罗茨鼓风机

罗茨鼓风机（精选7篇）

罗茨鼓风机 篇1

1.故障现象

罗茨风机电机额定功率110 k W, 采用伊顿S811软启动器控制。某日罗茨风机运行中出现跳车, 操作人员工艺处理过程中风机自启动, 技术人员立即安排停下风机处理故障。

2.故障分析

操作人员反映设备在运行中突然跳车, 处理时发现现场操作柱上的运行指示灯亮 (一般设备停运后该灯应呈熄灭状态) 。确认软启动器上最后一条故障记录代码是14, 说明书解释为过载故障, 电机过载超过规定时间。在DCS上查看电流趋势最高电流约为255 A, 该电机额定电流为206.7 A, 据此判断是过载动作引起跳车。故障跳车后运行指示灯仍亮, 表明控制回路是通的。查看软启动控制原理图 (图1) , 分析发现在故障跳车后软启动器停止输出, 但对控制软启动器启动停止的外电路没有影响, 该控制回路未断开仍保持闭合状态, 因此运行指示灯在软启动器故障后仍亮。查看软启动器参数设置, 发现故障复位模式在自动状态 (自动复位设计用于电机不预告即启动时, 对操作人员无危险的无人值守设备中, 若自动复位激活, 必须确保重新启动在安全状态下) , 根据过载脱扣等级, 软启动器内部自动选择复位时间延时为3、6或9 min。据此判断故障原因: (1) 软启动器复位参数设置在自动复位状态。 (2) 控制软启动器工作的外电路存在问题, 软启动器故障跳车后外电路仍保持闭合状态。

3.故障处理

该设备不适合故障后自启动, (1) 将软启动器故障复位模式设定为手动复位, 即出现故障后不经手动复位软启动器输出则始终保持断开闭锁状态。 (2) 将软启动器故障接点引入控制回路, 查软启动器说明书分析其辅助接点95/96/98能实现故障时断开控制回路。当软启动器故障时95/96断开从而控制回路断开 (图1中虚线内接点) , 当故障排除手动复位后该接点闭合。

改造后设备至今运行良好, 未再发生故障跳车自启动现象。

罗茨鼓风机 篇2

罗茨鼓风机作为一种常见的气体输送、压缩机械, 因其结构简单、工作平稳及无注油污染等优点得到了广泛应用[1], 然而由于效率低、噪音大、输送气体压强限制等缺点的存在, 限制了它进一步发展。一直以来, 国内外旨在提高风机效率、降低噪音、扩大气体输送压力范围的相关研究从未中断, 研究成果主要集中在改进转子结构与型线、改进机体及进排气口结构与形状等方面。作为高速旋转机械, 罗茨鼓风机内部气体流动情况复杂, 难以准确得到内部流场的性能参数。目前, 国内罗茨鼓风机的设计、制造大部分还停留在半理论、半经验和试验验证的阶段, 设计周期长, 试制成本高。近年来, 随着计算机技术和现代设计技术的不断发展, 计算流体动力学 (computational fluid dynamics, CFD) 技术已逐渐成为研究机械内部流体的主要方法。

国外, Li-Yang等[2]对低压轴流式风机叶片进行了改进, 并利用CFD技术对改进后的叶片进行了空气动力学的性能研究, 研究表明改进后的叶片具有效率高, 稳定性好等优点。Zhang-Bin等[3]利用FINE/TURBO软件对低转速比离心式风机进行数值仿真分析, 为离心鼓风机叶片的改进优化提供了理论证据。Son Pham-Ngoc等[4]对离心式风机的出风口进行了CFD调查, 分析了离心式风机出风口形状与截面积对流量的影响。上述CFD技术的应用对罗茨鼓风机内部流场的仿真分析具有很好的借鉴作用。

国内CFD技术发展也相当迅速, 已有不少专家学者将该技术运用到罗茨鼓风机的分析设计中。戴映红[5]利用Fluent软件对气冷式罗茨真空泵内部流动进行二维数值模拟, 根据模拟结果分析了转子在转动情况下泵腔内部流场的变化、压强分布以及进排气腔的速度分布, 得出泵内流场的流动规律, 为罗茨泵的设计和分析提供理论依据。黄思等[6]对四叶罗茨鼓风机进行CFD二维瞬态数值模拟, 进行分析得出四叶罗茨鼓风机相对两叶、三叶罗茨鼓风机具有流动平稳的优点。岳向吉等[7]基于动网格方法对干式真空罗茨真空泵进行三维瞬态数值模拟分析, 分析了泵腔内的气体流动现象和流场主要特征。

在目前众多成熟的C F D商业软件 (C F X、F I D A P、F L U E N T、P H O E N I C S、S T A R-C D) 中, CFX作为全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件, 已经成为国内外企业的主流流体分析软件。本文拟运用CFX软件对不同转子与进排气口结构的高压罗茨鼓风机内流场进行三维数值模拟, 真实反映风机内部流场特征, 为罗茨鼓风机的改进设计提供理论依据, 缩短设计周期。

1 罗茨鼓风机内部流场计算模型

1.1 湍流模型

自然界中流体流动根据流动形式不同, 可分为层流、过渡流和湍流。罗茨鼓风机内部气流为湍流。湍流运动极不规则、稳定, 其流体质点间通过脉动剧烈地交换质量、动能和能量, 这使得人们通过理论分析或实验研究来认识湍流都很困难。随着计算流体力学的发展, 建立相应的数学模型, 进行数值模拟分析已成为研究湍流现象的重要途径。

