较大。为减少突然扩大损失及提高鼓风机的静压及其效率，本发明所述的扩压器为无叶扩压器。无叶扩压器的宽度不同，鼓风机的效率也不同。因此，本发明进一步采用变宽度无叶扩压器。在扩压段微渐缩，控制叶轮出口的流态，把动压转变为静压，拓宽设备的工况范围，控制喘振，提升风机效率。图2为扩压器内速度三角形示意图，其中，c为绝对速度，cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，α为cm与c的夹角，r2为无叶扩压器入口半径(或叶轮出口半径)，r5为无叶扩压器出口半径(或蜗壳入口半径)，具体满足：

rcθ≈constant

ρcm2πb＝m

其中r为离叶轮中心的半径，b为扩压器宽度，ρ为密度，p为压力，t为绝对温度，r为气体常数，cf为摩擦阻力系数，cp为定压比热容。

对于无叶扩压器入口、扩压器出口，其对应的半径、宽度、速度等满足上述设计公式。例如，对于鼓风机设计风量为33m³/min，压力为60kpa,设计转速为22000rpm，电机功率为39kw，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗，相应计算出所述的变宽度无叶扩压器根部为平直的，顶部在叶轮出口处开始减缩，在rp＝(0.3～0.5)(r5-r2)+r2停止收缩，收缩过程为线性收缩，rp-r5之间为平直段。

常用的蜗壳包括对称蜗壳和非对称蜗壳，对称蜗壳进一步包括圆形蜗壳、矩形蜗壳、鸭梨状对称蜗壳。相比于常规的圆形蜗壳、矩形及不对称蜗壳，鸭梨状对称蜗壳效率更高，可使扩压器的出来的气流充分的光滑导流、扩压。因此，本发明所述的蜗壳为鸭梨状对称蜗壳。

蜗壳内流量随圆周角的分布满足如下公式：

为任意角位置蜗壳通流截面上的体积流量；qv5为蜗壳入口处的体积流量。

蜗壳内的流动满足动量距定律：

cθr＝constant

图3示出了鸭梨状蜗壳设计计算示意图，蜗壳型线满足如下公式：

cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，r为离叶轮中心的半径，b为任意半径位置的宽度，c5θ是扩压器出口或蜗壳入口的流线法向速度，c5m为扩压器出口或蜗壳入口流线切线速度，c5为扩压器出口或蜗壳入口绝对速度，α5为c5m与c5的夹角，rs蜗壳型线半径，r5为无叶扩压器出口半径(或蜗壳入口半径)，为任意角位置蜗壳通流截面上的体积流量，为蜗壳内位置角度。

具体地，鸭梨状对称蜗壳满足设计如下：

令h＝rs-r5

用△a，△h取代da,dh，则

根据修整尖角需要，另△a＝2s,取s＝(0.03-0.07)a

其中，圆周角单位为弧度；r5为蜗壳进口半径；rs为蜗壳型线半径；由于梯形蜗壳的两个尖角不利于气体流动，最终的蜗壳形状为鸭梨状对称蜗壳，最终蜗型线半径rs’,r为蜗壳形状尖角处半径，其中c为绝对速度，cm为流线切线速度，cθ为流线法向速度，θs为蜗壳扩张角，为30～50°。

当鼓风机排气温度较高时，叶轮之间、叶轮与机壳之间的热态间隙会变得很小，严重时会相互卡住。此外，鼓风机轴承一般与气腔很近，对气体的传热比较敏感，因此，鼓风机的排气温度不宜过高。本发明高速永磁离心鼓风机采用水冷形式，对气体进行强制冷却。因此，本发明所述的鼓风机还包括电机进水口6与电机出水口7。为了提高鼓风机的密封性，本发明所述的直驱式高速永磁离心鼓风机的转动部件和静止部件无其他密封圈，为绝对密封，无泄漏损失。

