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康普艾集團的銷售和服務網絡遍布全球100多個國家和地區，全球諸多知名公司如通用、奔馳、寶馬、大眾、安利、雀巢、巴斯夫、三星、現代等，都在使用著康普艾的優質產品及享受康普艾便捷的服務。公司具有強大的研發實力和精良的制造加工能力，產品不論從原材料和元器件的采購、檢驗，還是整機的安裝和調試均嚴格按照ISO9001程序進行，在生產過程中嚴格執行六西格碼（6Sigma）質量管理，追求產品零缺陷。
在環保執法力度不斷加大，錯峰生產常態化的背景下，水泥企業節能減排已經刻不容緩。在水泥生產中，風機能耗巨大，約占總能耗的30%~35%。近兩年來，很多水泥企業在技改過程中，針對鼓風機進行了升級，將羅茨鼓風機更換為高效節能的空氣懸浮離心鼓風機?？諝鈶腋‰x心鼓風機摒棄了傳統鼓風機所必需的增速齒輪、聯軸器、潤滑和冷卻風扇等系統，從而提升了產品的效率、工藝性能以及運行可靠性，避免了噪音、振動以及廢棄潤滑油等對環境造成的二次污染，減少了設備維護工作量，節約了設備維護成本。
1 空氣懸浮離心鼓風機基本原理及特點
空氣懸浮離心鼓風機現場照片見圖1，它是一種應用航空發動機設計經驗開發的全新概念鼓風機，其基本原理是通過空氣懸浮軸承支撐和變頻器控制的高速永磁同步電動機直接驅動同軸離心葉輪做功，輸出無油潔凈空氣。它具有供氣量大、運行平穩、效率高、結構簡單、噪音低、占地面積小、重量小、使用年限長、維修量小、無須潤滑、氣體不會被油污染等優點，節能效益顯著。該產品主要涵蓋了空氣動壓箔片軸承、高速大功率永磁電動機、高效氣動系統、變頻控制和檢測監控技術等核心技術。
圖1 空氣懸浮離心鼓風機現場照片
1.1 空氣動壓箔片軸承
空氣動壓箔片軸承是一種采用彈性元件作為支承的自作用式動壓氣體軸承，與傳統的剛性和滾珠軸承相比，具有轉速高、無污染、摩擦功耗低、壽命長、工作溫度范圍寬、穩定性好和自適應性強等諸多優點，在低溫制冷、航空航天以及國防等領域具有重要的應用價值和廣泛的發展前景[1]?？諝鈶腋‰x心鼓風機依靠空氣力場使轉子懸浮并保持高速運轉。這種軸承與傳統的滾柱軸承不同，運行時回轉軸和軸承之間沒有物理接觸點，無須潤滑油，能量損耗低。為了保護啟動停止時的軸承表面，采用了高溫固體涂層，不需要維護，可長期運行，目前可實現無故障20?000次啟停，按每天啟停一次計算，可運行54.79年。
1.2 高速大功率永磁電動機
隨著永磁材料性能的不斷改善和提高，特別是釹鐵硼、釤鈷永磁材料的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電動機研究開發經驗的逐步成熟，高速永磁電動機的研究開發進入了一個新階段[2]。特別是由于軍用及民用需求日益增多，國內外針對高速永磁電動機的研究也逐步深入。石家莊金士頓軸承科技有限公司根據國家環保要求及軍民融合的戰略需求，采用空氣動壓箔片軸承為支撐進行了高速永磁電動機為核心的空氣懸浮離心鼓風機的研制、生產及銷售，目前已經形成了功率15~300 kW、轉速20?000~100?000 r/min，近50余種產品譜系分布。高速永磁電動機在轉子強度、轉子系統動力學、電磁設計、冷卻系統設計與溫升計算、高速軸承以及控制器的研制等方面存在許多常規電動機所不具有的特殊關鍵問題，其設計是一個集電磁場、轉子強度、轉子動力學、流體場與溫度場等多物理場多次迭代的綜合設計過程[3]?？諝鈶腋‰x心鼓風機采用了高速直聯電動機，與常規的依靠齒輪增速形式的風機有本質的區別。由于沒有了齒輪增速，大大減少了因為機械傳動和機械摩擦而產生的能源消耗，大大提升了效率。通過變頻器調節電動機轉速來調節風量，精度較高?？諝鈶腋‰x心鼓風機主機如圖2所示。
圖2 空氣懸浮離心鼓風機主機
1.3 高效氣動系統