湍流由流体在流动区域内随时间与空间的波动组成, 是一个三维、非稳态且具有较大规模的复杂过程。湍流模型是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础, 引进一系列模型假设而建立起来的一组描述湍流平均量的封闭方程组。CFX引入了多种湍流模型:k-e模型、k-w模型, Shear Stress Transport (SST) 模型、雷诺压力模型等。对于罗茨鼓风机等旋转机械, 其雷诺数 (re) 高, 湍流模型选择k-e模型为宜, 其湍动能k方程和湍动能耗散率e方程为:

式 (1) 、 (2) 中kG是平均速度梯度引起的湍流能k的产生项, 可表示为:

r为流体密度, iu为速度矢量, u、v、w、分别为iu在x、y、z、方向的分量, tu为湍流粘度, s k、s e、1Ce、2Ce为k-e模型常数, 其值分别为:s k=1.0, s e=1.3, 1Ce=1.44, C2e=1.92。

1.2 几何模型

罗茨鼓风机几何模型主要分为两个部分:流体域、转子。流体域即为流体所通过区域, 包括机壳与转子围成的气腔与进排气通道。转子为罗茨鼓风机的核心部件, 其结构有直叶跟扭叶两种, 而转子外轮廓曲线 (即转子型线) 又有多种, 常用的主要有渐开线、摆线和圆弧。圆弧型转子因其运行平稳, 噪音较低, 面积利用系数相对较高等特点得到了广泛应用, 本文分析的转子模型即为圆弧型线转子, 其型线示意图如图1所示。

图1中叶峰A1B1C1为圆弧线段, 其型线方程为:

叶谷A2B2C2为圆弧包络线, 其型线方程为:

1.3 网格划分

计算流体力学是通过将控制方程离散, 利用数值计算方法得到离散点的数据, 而网格即为计算区域离散的点。现行ANSYS/CFX划分网格的前处理工具主要是ANSYS ICEM CFD, 其强大的网格划分功能可以满足任何一种流体模拟计算对网格划分的要求[9]。罗茨鼓风机转子型线由多段曲线段构成, 其几何计算模型较为复杂, 考虑到仿真的实时性, 本文四面体网格类型。

在Pro/E平台上, 根据罗茨鼓风机主要参数 (转子厚度取值为150mm) 建立流体域与转子三维模型, 通过对网格参数进行编辑, 得到不同进排气口、不同转子类型的网格模型及其网格质量柱状图, 如图2至图9所示。各模型网格总数在400000~500000之间, 网格质量均达到0.30以上, 满足计算要求。

2 参数设定

计算域为静止项:stationary, 类型定义为Fluid Domain, 参考压强为2.5Mpa;流体设置为:Air at 250C, 密度为29.228kg/m3;两转子均为嵌入式固体即:Immersed Solid, 转速为10r/s, 以Z轴为旋转中心。进口边界类型为Inlet, 相对压强为0pa;出口边界类型为Opening, 相对压强为0pa;

3 计算结果及分析

3.1 压力场分析

本文分别对直叶—矩形、直叶—菱形、扭叶—矩形、扭叶—菱形结构的罗茨鼓风机内部立场进行了三维仿真分析, 其压力场的分析结果基本相同, 所以只例举了扭叶—菱形结构风机的分析结果如图10所示。图10为风机模型Z=75时XY平面的压强云图, 模型下边为进气口, 上边为排气口, 两转子在啮合部位出现了高低压交替区域, 红色区域部分压强高于罗茨鼓风机内部其它区域, 这是由于两转子在啮合过程中对其中间气体的挤压, 使得该部分区域的瞬时压强急剧增加;相反, 低压的蓝色区域部分则出现在转子啮合结束后, 由于转子旋转速度快, 啮合时被压缩气体充溢的空间极具扩张, 外面的气流还没来得及进入而形成的。上述现象也是转子受损的主要原因, 与实际情况相符, 表明本次仿真结果正确、可靠。

3.2 流速场分析

图11为扭叶—菱形结构风机内部流体在Z=75时XY平面的速度矢量图。由于气体粘性, 近壁区域的气流会产生摩阻效应, 在图11 (a) 中可以看出绕机壳内壁面的气流流速相对较低。从图11 (b) 中看到机壳排气口处出现了小区域的回流, 这是由于罗茨鼓风机出口处的压强会稍微高于机壳内部气流压强的原因。从图11 (b) 、 (c) 中还可以看出在机壳进出口与相临近的机壳壁面附近产生了涡流现象, 主要是由于壁面附近低速气流与高速的出排气流的相互参杂和回流气体流动方向与主气体流动方向不一致而产生。

3.3 流量分析

根据文献[1]中的计算公式, 得到本次分析的罗茨鼓风机理论流量值为1.1340m3/min, 当气体为25o空气, 其密度为29.228kg/m3, 则质量流量即为0.552kg/s。图12、图13为相同条件下CFX计算所得质量流量曲线图, 其质量流量值基本在0.54kg/s上下波动, 对比理论质量流量计算值, 误差较小, 进一步说明本次分析结果准确。