实施例二

如图4所示，本实施例提出了一种直驱式高速永磁离心鼓风机机组，包括：直驱式高速永磁离心鼓风机15、水冷系统14、控制器16及消声通流箱体17。

如上所述，本发明采用水冷形式，对气体进行强制冷却。因此，为了使高速永磁离心鼓风机正常运行，本发明所述的鼓风机需要与水冷系统相互配合，水冷系统与鼓风机的电机进水口连接。配套的水冷系统为鼓风机提供相应的水冷却量，同时，在确保冷却量的条件下，保证系统运行功率小，节能高效。直驱式高速永磁离心鼓风机机组如实施例一所述，而水冷系统可采用现有的任意高效、节能的冷却系统，在此不再赘述。

此外，本发明所述的直驱式高速永磁离心鼓风机机组还包括消声通流箱体，以实现低噪声的鼓风机。具体地，鼓风机、水冷系统、控制器设置于消声通流箱体内，消声通流箱体内含波浪形消声棉、过滤系统，以降低鼓风机机组噪声。消声通流箱体还具备自吸冷却功能，冷却箱体内的电器元器件，无需额外的风扇冷却，延长电器元器件的使用寿命。

为了提高鼓风机的智能性，本发明所述的直驱式高速永磁离心鼓风机机组还包括控制器，控制器与鼓风机相连。具体地，控制器包括传感器单元及控制单元，传感器单元包括风量、风压、温度、振动等传感器，以对鼓风机的风量、风压、温度、振动等等信息进行实时的采集。控制单元集成智能化控制功能，对传感器采集的信息进行分析，判断鼓风机的运行状态，防止喘振、故障等，使设备一直在安全高效区运行。同时，当鼓风机故障等情况发生时，实时进行预警，最大程度降低鼓风机故障带来的损失。

由此可知，本发明提出的直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组，能有效的解决现有的鼓风机效率低、噪声高、体积大、智能化低、故障率高等众多问题，为各行业提供高效、低噪、智能化集成的直驱式高速永磁离心鼓风机及鼓风机机组；采用变宽度无叶扩压器。在扩压段微渐缩，控制叶轮出口的流态，把动压转变为静压，拓宽设备的工况范围，控制喘振，提升风机效率；根据需要的鼓风机参数进行变宽度无叶扩压器各参数的适应性计算与设计；采用鸭梨状对称蜗壳，使扩压器的出来的气流充分的光滑导流、扩压，根据需要的鼓风机参数进行鸭梨状对称蜗壳各参数的适应性计算与设计；蜗壳与电机之间有配合面，确保蜗壳中心与电机中心对中，以防止由于蜗壳和电机不对中而导致的转动件与静止件碰壳；叶轮与电机轴直接以双键形式连接，由于电机转速高，相比于单键结构，具备较好的稳定性，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗；导流帽与叶轮以键或销连接，导流帽型线下方与轮毂线相切，导流帽中心位置的角度为70°-90°，导流效果好；蜗壳正下方有与底座连接的顶丝，即可以提升产品的稳定性、减少振动，又可以拧开螺丝，放水及清洁风机；所述的三元流可控涡叶轮高效区宽，叶轮效率高，高效区宽，控制叶轮的失速喘振，强度性能好；盖板为可控间隙盖板，能够根据叶轮进行安装高度的调整，提高风机的安全可靠性及气动性能；采用水冷形式，对气体进行强制冷却，避免鼓风机的排气温度过高，提高鼓风机运行的安全性；水冷系统运行功率小，节能高效；鼓风机机组包括消声通流箱体，大大降低了鼓风机噪声，且消声通流箱体还具备自吸冷却功能，冷却箱体内的电器元器件，无需额外的风扇冷却，延长电器元器件的使用寿命；鼓风机机组包括控制器，对鼓风机的风量、风压、温度、振动等等信息进行实时的采集。控制单元集成智能化控制功能，对传感器采集的信息进行分析，判断鼓风机的运行状态，防止喘振、故障等，使设备一直在安全高效区运行。同时，当鼓风机故障等情况发生时，实时进行预警，最大程度降低鼓风机故障带来的损失，提高了鼓风机的智能性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。