开题报告：30KW动压气浮曝气风机设计

开题报告题目名称：30KW动压气浮曝气风机设计题目类型：30KW动压气浮曝气风机设计学生姓名：专业：学院：班级：指导教师：年月日一、选题背景、研究意义及文献综述1、选题背景我国是一个水资源比较贫乏的国家，目前全国2/3的城镇面临缺水危机。随着工业化进程加快，产生了大量的污水。目前，污水处理工艺五花八门，但其中使用最普及、运行数量最大、也最成熟的技术是活性污泥法。在该法中保证污水处理效果非常重要的一部分是曝气系统。下图1就是曝气系统在某污水处理厂的使用情况。曝气系统所消耗的能量占整个系统所消耗能量的一半以上、设备的维护费和基建费在污水处理系统中也占有相当比重。因此，曝气系统的设计，安装，运行和管理在整个处理系统中举足轻重，在如今提倡高效节能，环保的大背景下，选用节能、环保的鼓风机尤为重要。在污水处理系统中通常使用的风机基本上不外乎以下两大类：容积式鼓风机（旋片式、罗茨式）；离心式鼓风机（旋涡式、多级离心式风机、单级高速离心式风机）。常见的这些鼓风机存在诸多问题，如耗电量大，噪声大等[1]。图1某污水处理厂曝气系统现场上世纪80年代前，由于鼓风设备少，多数采用罗茨鼓风机，优点是价格便宜，耐用；缺点是效率低，噪音高。上世纪80年代中期多数采用多级离心风机，因污水处理规模大，使用罗茨风机台数多，故改用多级离心风机。特点是转速相对低、噪音低、设备结构简单、维护简便，流量随背压变化而变化，但多台风机联动时易产生互相干扰,不适合变水位处理工艺。上世纪90年代中期，多数选用单级高速涡轮离心鼓风机，该机转速高、噪音高、转速一定时风压比较稳定，流量变化范围较多级离心风机宽，但仍属带功调节，优于罗茨风机及多级离心风机，无需变频装置。但设备精度高而复杂，需要润滑循环系统和冷却系统等，维护不易，辅助系统也需能耗。该风机适用于大型污水处理厂。本世纪初选用磁悬浮鼓风机或空气悬浮离心鼓风机。对各类处理工艺都适用,特别对中小型污水处理厂选用两类悬浮鼓风机更合适[2]。下面就简单介绍一下单级空气悬浮离心鼓风机在污处理方面的运用，能有效地解决诸如上述等问题。空气悬浮离心鼓风机，是一种全新概念的离心鼓风机，遗弃了传统单级高速涡轮鼓风机所必需的转速齿轮、联轴器、冷却系统和油润滑系统，它具有效率高、噪声低、振动低、磨损低、无冷却系统及无油润滑系统等优点。大大提高了产品技术性能及运行可靠性。同时，设备系统简化，外形尺寸缩小，辅助设施少，占地、建筑面积小，安装方便，输出的空气中不含油分，是真正的无油离心鼓风机。主要广泛应用于污水处理行业，由主轴、永磁高速无刷直流电机、叶轮、蜗壳、密封、空气动压径向/止推箔片轴承和基座组成。其中，叶轮和电机永磁转子安装在主轴上形成旋转部件。2、研究意义2.1效率高和节能与罗茨鼓风机相比，可节能25％～35％；与传统多级离心鼓风机相比，可节能约15％～20％；与传统单级涡轮离心机相比，可节能约10％～15％。一般污水处理厂的生化曝气系统的能耗约占全厂能耗的50％～60％，如果选用曝气风机，３年内可收回成本。单级空气悬浮风机和现在普遍使用的罗茨风机做比较，最大有30%以上的效率提高,利用变频器可调节风量和风压[3]。由于单级高速离心鼓风机采用的空气轴承，是完全无油润滑方式，因此在效率方面相对其他产品有一定的优势。由于采用了可调范围更为宽泛的叶轮设计，并且摒弃了传统的导叶片调节方式，因此本鼓风机运行时将比传统类型的鼓风机更高效、节能。有资料表明，运行时只需变频控制电机转速就可在40％～100％范围内调节鼓风机的进风流量而无需采用任何其他辅助控制方式。在如今提倡高效节能，环保的大背景下，高效率的鼓风机类型将在市场占有主导地位。目前，我国空气悬浮风机制造技术，经过长期经验的积累，取得了长足进步，在今后技术进一步的发展中，为效率不断提高奠定了坚实的基础。2.2可靠性高、维护要求低由于采用了“高速直流电机”和“空气悬浮轴承”这两大核心高科技，摒弃了传统单级高速涡轮鼓风机所必需的增速齿轮、联轴器、润滑系统和冷却风扇等系统，从而大大提升了产品的工艺性能以及运行可靠性，避免了噪音、振动以及废弃润滑油等对环境造成的二次污染，大大减少了设备维护工作量，节约了设备维护成本。单级高速离心鼓风机经过各种状态的严格测试，证明其性能非常优异、可靠。