CFX所监视的时间为罗茨鼓风机两个工作周期, 转子旋转两周, 每300个迭代步数即为一个周期, 从图12与图13可明显看出, 在一个周期内质量流量随迭代步数出现了6次谐波脉动变化, 频率正好是罗茨鼓风机叶片的数目, 且重复性较好, 计算结果与实际情况相符。但是根据转子类型与进排气口结构的不同, 质量流量的脉动幅度各不相同, 对照图12与图13, 可推断扭叶转子相比直叶转子有明显的减弱脉动强度的效果。同时从图12与图13中还可以看出, 对于直叶转子, 菱形进排气口结构减弱脉冲强度的效果不大明显, 但对于扭叶转子, 菱形进排气口结构减弱脉冲强度的效果显著。如图显示, 直叶型转子—矩形进排气口组合形式的脉动幅度约为0.070kg/s, 扭叶型转子—菱形进排气口组合形式的脉动幅度值约为0.010kg/s, 且变化曲线平稳。因气流脉动而产生的气动噪音是构成罗茨鼓风机噪音的主要因素之一。显然, 扭叶转子—菱形进排气口组合形式在降噪性能上更为优越, 所以本文设计的高压罗茨鼓风机采用扭叶转子与菱形进排气口结构。

4 结论

本文借助CFX流体分析仿真软件对不同结构的罗茨鼓风机进行了内部流场的三维数值模拟, 准确地显示了内部气体流动情况及压强变化规律, 分析了流场中回流、涡流现象产生原因, 并通过对比质量流量脉动幅度, 验证了扭叶型转子与菱形进排气口组合结构可有效降低噪音。

参考文献

[1]苏春模.罗茨鼓风机及其应用[M].南京:中南工业大学出版社, 1999.

[2]Li Y, OuYang H, Du Z h.Experimental research on aerodynamic performance and exit flow field of low pressure axial flow fan with circumferential skewed blades[J].Journal of Hydrodynamics, 2007, 19 (5) :579-586.

[3]Zhang B, Wang T, GU C G, et al.Blade optimization design and performance investigations of an ultra-low specific speed centrifugal blower[J].Science China Technological Sciences, 2011, 54 (1) :203-210.

[4]Son P N, Kim J, Ahn E Y.Effects of bell mouth geometries on the flow rate of centrifugal blowers[J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2011, 25 (9) :2267-2276.

[5]戴映红, 钟云会, 黄智敏.三叶转子气冷式罗茨真空泵的流场数值分析[J].真空, 2010, 6 (47) :37-40.

[6]黄思, 杨卫国, 罗力.运用动网格技术数值模拟四叶罗茨风机的非稳态流动[J].广州化工, 2010, 9 (38) :161-163.

[7]岳向吉, 巴德纯, 刘坤, 等.干式罗茨真空泵吸气级内流动的瞬态模拟[J].真空科学与技术学报, 2012, 32 (9) :850-855.

[8]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

罗茨风机振动故障分析及处理 篇3

易门铜业有限公司ZO-6500型VPSA制氧系统一台罗茨鼓风机, 型号为ARG500, 转速742r/min, 排气压力49kPa。该风机最高振动值从2009年4月15日起开始逐渐变大, 由表1可看出, 水平振动速度有效值超出了15mm/s的允许范围, 垂直振动速度有效值也有所上升。造成系统多次联锁停机, 严重影响了风机安全运行。由于该制氧系统使用的风机出口压力每隔24s都要完成一个从31～41kPa加压过程, 风机的出口压力波动频繁, 振动值随压力也相应发生变化, 给分析和查找振动原因带来了一定困难。为此, 对风机振动进行了全面的测试和分析, 找出了故障原因, 并进行了处理, 保证了风机的安全运行。

mm/s

2. 罗茨鼓风机振动原因分析及特征

引起风机振动大的因素较多, 主要原因有以下几种。

(1) 地脚螺栓松动, 主要表现在垂直方向振动较大。

(2) 联轴器找正不合格, 表现在:轴向振动较大, 与联轴器靠近的轴承振动较大, 振动程度与负荷关系较大。

(3) 风机基础刚度差, 故障特征为:振动频率为工频, 振动时域波形为正弦波;垂直方向振动速度异常。

(4) 与风机连接的管道配置不合理, 主要是与风机连接的防振接头老化, 管道与风机形成共振。

(5) 同步齿轮啮合间隙大, 齿面接触精度不够, 也可导致水平振动超标。

(6) 转子不平衡, 振动表现为:水平方向振动较大, 且振动频率与转速同频;振动大小与机组负荷无关。

(7) 轴承损坏及轴系零件松动, 主要表现在:轴承温度高并有异响;水平、轴向、垂直振动都有异常。

3. 故障查找

根据以上分析, 分别对风机地脚螺栓、联轴器、风机基础及与风机连接的管道进行了检查, 未发现异常。并且在2007年因振动大对风机基础进行过重新加固浇灌, 因此也可以排除风机基础刚度差的原因。轴承温度无变化以及未发现异常声音。