葉片式流體機械中，能量轉換是在帶有葉片的轉子及連續繞流葉片的介質之間進行的。當介質可壓縮的時候，介質的能量應包括宏觀的動能及介質的內能。在流體機械中，內能與介質的焓值密切相關。介質流過機器后焓值的變化量，不僅和葉輪所做的功有關，而且與機器內部的熱力學過程及熱量的傳遞有關。為保證所需的能量頭，鼓風機的轉速通常較高，這就必須考慮到流動的馬赫數對鼓風機工作的影響以及葉片在離心力作用下的強度問題。為防止鼓風機在運行時發生喘振，在設計時就要盡可能使鼓風機有較寬的穩定工作區域。在進行葉輪設計時，采用較小的葉片出口角，這種葉輪具有較寬的穩定工作范圍和平坦或陡降的性能曲線。另外，在確定鼓風機的設計點時，離喘振點有一定的距離，一般要求喘振流量小于0.8倍的設計工況流量。
1.4 變頻控制和檢測監控技術
在鼓風機與管網系統聯合工作時，一般要求鼓風機的工作點在設計點上。但在實際運轉中，由于用戶要求不一樣，鼓風機工作點可能有變動，這時就需要移動鼓風機或管網的工作點，以滿足用戶要求。常用的調節方法有：（1）出口節流；（2）進口節流；（3）采用可轉動的葉片；（4）采用可轉動的進口導葉；（5）采用可轉動的擴壓器葉片；（6）變速調節；（7）改變臺數調節等。目前空氣懸浮離心鼓風機采用PLC與變頻調速控制系統，PID自動調節風量風壓，使風機工作范圍內達到最經濟運行狀態?？刂葡到y對轉速、風壓、風量、溫度等進行自檢，具備防喘振和報警自動停機功能。
1.5 典型空氣懸浮離心鼓風機測試
根據研制要求建立了高速永磁電動機與空氣懸浮離心鼓風機集成進行性能測試。驅動系統采用Vacon變頻器，電動機轉速為34?200 r/min，殼體振動峰值小于3 m/s2，定子溫升在90 ℃以內。經測定電動機效率為97.5%。風機測試現場照片如圖3、圖4所示，振動測試結果如圖5所示。
圖3 空氣懸浮離心鼓風機氣動測試照片
圖4 電動機輸入電流波形
圖5 振動測試
1.6 空氣懸浮鼓風機與羅茨鼓風機的對比
羅茨鼓風機屬于容積式鼓風機，依靠旋轉時葉片間的容積變化將空氣擠出機殼，理論上，如果轉子、機殼強度和電動機功率足夠的話，其排氣壓力可以一直增加。羅茨鼓風機的另一特點是其排氣流量只與其轉速有關，在排氣壓力有波動的時候（峰值不超過額定排氣壓力），只要轉速不改變，流量基本上也是不變的。而這種使用工況在水泥行業中最為常見。
空氣懸浮鼓風機屬于離心式鼓風機，有喘振和阻塞兩種特性，在這兩種區域內是不允許運行的。針對水泥廠的需求，在明確所需流量的前提下，恒流量模式可適應現場壓力脈動的工況，通過安裝在風機進口處的流量傳感器，實時檢測風機的入口流量。當排氣壓力發生變化的時候，當前轉速下的流量值亦會發生改變，從而偏離設定的流量值，此時中控PLC便會根據流量偏離方向，發出提升或者降低轉速的指令，讓實時流量重新回到設定流量。GF100/0.4機型性能曲線見圖6，在鼓風機允許運行的區間內，恒流量調節可以覆蓋的壓力范圍為20~40 kPa，流量范圍為40~95 m3/min，所用工況在該區間內即可。
圖6 典型空氣懸浮鼓風機性能曲線
2 空氣懸浮離心鼓風機在水泥行業的應用
水泥廠可以使用空氣懸浮離心鼓風機用于氣體輸送、粉塵物料輸送、煙氣脫硫等。目前金士頓軸承科技有限公司的空氣懸浮風機已經在北京金隅北水環?？萍加邢薰?、邯鄲金隅太行水泥有限責任公司、河北金隅鼎鑫水泥有限公司、河北金隆水泥集團有限公司、淶水金隅冀東環?？萍加邢薰?、河南孟電集團水泥有限公司、臨朐山水水泥有限公司、銅川聲威特種水泥有限公司、平陰山水水泥有限公司等多家水泥企業應用，并得到了高度認可。主要應用的工序有一次風機、窯頭/窯尾喂煤風機、均化庫庫下風機等。代替原有的羅茨風機，設備運行工況為出口升壓25~120 kPa，單機最錦工量300 m3/min。抽取的典型節能數據見表1，應用工況照片見圖7、圖8。
表1 頭煤風機節能對比數據
圖7 均化庫庫下風機
圖8 窯頭送煤風機
3 結束語
空氣懸浮離心鼓風機是一種高效節能的新型環保離心鼓風機，憑借節能、低噪音、無油、運行可靠、操作維護簡便和半永久壽命等優勢，將成為未來最節能的流體設備之一 。金士頓公司是繼韓國科學技術研究院之后世界上第二家自主研發生產空氣懸浮離心鼓風機的企業，打破了韓國長達13年的技術壟斷，可在水泥、食品、污水、化工等領域廣泛使用，實現節能目的。
作者單位：石家莊金士頓軸承科技有限公司
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