由于结构简单，技术先进加上运用稳定可靠，减少了维护工作量，并且对维护的要求也比较低。2.3无振动、低噪声、环保和变频技术的优势由于采用了“空气悬浮轴承”技术，无复杂的转速齿轮、油润滑轴承，有效地避免了机械接触和摩擦，从而达到了低噪音及无振动的目的，距机器1米噪声测试，噪声值为80~85dB[2]。没有润滑系统，不产生有公害的废润滑油，维护当中也不产生废料，所以原则上达到了环保的效果。壳体内不需要润滑，气体不会被润滑油污染等优点。在污处理设计中为了节省耗电量，要根据曝气池的负荷来改变供气量，在英国有的污水处理厂已设置溶解氧自动控制装置，以减少不必要的能耗。在曝气池负荷不变的情况下，由于气温的变化，空气容重也在改变。如气温从40度下降至10度，空气的容重约增大19%。如风量不变，则供气量将大大超出曝气池的需要，同时，电机也将超负荷运行[1]。选用离心式鼓风机时，负荷选得过于富裕是无益的，往往因需调节风量而造成风机发生喘振。单级空气悬浮风机采用了变频系统，提供了定转速、定风压及定风量模式，可根据具体的需氧情况方便地调节风机供气量。2.4无润滑油系统及冷却系统采用空气悬浮轴承，不需要复杂的转速齿轮及油性轴承，达到了无油润滑的技术要求，也省却了循环油泵等辅助系统，提高了设备的可靠性，减少了设备维护工作量。小机型采用空气自冷技术，配有电机散热翼翅。3、文献综述本文所涉及到的曝气风机，包括了高速永磁无刷直流电机的设计、空气悬浮轴承的选型、和离心鼓风机叶轮的设计，具体如下：3.1高速永磁无刷电机无刷直流电机的基本构成包括电机本体、控制器和转子位置传感器三部分，如图2所示。输出电机本体控制器直流电源输出电机本体控制器直流电源转子位置传感器转子位置传感器图2电机构成框图1.电机本体永磁无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机相似，包括永磁转子和绕组定子，但没有外壳和轴承支撑。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数组成。电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电机的气隙中建立主磁场，其不同之处在于，永磁无刷直流电机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢装在定子上。定子多相绕组的作用是产生反应磁场与转子磁钢所产生的主磁场相互作用，从而推动转子旋转。超高速电机转子的一个不同点是永磁体外围会有保护层，使电机安全的运行。2.转子位置传感器位置传感器和电子开关线路相配合，起到与机械换向相类似的作用，位置传感器在永磁无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换向信息,即将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定子绕组换向。一般转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机转子同轴，以跟踪电机转子磁极的位置，其定子固定在电机定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。但是在设计的永磁无刷电机中只需要一个定子信号检测部分，直接检测磁极的位置来控制定子绕组换向。3.控制器控制器是用来控制电机定子上各相绕组通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。作为控制电路的核心，功率逻辑开关单元将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电机定子的各相绕组，以使电机产生较为稳定的转矩,但是各相绕组导通的时间和顺序主要由位置传感器的信号决定。位置传感器信号处理单元的作用是将位置传感器产生的信号、停车信号及正反转信号进行一定的逻辑处理后去控制功率开关,实现电机控制。当定子绕组的某些相导通时，该电流与转子永久磁钢的磁极相互作用产生转矩，驱动转子旋转，这时位置传感器检测转子的位置并变换成电信号，该电信号再经过位置传感器处理单元的处理去控制功率开关单元，从而使各相绕组按照一定的次序导通。