为查清原因, 5月3日用振通908简易测振仪对风机水平、垂直、轴向振动进行测量, 风机出口压力在31～41kPa运行时测量结果见表2, 由表2可看出, 后轴承比前轴承振动值大3mm/s左右, 说明振动是从后轴承引起。为检查是否存在转子动不平衡, 对风机出口压力下降到21～34kPa和升到35～45kPa分别进行了测量, 振动值无明显变化。因此可以肯定, 风机转子不存在动不平衡, 振动源出在风机后端, 可能是轴承及轴系零件松动造成。

mm/s

风机后端装配有同步齿轮、轴承、调整垫及轴承定位衬套, 为排除故障, 决定对风机后端拆开检查, 发现同步齿轮啮合良好, 齿面处于磨合状态, 无明显磨损现象, 初步排除了齿面接触精度不够原因。拆除同步齿轮后, 发现两个转子的轴承锁紧螺母非常松, 轴承明显跑内圈, 拆下轴承后测量轴已磨损0.5mm。并且轴承定位衬套的定位销掉了, 衬套处轴也磨损严重。产生振动的原因可以确定:由于轴承锁紧螺母松动, 造成轴承跑内圈, 轴承定位衬套出现相对运动, 导致转子径向间隙及同步齿轮啮合间隙大, 振动值增大。

4. 故障处理

该风机叶轮与轴采用热装, 无法更换轴, 而购买一套转子费用较高, 时间较长, 是生产经营所不允许的。经分析研究决定对轴进行修复, 为防止转子产生弯曲变形, 使表面粗糙度达到要求, 采用激光熔覆新技术和表面喷镀方法。

激光熔覆技术可以解决手工电弧焊、氩弧焊、喷涂、镀层等传统修复方法无法解决的材料选用局限性、工艺过程热应力、热变形、材料晶粒粗大、基体材料结合强度难以保证等问题。激光熔覆层与基体为冶金结合, 结合强度不低于原基体材料的90%, 基体材料在激光加工过程中仅表面微熔, 微熔层为0.05～0.1mm, 基体热影响区一般为0.1～0.2mm, 温升不超过80℃, 激光加工后无热变形。且覆层组织致密, 晶体小、无孔洞、无夹渣裂纹等缺陷。

修复工作委托昆钢联合激光公司进行, 利用一台2kW的激光机, 对所需修复部位进行手工熔覆修复。在修复中要求选用合理的熔铸金属, 以保证修复部位的金属机械性能。在各部位激光修复后再进行金切加工, 然后对轴承配合部位进行耐磨层喷涂 (钴基镍铬合金) , 恢复到受损前的原始尺寸。修复后对转子作动平衡检验, 剩余不平衡量左为10.05g、右为6.107g (合格值为小于50g) 。

5 月12日处理完装配试车各振动数据见表2, 罗茨鼓风机振动大大降低, 确保了设备安全正常运行。

5. 结论

(1) 设备故障诊断技术是提高设备检修质量和效率的有效手段。

(2) 诊断测点及方向的选定对提高诊断的准确性有举足轻重的作用, 监测测点应尽量地反映机器可能出现的各类故障信息。

(3) 机械设备振动故障形式多种多样, 各不相同, 原因是复杂和交错影响的, 振动故障源也可能是多源头的, 所以应综合采用多种监测技术和手段。

罗茨风机常见故障分析与技术改进 篇4

罗茨风机输送的风量与转数成比例, 气体脉动性小, 振动也小, 噪声低。叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间始终保持微小的间隙, 在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。风机内腔不需要润滑油, 结构简单, 运转平稳, 性能稳定, 适应多种用途, 已运用于广泛的领域。罗茨鼓风机是有色、黑色金属冶炼系统中的重要设备之一, 广泛应用于各工艺流程。钢铁行业淘汰落后产能, 抑制和优化布局, 将影响罗茨鼓风机的需求。随着国家节能减排的要求越来越严格, 大量涌现的新兴产业, 随着空气分离等行业, 而这些行业的罗茨鼓风机具有广泛的应用范围。然后迅速的新兴市场, 水处理, 航空运输, 和其他潜在的应用行业具有很大的潜力。水处理行业是近年来快速发展的行业, 在销售行业中罗茨鼓风机的快速增长。此外, 气力输送的快速增长, 气体分离等新兴产业的发展也使罗茨风机行业发展前景好。作为一种常见的源设备, 罗茨鼓风机具有许多潜在的应用, 一旦市场发展的前景, 市场容量将快速增长。

罗茨鼓风机按照其工作方式的不同可以粗略分为单级与双级之分, 其中只有一个压缩级的鼓风机, 我们称之为单级鼓风机, 而将两台单级鼓风机串联起来, 对气体连续进行两次压缩的鼓风机我们称之为双级鼓风机。如果罗茨风机在选矿工作中不能正常工作, 那整条选矿生产线, 就要停止工作。在污水处理工程中罗茨风机是整个工程的心脏, 细菌的存活与生长全依赖罗茨风机的作用, 一旦罗茨风机发生故障且不及时排除, 整个污水处理工艺就瘫痪了, 细菌死了就要重新培养, 需要花费1～3个月的时间。在水泥烧制、物料输送中都是关键设备。

2 罗茨风机故障分析及解决方法

3 罗茨风机技术改进

泄漏及异常振动。描述:大型油罐从叶轮异物和灰尘的泄露, 叶轮与壳体受到影响;由于过热在叶轮进口处与套管摩擦;由于结垢或异物使叶轮失去平衡;由于超载, 叶片轮碰撞造成的轴向变形。分析:在较低的水平;密封更换;轴承或轴承座更换;明确的通风口, 重型齿轮保证间隙;清洗机, 检查底盘受损;设置在2mm孔径插头中间腔, 在打开插头壁;叶轮和壳体的清洗叶轮间隙, 以确保工作;检查过滤器和背压, 提高叶轮进口和套管压力间隙;检查叶轮上, 并调整间隙。风机是不是由风扇速度极限的影响, 无论怎样的风速变化可以保持不变。

