鼓风机文献综述

1.概述

目前的大部分鼓风机机壳多采用铸造技术进行设计，机壳刚性强、振动小、噪声低、运行平稳、便于安装。但对于一些需求量较少的（可能就一两台），机壳若仍采用铸造成形，则会使生产周期过长，且成本加大。因此，鼓风机生产企业考虑用焊接成形方法制作鼓风机机壳，这样可以很大的节约成本，方便进行表面美化和设计，但是采用焊接所带来的强度、刚度、稳定性等方面的问题，需要分析计算和结构优化，以满足其使用要求。

大型轴流压缩机主机体积庞大，直径最大处4.2米，总长超过l0米，内部结构复杂，构精度要求高，制造难度大。实物内部结构如图1.1所示。

图1-1 大型轴流压缩机装配现场[16]

目前轴流压缩机机壳采用铸钢制造，实物外形如图1.2。此类大型产品一般都是订单式生产，对产品型号和类型的不同要求使得企业制造难度增大，生产成本增加。针对此问题，企业想通过改进制造方法，用焊接机壳代替铸造机壳的办法降低成本，提高产品竞争力，设计模型如图1.3所示。如此巨大的焊接机壳能否满足产品设计要求，以及焊接变形和残余应力复

杂等问题都是设计人员最关心的。通过有限元仿真[1,2]，可以获得机壳在刚度和强度方面的特性参数，预知机壳焊接中的变形趋势，这将为机壳的设计和改进提供可靠的参考，大大提高设计效率，降低设计成本。

大型轴流压缩机焊接机壳是在原有轴流压缩机铸造机壳的基础上进行结构改进和创新设计后得出的新产品。与原来的铸造机壳相比，焊接机壳具有多方面的优势。本文在有限元理论基础上，利用有限元软件ANSYS，首先对焊接机壳的应力及变形情况进行分析。

图1.2 轴流压缩机铸钢机壳实物

图1.3 轴流压缩机焊接机壳模型

由于轴流压缩机在工作过程中，机壳上存在温度梯度，温度最高处和温度最低处温差达3000 0C左右，所以机壳在工作中要受到温度场的作用而产生热应力和应变：同时，机壳自重，转子重量，以及相关部件的总重量达220吨左右；转子运转中由于偏心产生的向心力和振动都作用在机壳上。而整个机壳在工作中只有四个支撑座支撑。在温度场和力的作用之下，机壳会发生一定的变形，在某些部位会产生较大的应力，机壳的变形和应力大小都会影响到工作过程中的性能[4]。所以，我们主要针对工作时机壳的极限受载状况进行研究，通过有限元软件的数值模拟分析，得出相应的结构特性数据，作为结构设计和优化的参考，对实际生产制造具有重要意义。

在制造中，焊接过程是非常复杂的，焊接的质量直接影响到机壳的整体质量和结构精度，所以在结构分析的基础上，对机壳焊接情况进行深入计算和分析具有同等重要的实际意义。

本文通过大型轴流式压缩机焊接机壳结构特性的系统分析，对大型复杂焊接类结构件的有限元分析中的建模、网格划分、载荷与约束施加、结果后处理等问题进行讨论和研究[14]，总结出一套对大型焊接结构件切实可

行的有限元系统分析方法，为有效缩短设计周期、降低设计成本、提高产品可靠性等方面提供了保障，也为同类产品的结构特性分析提供了参考。

2 几种鼓风机的工作原理

1. 罗茨风机、罗茨鼓风机的工作原理

罗茨风机为定容积式风机，输送的风量与转数成比例，三叶型叶轮每转动一次由2个叶轮进行3次吸、排气，与二叶型相比，气体脉动变少，负荷变化小，机械强度高，噪声低，振动也小。在2根平相行的轴上设有2个三叶型叶轮，轮与椭圆形机箱内孔面及各叶轮三者之间始终保持微小的间隙，由于叶轮互为反方向匀速旋转，使箱体和叶轮所包围着的一定量的气体由吸入的一侧输送到排出的一侧[5]。各支叶轮始终由同步齿轮保持正确的相位，不会出现互相碰触现象，因而可以高速化，不需要内部润滑，而且结构简单，运转平稳，性能稳定，适应多种用途，已运用于广泛的领域。

2. 离心式鼓风机的工作原理（同离心泵）

当电机转动带动风机叶轮旋转时，叶轮中叶片之间的气体也跟着旋转，并在离心力的作用下甩出这些气体，气体流速增大，使气体在流动中把动能转换为静压能，然后随着流体的增压，使静压能又转换为速度能，通过排气口排出气体，而在叶轮中间形成了一定的负压，由于入口呈负压，使外界气体在大气压的作用下立即补入，在叶轮连续旋转作用下不断排出和补入气体，从而达到连续鼓风的目的。同等功率下，风压和风量一般呈反比。同等功率下，风压高，风量就会相对低，而风量大，风压就会低些，这样才能充分利用电机的功效率。

3. 回转式鼓风机结构与工作原理:

鼓风机压力范围：0.1~0.5 kg f /cm2回转式鼓风机结构精巧，主要由下列六部分组成：电机、空气过渡器、鼓风机本体、空气室、底座（兼油箱）、滴油嘴。鼓风机靠汽缸内偏置的转子偏心运转，并使转子槽中的4支叶片之间的容积变化将空气吸入、压缩、吐出。在运转中利用鼓风机的压力差

自动将润滑送到滴油嘴，滴入汽缸内以减少摩擦及噪声，同时可保持汽缸内气体不回流。

4. 离心式鼓风机结构与工作原理:

旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能，其结构如图所示。叶轮1安装在圆筒形(风机为圆锥形)泵壳 3 内，当叶轮旋转时，流体轴向流人，在叶片叶道内获得能量后，沿轴向流出。

离心鼓风机、罗茨鼓风机、回转式风机的特性的区别[6]:

1）如果负载需要的是恒流量效果的情况时就用罗茨鼓风机。因为罗茨鼓风机属于恒流量风机，工作的主参数是风量，输出的压力随管道和负载的变化而变化，风量变化很小。这也是罗茨鼓风机越来越受用户青睐的原因之一。罗茨风机是一种高压风机，罗茨鼓风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，把气体由吸入的一侧输送到排出的一侧。

如果负载需要的是恒压效果的情况时就用离心风机。因为离心风机属于恒压风机，工作的主参数是风压，输出的风量随管道和负载的变化而变化，风压变化不大。离心式风机，风压力不大。空气的压缩过程通常是经过几个工作叶轮（或称几级）在离心力的作用下进行的。离心风机属于平方转矩特性，而罗茨风机基本属于恒转矩特性。

2）罗茨鼓风机一般来说风量比较大，压力也比较大，同样罗茨风机噪音也很大。

如果需要风量比较小，对噪音要求比较高，就选用回转式鼓风机，回转式鼓风机同样属于恒流量风机，工作的主参数是风量，输出的压力随管道和负载的变化而变化，风量变化很小，回转式风机是变容压缩，其主要特点是：低转速，低噪音，低振动，高效率，高节能。

3 结构特性研究中数值模拟技术应用现状

在制造业领域，随着竞争的日益激烈，对于新产品的合理性、可靠性、