由于功率逻辑开关单元导通次序与转子转角同步，因而起到了有刷电机中机械换向器的作用。3.2空气悬浮轴承空气箔片动压轴承是由一层或多层波纹状波箔和顶箔组成的具有良好柔性表面的动压气浮轴承，依靠轴与轴承表面相对运动，挤压一定粘性的气体形成压力润滑气膜达到支承和润滑的作用。这种轴承无油润滑系统，能量损耗低，效率高。空气箔片动压轴承动压原理如图3所示，当两个相对运动的表面存在一个楔形空间时，相互运动的表面不断地带动气体进入楔形槽内，使得楔形槽内形成具有一定压力的动压气膜，当气膜压力足够大以至于能够支承起负载时，转轴被浮起摩擦力消失。在空气箔片动压径向轴承中，轴与轴承存在一定的偏心形成一个楔形结构，随着转轴转速的不断提高，楔形空间中的气膜压力不断增大，气体动压润滑膜形成。经过几十年的发展，空气箔片动压轴承结构形式不断地改进，形成了结构各异的空气箔片动压轴承，轴承的承载力和工作性能也得到了很大的提高和改善[5]。按照起弹性支承结构的不同形式，目前空气箔片动压径向轴承主要分为以下几种：张紧型、多楔型、缠绕型、波箔型、悬臂型。图3空气箔片轴承动压原理示意图1、张紧型张紧型箔片径向轴承，是最早的一种弹性箔片轴承，由英国ThomsonHouton公司的A.A.Pollock于1928年研制成功[5]，并在1953年首次由Bloek.H和VanRossomJ.J对其进行理论论证和试验研究，1965年Eshel和Elrod又采用完全挠性和一维流动模型再次对张紧型箔片轴承进行静、动特性分析[6]。随后的十多年时间里，人们对其进行了理论分析和结构改进，美国Ampex公司就将其由L.Licht改进的一种新型轴承成功的应用于透平能量转换器，也在Braton循环涡轮发电机和一些高速涡轮机械中使用，最高转速可以达到21.0xl04r/min；但到了70年代后期它就逐渐被其它形式的箔片轴承所取代[7]。2、多楔型多楔型箔片气体动压轴承是由德国M.Glenicke教授在1979年设计提出的，并借鉴合适的物理模型计算了它的静态参数、刚度和阻尼。这种轴承由厚度较小的柱形弹性衬片和按一定次序排列的肋板组合而成，转动时产生的气膜是动压气膜。3、缠绕型缠绕型箔片气体动压轴承也是在70年代末期由美国的L.Licht研究提出[8]，它是使用一张连续的箔片缠绕成多成装入轴承座内而成的，最内层是光滑的圆柱形，其它的是准多边形。4、波箔型波箔型空气箔片动压轴承是当代使用和研究最多的动压气体箔片轴承，它结构简单，由一层或多层波纹状波箔和顶箔组成。波箔型空气箔片动压轴承具有承载能力大、稳定性高、寿命长、较好的耐冲击性、高速和高温性能稳定等优点[9]，在实际中得到了较为广泛的应用。根据波箔型空气箔片动压轴承底层弹性结构的不同，可将波箔型空气箔片轴承划分为以下三代[10-12]：（1）第一代波箔型空气箔片动压径向轴承第一代波箔型空气箔片径向轴承是20世纪60年代末由美国MTI公司在美国能源部和美国航空航天局的共同资助下开发完成的。轴承由一层波箔和一层顶箔构成，波箔和顶箔的一端通过焊接或者其他方式固定在轴承壳上，另一端处于自由状态，其结构如图4所示。图4第一代波箔型空气箔片动压径向轴承（2）第二代波箔型空气箔片动压径向轴承1981年Bhushan和Gray等人[13]对第一代波箔型空气箔片动压径向轴承进行了结构上的改进，将原来的整条波箔片沿周向或轴向分割成多条宽度不同的细条波箔片，相邻箔带上的波纹相互交错分布，单条箔带上的波纹布置更加灵活，其结构示意图如图5所示。第二代波箔型空气箔片动压径向轴承提供了一种更自由的波纹分布形式，使得轴承的刚度能够根据需要灵活调整，承载力和稳定性都有较大幅度提高。图5第二代波箔型空气箔片动压径向轴承（3）第三代波箔型空气箔片动压径向轴承第三代波箔型空气箔片动压径向轴承具有更复杂的弹性结构分布形式，在弹性结构的形状和数量较传统波箔型空气箔片轴承都发生了明显的变化，通常第三代波箔型空气箔片动压径向轴承具有增加波箔支承点以减小顶箔的下陷和刚度根据挠度可变的两个重要特征。1999年Heshmat提出了一种新型的波箔型空气箔片动压径向轴承[14]如图6(a)所示，顶箔和波箔之间额外添加了一块多孔箔带，这种布置能够防止顶箔的下陷和气体润滑膜的泄露。