3.1 增加注脂孔。

在墙板上正对轴封处钻φ12×500深孔4个, 直通轴封, 便于加注润滑脂, 孔口攻螺纹便于加脂后封堵。

3.2 增加储脂槽。

轴封上原安装4个胀圈间距相等8mm, 现将胀圈环槽中间间距放大为16mm, 车出储脂槽6mm宽, 5mm深。该储脂槽正对注脂孔起到液体密封作用。

3.3 加工轴封压盖。

因轴封衬套与墙板孔之间有1mm间隙, 为进一步堵死气体泄漏通道, 在轴封衬套与墙板间增加压盖 (规格φ330×φ245×12mm) , 压盖上车出密封槽, 槽内填充油毡垫, 油毡正对轴封衬套与墙板间隙, 用沉头螺钉固定。

3.4 改造轴承室, 增加油封。

轴承室内孔加深, 增加一道氟橡胶油封 (φ240×φ270×15mm) , 安装时采用“背靠背”方式安装, 使油封既封油又封气。原氟橡胶油封内锁紧弹簧使用不到一年就失去弹性, 将弹簧更换为橡胶圈, 安装在轴封弹簧位置, 安装时注意内紧外松, 达到油封应有的效果。

3.5 将泄漏煤气放空;

将泄漏至机壳与油箱之间的半水煤气直接放空, 减少半水煤气串入油箱量, 该措施属临时手段, 且泄漏煤气污染环境和浪费。将轴承润滑油分油孔由原来φ6mm扩为φ8mm, 油管换为φ8mm, 防止油路堵塞。

4 罗茨风机变频器改进应用

罗茨风机变频器的改造应用符合风机负载特性的二次方减转矩曲线, 可根据负载自行设定运行曲线调速节能。采用最新高速电机控制专用芯片DSP, 结构采用独立风道设计, 风扇可自由拆卸, 散热性好;无PG矢量控制、有PG矢量控制、转矩控制、V/F控制均可选择;内置国际标准的MODBUSRTUASCII通讯协议, 用户可通过PC/PLC控制上位机等实现。与传统的渐开线转子型线相比, 改进的转子具有较高的面积利用系数, 重合度或更高。不考虑回流和漏, 理论上它的工作效率很高, 运行更加稳定。回流间隙的增加, 对返混区压力的影响不大, 和回流流量变化明显, 增加排气流量脉动。两种相同的压缩比脉动特性的转子, 即压力比更高, 更明显的收益波动。改进的转子结构更加简单, 因为没有销齿圆弧结构, 降低了加工难度, 在低压力比工作条件下有不同的转子流量脉动更适合。

摘要：罗茨风机为容积式风机, 被普遍应用于石油化工、电力冶金、矿山建材、化肥造纸、污水处理以及轻纺加工等行业, 罗茨风机以其精度高、使用安全、寿命长, 结构合理紧凑, 体积和重量适中等等自身的优点, 大多将其用来输送空气或者一些气体。

关键词：罗茨风机,石化,叶轮

参考文献

[1]季亮.罗茨风机振动状态监测仪的研制及故障分析[D].大连理工大学, 2010.

[2]王国华, 柯品剑.煤气输送用罗茨风机常见故障检修与维护[J].通用机械, 2007 (3) .

[3]马景刚.罗茨风机噪声产生的机理及降噪措施的探讨[J].通用机械, 2003 (10) .

[4]张九灵.罗茨风机故障机理分析与诊断模型研究[D].中国石油大学, 2010.

罗茨鼓风机 篇5

关键词：风机,变质量系统,模型,计算机积分

0前言

对于新结构的罗茨风机,现有的性能计算方法具有很大的局限性。例如,如果风机的流量低、升压高或带有回流结构,计算结果与实际情况就不相同,甚至不能用现有的计算方法从理论上计算这类风机的性能。本文基于变质量系统热力学理论分析罗茨风机的性能,依绝热系统内气体的质量与能量守恒推导而出,采用了一个与罗茨风机实际运行过程接近的新数学模型。分析计算结果与实际相吻合。

1 数学模型的建立

在这一新数学模型中,将一个控制容积作为研究对象。这个控制容积由转子、机壳(包括机壳所在的假想回柱面)和两侧墙板围成(见图1)。由于控制容积的变化过程随一个转子每旋转180°重复一次,因此只研究一个变化过程。

首先,确定过程的初始位置或上一个过程的结束位置,变化过程中的各位置由计算角度来决定。不同风机有不同的结构及不同的初始位置,初始位置应取决于不同的结构,并由转子旋转角度来决定。

其次,利用变质量系统热力学来分析从初始位置到结束位置过程中控制容积的变化。随着转子的旋转而绕轴旋转的控制容积,其边界上存在许多随不同的位置变化的开口,一些开口面积也就随不同的位置而变化,将它们简化为三组开口:进风口端开口,出风口端开口和回流口。控制容积变化的全部过程化解为以dt为时间的微元过积的累积(假设在每个dt步程内控制容积内的气体均匀分布)。

2 计算公式

假定工作介质为理想气体,控制容积内的热力学状态方程为[1]:

在变质量系统中内能可表示为[2]:

质量守恒定律为:

式中下标i表示进入控制容积;e表示流出控制容积;cv表示控制容积。

能量守恒定律为:

将控制容积参数代入式(3)和式(4)得:

式中下标o表示出风口端开口;i表示进风口端开口;j表示回流口开口。

由于准确计算控制容积内的热交换δQcv比较困难,

令δQcv=(1-ηQ)dU,

假设系统吸热时δQcv为正值,取ηQ=1.0～1.3,将δQcv代入式(6)得:

将式(2)及h=CpT代入式(7)有:

其中dmcv=δmcv及δmo=Qm0dt;δmj=Qmjdt;δmi=Qmidt

假设控制容积边界开口的气体流动为绝热稳定流动,且该气流的边界功与位能均忽略不计。如果压比值低于临界压比,质量流量方程式表示为:

如果压比值等于或高于临界压比,质量流量方程式表示为:

式中下标s—表示滞止状态C—绝热流动系数,取0.6～0.8。

利用式(5)和(8)可以计算出步程时间dt结束时控制容积内的温度增量dTcv和质量增量dmcv,利用式(1)即可算出压力增量dPcv;由此确定温度Tcv、压力Pcv和质量mcv。这些参数即为控制容积内下一个步程时间dt开始时的初始参数。在每个步程dt内重复上述计算,则在全过程结束时即可得出最终结果。

累积结果值ml即为由控制容积泄漏到进风口端总质量:

m1=∑δmi

经换算即可得到由控制容积内经进风口端开口泄漏出的泄漏流量Ql,cv

式中n—转速

泄漏流量Q1·lob是通过两转子间间隙的泄漏量,计算与Ql·cv类似。

Ql·cv与Ql.lob之和即为风机的泄漏量:

3 结果讨论

3.1 新方法、现有方法的分析结果及试验结果

我们选择了A、B、C三种尺寸的风机验证本方法的准确性,三种风机的流量和温升的计算结果与实验结果见图2。很明显,新方法计算出的结果与试验结果十分吻合,且新方法能够满足带有回流口结构风机的计算要求,还能够计算现有方法不能继续计算的位置。而现有方法的误差较明显、尤其在t-P图中。对普通型式风机,新方法的计算结果与试验结果十分接近。对于具有不同结构或用于不同场合的各种罗茨机械,由于在数学模型中直接采用了微分方程,并由计算机进行积分迭代[3],通过适当修正,本方法可得出精确结果。

——实验结果;○新方法计算结果;□现有方法计算结果

3.2 现有计算方法产生偏差的原因

3.2.1 不合理的热力学模型

现有模型把风机看作为气流的通道,数学模型与转子旋转没有关系,罗茨风机被视为安装在管路中的一块板子,风机的间隙被看作为板子上的喷气小孔,转子也被处理为固定不动,这就造成了数学模型与风机转子旋转中气体流动的实际过程相差很大,采取适当的修正,其计算结果可以满足一定范围的罗茨风机的需要。如果风机尺寸较小、压比较高,特别是带有回流口结构,计算结果与实际相差较大。

3.2.2 数学模型不收敛

如果由压比升高造成的风机容积效率降低、超过约15%时,现有方法将不收敛,不能继续计算。

3.2.3 难以预测的结构

由于现有方法提出较早,难以将回流结构考虑在内,也没有考虑回流冷却和预压缩的影响。

4 结论

依变质量系统热力学理论分析推导的罗茨式风机性能的新计算方法,由于在数学模型中直接采用了微分方程并由计算机迭代循环积分,对不同结构或用于不同场合的风机,均可得到准确的结果。经试验证明:计算结果与试验结果十分吻合。

参考文献

[1]郑令仪,孙祖国,等.工程热力学[M].国防工业出版社,1983.

[2]吴沛宜,马元.变质量系统热力学及其应用[M].高等教育出版社,1983.

[3]苏春模.罗茨鼓风机流量特性的规律及应用[J].风机技术, 1994,(2):18-22.

[4]熊滨生,陈江义,熊安然,等.三叶罗茨风机的流量特性研究[J].流体机械,2005,33(12):27-29.

[5]熊滨生,冯力,熊安然,等.矩形排气口罗茨风机的回流分析[J].矿山机械,2006,34(5):38-39.

[6]谭浩强,等.FORTRAN语言FORTRAN 77结构化程序设计.清华大学出版社,1990.

[7]熊滨生,熊安然,李秀明,等.大流量三叶罗茨风机的全绝热效率及温度特性分析[J].郑州大学学报工学版,2006,27(3): 32-35.

[8]熊安然,熊滨生,杨国良,等.大流量三叶罗茨风机的流量特性及噪声分析[J].中原工学院学报,2006,17(2):35-38.

罗茨鼓风机 篇6

关键词：罗茨风机,PLC,STL语言

罗茨风机以其升压高、流量大的特性在工业应用中占有非常重要的地位，但是目前多数罗茨风机都是采用直接启动或软启动驱动的方式，这种方式使系统操作维护简单但不节能。变频器驱动罗茨风机已经渐渐成为罗茨风机的主要驱动方式。笔者就变频器驱动罗茨风机流量控制提出一种算法，根据罗茨风机的流量特性在PLC中实现了罗茨风机的出口流量控制。

1 罗茨风机简介

罗茨风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧 (图1) 。风机内腔不需要润滑油，结构简单、运转平稳、性能稳定，适应多种用途，其应用遍布污水处理、烟尘脱硫、物料输送、瓦斯及易燃易爆气体输送、重油喷燃及高炉冶炼等领域[1]。*