图6（b）为Kang和Sacille等人[15]提出的另一种第三代波箔型空气箔片动压径向轴承，这种轴承有两块具有不同波纹数量和不同刚度的波箔，低负载时刚度较软的波箔起主要支承作用，在较高负载较高转速时较硬的波箔能够提供更大的刚度。这种刚度可变的结构不仅能够更好的适应负载的变化，同时对轴承运行过程中的气膜有较好的稳定性。图6第三代波箔型空气箔片动压径向轴承5、悬臂型20世纪60年代末为了解决航空航天技术发展过程中遇到的轴承在高转速下使用寿命减小和稳定性较低的问题，在美国空军（USAF）与美国航空航天局(NASA)支持下成功开发出悬臂型空气箔片轴承，并将其成功应用到波音系列民航客机，F系列战斗机，麦道DC-10，A300B、A-7E歼击机等飞机的座舱空气循环系统中。悬臂型空气箔片轴承表面由若干个叶型箔片组成，因此又叫叶型空气箔片轴承，这些箔片沿轴承座内壁依次均匀叠加排列，叶型箔片一端刚性的固定在轴承壳内壁的凹槽内，另一端与相邻箔片自由的叠加在一起。轴承的内径可以通过调整叶型箔片的厚度和箔片数量来控制。悬臂型空气箔片轴承是目前应用最为成功空气箔片轴承之一。经过比较，在本文的设计中，我们选取第二代波箔型空气箔片动压径向轴承作为曝气风机的主轴轴承。3.3离心鼓风机汽轮机（或电动机）带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进气部分进入叶轮，由于工作时叶轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了压缩机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作叶轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过弯道、回流器来实现。这就是离心式鼓风机的工作原理。离心式压缩机由转子及定子两大部分组成。转子包括转轴，固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有气缸，定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。本文主要涉及到叶轮的结构设计。1、蜗室的设计

对于蜗室型线的设计基于两个认识前提：①蜗室中不同截面处的流量是不同的,在任意截面处，气体的容积流量是与位置角成正比的；②如果蜗室的型线能保证气体自由流动，这时蜗壳壁对气流即不发生作用(理想状态下，实际上是应该努力消减这种相互作用)，则在不考虑粘性的情况下，气体在蜗室内的运动将遵循动量矩不变定律。确定蜗室的型线主要有下面两种方法：一种是蜗室的型线按气体自由流动的轨迹来设计，这样蜗室外壁和气流之间没有相互的作用，气体在蜗室中的流动规律便为动量矩不变规律(不计摩擦的影响)。根据动量矩不变，可得到速度沿径向分布规律，然后由通过截面的流量来求得截面积大小和蜗室外壁的直径。另一种方法为给定蜗室内各截面的平均速度Cm的变化规律，再由通过截面的流量来计算截面积的大小和确定蜗室外壁的型线[16]。2、叶轮的设计在进行三元叶轮形状设计以前，必须根据一元流动估算，确定满足一定级性能的叶轮几何参数及进出口截面上的气流参数。这些参数包括：叶轮进口直径、出口直径、出口宽度、出口角度、进口流速、叶轮转速、叶片数、叶片法向厚度等。有了这些参数后，即可进行三元子午流线的正交网格，有了这个正交网格，就可以进行径向面形状的设计[17]。（1）径向面形状设计径向面形状设计，主要是如何给出无厚度的叶片中面在径向面上投影的形状。因为叶片中面可以用一系列回转面上的叶片中线来表示，而回转面上叶片中线的子午面投影与子午流线是重合的，这样叶片中线的、座标就为已知。但叶片中线的径向面投影(、座标),尚有赖于其座标的确定。叶片角的选取除了保证进口处无冲击和出口处满足一定的能量头外，主要应本着沿子午流线和子午法线变化均匀的原则。（2）子午面形状设计子午面设计包括确定轮盘、轮盖和叶片的子午面形状，另外还要初步确定子午流线和子午法线形成的正交网格。在轴向尺寸许可的条件下，盘、盖型线应尽可能采用大的曲率半径，但轴向尺寸也不能太长，否则会因磨擦损失大而影响叶轮效率。当盘，盖型线初步确定后可沿子午中线检查通道截面积，若不理想可对盘、盖型线进行修改直到获得较满意的面积变化曲线。叶片进口边形状虽然随叶轮不同而异，但值得注意的是应防止气流在进口处发生堵塞，当叶轮进口面积太小时应考虑采用长短叶片。子午面轮廓形状作出后，即可画子午法线与式中为出口叶片角座标，由设计者确定。下图7为CFturbo计算出的流量25m3/min、升压1bar、转速为36000r/min的鼓风机流道。图7鼓风机流道图（3）正命题求解及形状的修改当叶轮几何形状初步确定以后，即可进行正命题求解，求出中间流面上各点的相对速度及叶片表面的速度和。当流道中的相对速度与有关准则相差较大时，应适当修改轮盖(或轮盘)的形状，以改善叶轮中的相对速度分布。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题曝气风机的工作原理，气动设计与结构设计；曝气风机的叶轮流道一维气动设计，电机散热结构设计；设计该型号曝气风机的整机结构，并绘制三维模型图以及核心部件的加工制造二维CAD图，包括主轴、叶轮、密封、空气动压径向/止推箔片轴承（选型）、电机。研究步骤、方法查找文献，做设计计算，计算出各个部件的基础参数。按照计算好的各个参数，利用CFTURBO软件生成离心风机叶轮的三维模型。利用CAD、UG、SW等二维三维软件对已有的径流涡轮三维模型进行几何编辑，画出曝气风机的整体结构图，对于不涉及气体流动或对流动影响不大的部分可简化处理。画出装配体。以下是具体研究流程框图：否是整机三维模型绘制轴系设计轴承选型：内径50mm的空气悬浮轴承无刷直流电机设计：约30KW叶轮设计完成效率是否满足要求CFD数值模拟（NUMECA）二维气动计算（CFTURBO）:叶型，转速一维气动计算（经验公式）:比转速、进出口汽流角、安装角已知设计参数：流量：20~30m3/min压比：否是整机三维模型绘制轴系设计轴承选型：内径50mm的空气悬浮轴承无刷直流电机设计：约30KW叶轮设计完成效率是否满足要求CFD数值模拟（NUMECA）二维气动计算（CFTURBO）:叶型，转速一维气动计算（经验公式）:比转速、进出口汽流角、安装角已知设计参数：流量：20~30m3/min压比：1.7转速：36000~40000r/min2.22～2.28接受设计题目，查阅高速曝气风机的最新进展和相关文献，包括教材，硕博士论文，期刊论文，专利等，注意随时记录；2.29～3.06进行外文翻译；3.07～3.13对文献进行综述，初步完成开题报告；3.14～3.20进行开题答辩并完善开题报告；3.21～4.03曝气风机叶轮与流道的气动计算；4.04～4.17永磁无刷直流电机的结构研究；4.18～4.24曝气风机叶轮及其蜗壳的三维图绘制；4.25～5.01永磁无刷直流电机、动压箔片径向/止推轴承的三维图绘制；5.02～5.08主轴设计、三维图的和二维图的绘制；5.09～5.15密封和基座三维图绘制；5.16～5.22修正每个部件的三维模型，对整机进行三维图装配。5.23～6.05撰写毕业论文；根据评阅教师意见修改设计和论文；6.06～6.19制作PowerPoint答辩文稿，答辩。五、主要参考文献[1]杨龙军.单级空气悬浮离心鼓风机及其在污水处理厂的应用探讨[J].数码世界,2015,(11):61～63[2]谢长焕.NEUROS空气悬浮离心鼓风机在污水处理厂的推广应用[J].绿色视野,2007,(11):33～36[3]张彬彬.TURBOMMAX空气悬浮鼓风机及其在高原污水处理厂的应用[J].石油化工设备,2015,44(4):81～84[4]肖江成.超高速永磁无刷直流电机的设计与分析[D].[硕士学位论文].广州：广东工业大学,2011[5]王法义.空气箔片轴承设计制造及其静态和动态特性实验研究[D].[硕士学位论文].长沙：湖南大学,2014[6]周兰.悬臂式箔片气体动压轴承的稳定性分析[D].[硕士学位论文].淄博：山东理工大学,2011[7]侯予,熊联友,王瑾,刘井龙.陈纯正箔片式动压径向气体轴承的发展[J].润滑与密封,2000,(2):2～5[8]LichtLazar.Resilientfoiljournalbearing[P].US,US4133585A,1979.01.09[9]刘占生,许怀锦.波箔型动压气体径向轴承的应用与研究进展[J].轴承,2008,(1):39～43[10]KrzysztofNalepa,PawePietkiewicz,Grzeg