罗茨风机有两叶和三叶两种结构，目前使用最为普遍的是三叶型。三叶型叶轮每转动一次由两个叶轮进行3次吸、排气。与二叶型相比，气体脉动性小，振动也小且噪声低。风机两根轴上的叶轮与椭圆形壳体内孔面，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。风机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合。

转子上每一凹入的曲面部分与气缸内壁组成工作容积，在转子回转过程中从吸气口带走气体，当移到排气口附近与排气口相连通的瞬时，因有较高压力的气体回流，这时工作容积中的压力突然升高，然后将气体输送到排气通道。两转子依次交替工作。两转子互不接触，它们之间靠严密控制的间隙实现密封，故排出的气体不受润滑油污染。

2 罗茨风机流量计算

由于罗茨风机的结构特点，罗茨风机的风压是不受风机转速限制的，不论转速变化如何其风压可以保持不变[2]。而风量则与风机转速成正比，即Q=KN，其中Q表示风量，N表示风机转速，K为系数。在这里K为一个常数，由环境温度、大气压力等决定。而风量调节完全由变频器改变电机频率达到无级变速，起到调节风量的效果。根据现场应用，工艺风机的调节范围在15～50Hz运行，由于采用罗茨风机的送风工艺基本是一致的，因此在不同的应用场合风量调节量是基本相同的，而采用变频技术进行罗茨风机调节则可以获得40%左右的节能效果[3]。

公式Q=KN是罗茨风机的基本流量计算公式，但是不能简单地利用这个公式来计算罗茨风机的流量，必须考虑环境温度、大气压力及升压变化等因素。通常将罗茨风机流量Qs定义为标准吸气状态 (绝对压力101.325kPa、温度20℃、相对湿度50%) ，介质为空气时罗茨鼓风机的进口流量，这样在非标准状态下的流量必须进行换算。进气流量用基准状态 (温度为0℃、绝对压力为101.325kPa) 下的流量Qn表示时，根据厂家提供的风机性能表，实际进气流量Qs按下式计算:

式中Ts——吸入气体温度，℃;

Qb——气体内泄漏量，m3/min;

Qth——理论流量，m3/min (根据要求升压下的进口流量，由性能表查得) ;

Qsa——标准吸入状态下的实际流量，Nm3/min (选型后性能表所示的流量) 。

3 罗茨风机流量算法求解

由于罗茨风机的流量和转速成正比，在工程应用中可以将风机转速和流量曲线表示成线性关系，这样可以得到如图2所示的转速-流量曲线坐标图。

图中P1, P2, P为风机出口压力，n1, n2, n为转速，A, B, C分别表示不同出口压力下的转速流量曲线。其中A为出口压力为P2 (P2>P1) 时的转速流量曲线，B为出口压力为P1 (P2>P1) 时的转速流量曲线。根据罗茨风机的特性出口压力高时流量较低，出口压力低时流量较高。C为出口压力为P (P2>P>P1) 时的转速流量曲线，它是实际要计算的流量曲线，相对应的转速n (n1>n>n2) 和P的交点就是实际需要的计算流量，这样就能根据n和风机的出口升压来计算出风机的流量，图中P1/Q1表示在升压为P1时转速n1所对应的流量为Q1。首先根据几何关系可以得到如下公式:

此公式可以得出在n1转速下升压为P时风机的进口流量Qn1。然后根据计算得到的Qn1得到如下公式:

这样便可以得到在升压为P、风机转速为n时的风机进口流量Qn，这里的Qn就是式 (1) 、 (2) 中的Qsa。根据式 (3) 、 (4) 对应查风机厂家提供的风机参数性能表，便能够计算出实际应用时的风机流量 (表1) 。

Nm3/min

4 算法实际应用

按照上节所述Qn就是实际生产中利用转速n控制的流量，在工程应用中使用变频和PLC就能够控制转速n[4]。在风机的附近安装远传绝压压力变送器和温度传感器做计算中的校正参数。利用计算出的Qn套用式 (1) 、 (2) 就可以得到经过校正后的风机输出流量。在风机出口管道中同样安装远传压力变送器和温度变送器做温压补偿计算使用。在工业编程语言中LAD、STL、FBD是基本的编程语言，在这里使用了西门子的STL语言实现上述算法[5]。将此算法封装为一个功能模块方便以后的系统调用。

由于篇幅限制，下面仅给出式 (3) STL语言的实现过程，其他公式和过程可以参照此过程。算法中TWORD1、TWORD2、TWORD3均为临时变量。

5 结束语

罗茨风机以其可靠的设计、优秀的性能在工业环境中有着广泛的应用，笔者所采用的流量计算控制方法简单易行。实际使用证明，这种控制算法有着较高的稳定性，能够有效地适应环境的变化，通过此算法也能够方便地实现指定风机流量来计算风机的转速，从而实现恒流量控制功能。

参考文献

[1]蔡华锋, 杨清峰, 高敏.高海拔下罗茨风机参数的修正[J].水泥, 2010, (12) :48~48.

[2]陈红, 贺文庆.变频调速技术在煤气加压罗茨风机上的应用[J].电气传动自动化, 2002, 22 (2) :59~60.

[3]季若庸.罗茨风机风压和电机功率的选择[J].中国铸造装备与技术, 1996, (6) :41~42.

[4]王念春, 季幼章.罗茨风机中应用变频调速技术的节能分析[J].电工技术杂志, 2001, (11) :15~16.

罗茨鼓风机 篇7

淮安同方水务有限公司四季青污水处理厂改 (扩) 建工程中生物曝气系统选用3台3HE-200型罗茨风机 (山东章丘鼓风机厂生产, 风量60m3/min, 轴功率108.2kW) , 配备YUP315M-4型变频电机 (荣城市荣佳电机有限公司生产, 额定功率132kW, 额定电流240.4A, 工作范围5～50Hz) , 1台罗茨鼓风机由1台ABB ACS510-01-246A型变频器 (额定功率132kW, 额定电流245A) 驱动调速。设备调试过程中, 按ABB变频器说明书要求, 选定标准应用宏, 并向9905、9906、9907参数分别输入电机额定电压、功率以及频率。启动风机后, 电机工频时工作正常, 从变频器上助手控制盘可以看出, 电机电流在正常范围内。但当频率向下调节时, 电机电流反而上升, 频率在40Hz时, 电机电流近似额定电流, 频率再下降一点, 电机电流则超过额定电流, 运行一段时间后, 变频器即过载保护停机。较快将变频器由50Hz每隔5Hz降频调节, 同时记录助手控制盘显示的频率、电流 (表1, 由于非工频及高次谐波原因, 普通数显钳形电流表测得的电流值误差可能会很大, 为此应采用带FFT功能的电量表或直接读取变频器控制盘上电流显示值) 。3台风机电机电流与频率对应关系类似, 从常规角度认为, 电机运行频率下降, 罗茨风机轴功率也就下降, 电机电流应该下降。

2. 问题分析及处理措施

罗茨风机变频系统接线见图1, 根据罗茨风机特性, 罗茨风机风量Q、轴功率P、转速n存在如下关系:Q1/Q2=n1/n2, P1/P2=n1/n2。可以看出, Q、P均与n成正比, 即n越高, Q、P越大, 反之亦然。

三相对称电路消耗电功率为, 对于变频器输出端, 则为, 其中I2是电机线电流基波有效值, 即变频器输出电流基波有效值, U2是电机线电压基波有效值, 即变频器输出基波线电压有效值, 假设由工频向下调节频率时电机的cosφ不变, 那么I2增大原因只能是U2降低造成。变频器在频率变化过程中其输出电压也必须按一定规律变化, 若电压不变而只降低频率, 那么电机磁路就会过饱和, 严重时会烧毁电机。在变频过程中电压与频率之比 (U/f) 为恒定值时, 电机磁通基本不变, 电机机械特性硬度以及电机驱动负载转矩的能力不变。但是对于离心水泵、离心风机等转矩与转速成平方关系的负载, 由于转速下降时, 转矩成平方关系下降, 因此没有必要要求电机输出转矩能力不变, U/f为平方型可在很大的频率变化范围内使负载运行更平稳。ABB ACS510系列变频器供用户选择的U、f变化规律有: (1) 1=LINERE (线性, 即U/f恒定) , 用于恒转矩负载场合, 这类负载转矩不随转速变化而变 (图2a) 。 (2) 2=SQUARE (平方型) , 用于风机及水泵负载, 这类负载转矩与转速平方成正比 (图2b) 。 (3) 3=FREELY DEFINED (用户自定义) , 用户通过5点自定义一个U/f规律曲线, 以适应除 (1) 、 (2) 外其他负载的要求。

由图2可以看出, 如果选定U/f为线性, 则在变频过程中, 加在电机上的电压与频率一样按同样的规律变化, 如选定U/f为平方型, 则频率降低时, 加在电机上的电压会降的更低。检查该变频器U/f参数的设置, 发现3台变频器的U/f参数均为缺省设置2, 即适用于风机水泵的平方型。由于罗茨风机是风机类负载, 以往在离心风机变频调速时将U/f参数设置为平方型从未出现过降低频率时电流增加的现象, 为此查阅大量关于罗茨风机的资料, 同时联系风机生产厂家, 得出的结论是罗茨风机在风机类负载中比较特殊, 基本属于恒转矩负载而不是像离心风机那样的平方转矩负载。将参数2605 (U/f) 设置为1 (线性) , 从公式P1/P2=n1/n2和可以得出, 假设调频过程中cosφ不变, 则频率由工频向下降低时I2不变。设置参数后开机试车, 3台风机降频过程中再未出现电机电流增大现象, 记录频率与电流关系见表2, 结果与理论推测基本一致 (电机电流的变化是由于电机在不同频率工作时cosφ不同造成的) 。

3. 结束语

罗茨风机在污水处理行业应用非常广泛, 变频调速时经常因不能准确理解U/f参数而错误设置, 导致出现种种问题而费解。由于自身结构特点, 罗茨风机虽然是风机类负载, 但基本属于恒转矩负载, 因此对罗茨风机进行变频调速时, 不可笼统将变频器U/f参数设置为适用于风机水泵负载的平方型, 否则会出现上述现象。另一方面, 罗茨风机在电机及变频器配置裕量较大、调速范围相对较小情况下, 将U/f设置为平方型, 尽管降频过程中电机电流增大, 但可能不会超过额定电流, 调速系统也能正常工作, 然而从宽频率范围内风机稳定运行角度出发, 还是应将U/f设置为恒定。

摘要：针对罗茨风机变频调速系统运行中出现的异常现象, 进行分析, 调整相应参数, 给出罗茨风机使用建议。