鼓风机

鼓风机是指利用旋转叶片与气体的相互作用来压缩与输送气体的机械。^[1]按工作原理可分为容积型和速度型两种类型。^[9]容积型鼓风机的工作原理是做功部件在密闭结构的容器内，通过往复运动实现容积压缩，对空气做功鼓风。^[10]离心鼓风机是速度型鼓风机的一种，它的工作原理是采用扇面或叶轮并利用电机带动空气转动，从而使从进风口吸人的气流在机壳内作离心运动，再由出风口一侧送出。^[11][12]

常见的鼓风机可划分为罗茨鼓风机、螺杆鼓风机和离心鼓风机，离心鼓风机的典型代表有空气悬浮离心鼓风机和磁悬浮鼓风机。^[13]离心鼓风机主要由下列六部分组成：电机、空气过滤器、鼓风机本体、空气室、底座（兼油箱）和滴油嘴。^[8]鼓风机内部又包含蜗壳、集流器和叶轮这三个主要部件。^[14]

鼓风机广泛应用于城市污水、工业废水等水处理工程、以及冶金、化工、水产养殖、气力输送及矿山浮选等行业和部门，鼓风机输送介质以清洁空气、清洁煤气、二氧化硫及其他惰性气体为主。也可按需生产输送其他易燃、易爆、易蚀、有毒及特殊气体。还可用于锅炉和工业炉窑的通风和引风，空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风，谷物的烘干和选送;风洞风源和气垫船的充气和推进等。^[2]

鼓风技术是冶炼金属过程中不可或缺的一部分。早在公元前3000年的中国就已出现了冶金术，在公元前500年左右，中国进入了铁器时代，冶炼铁器便成为了生产力发展水平的标志。冶铁技术的进步也同时影响了鼓风设备的发展，在多种因素合力作用下鼓风技术表现出特有的发展脉络。鼓风技术是将一定压力的气流鼓入炉内，使燃料充分燃烧，提高炉温，提高冶炼效率。鼓风设备是鼓风技术实施的物质基础。早期冶金可能使用自然风，后来随着对高温的需求而发展为强制鼓风。最早用于强制鼓风的器具是扇和吹管（橐）。根据中国的考古发掘材料，在青铜时代早期就已经出现较原始的鼓风设备，到了西周时期就已使用一座炉配四具鼓风器的冶炼设备，真正的冶铁鼓风机械装置是在春秋战国时期，伴随冶铁术的进步而发展起来的。鼓风设备从最初的皮橐发展成了马排、水排再到木扇、木风箱，其机械结构以及机械原动力呈现出由简单到复杂再到小型化、简单化的发展脉络。^[15]

吹管属于鼓风辅助器械，可产生较高的气压，但排气量受限于肺活量，只适于小型冶炼。吹管的起源较早，使用也很广，在古埃及、古代中国、印度、东南亚等地的金匠曾使用吹管鼓风。^[16]鼓风皮囊的出现第一次实现了鼓风性能的提升。鼓风皮囊依靠体重或肢体力量驱动，并且制作和使用都比较简便。但是由于鼓风嘴不能伸进炉内，无法形成密闭结构，因此炉内气压依然会受到限制。为了提升更高的冶炼水平，就出现了能够手动控制进风口开闭的鼓风皮囊。^[17]曾在印度、欧洲、中国、日本等地区的冶炼技术中使用。另一种提升性能的方法是安装活门，利用气流自动开闭使鼓风操作简化。在中国、意大利、阿拉伯、葡萄牙等国家的考古资料中均出现过这种鼓风皮囊。同时也为畜力、水力鼓风的应用奠定了基础。^[18]

中国东汉时期使用的畜力和水力鼓风，使鼓风性能又一次获得大幅提升；之后鼓风器也开始向着提高效率、适用性及耐用性方向发展。《墨子·备穴》记载：“具炉橐，橐以牛皮炉有两缶[fǒu]，以桥鼓之百十。”这种皮囊鼓风器是将牛皮蒙在缻[fǒu]上制成，采用两个皮囊交替鼓风。古代欧洲曾长期使用一种楔形的木囊鼓风器，也称为“手风琴式鼓风器”。用于冶炼、矿井通风，甚至用作水泵。^[19]

在希腊化时期的古代欧洲还出现过一种水压式鼓风器。它是通过向容器内注水，将空气排出，利用水的重力直接对空气做功。这种鼓风器被称为喷水管鼓风器，曾用于欧洲的冶炼场所。1736年，瑞士人特利瓦尔德就曾设计了此类型的鼓风器，还曾在18世纪瑞典达拉纳省法伦铜矿大型铜厂里使用过。水压式鼓风器结构简单，结实耐用，但气流中水蒸气较多不利于冶炼。这种鼓风器仅在欧洲和阿拉伯地区使用，其他地区尚未发现。^[20]

随着木工工具和加工工艺的进步，鼓风器演变成活塞式鼓风器，使用全木质封装，可承受更高气压；采用水力或多人驱动，能产生更高的气压和流量；采用活塞式结构，机械效率高于皮囊式鼓风器，实现了鼓风器性能又一次大幅提升。这种活塞式鼓风器在古代中国、日本和欧洲都出现过，比如中国的木扇鼓风、日本的踏鞴鼓风、欧洲的楔形木扇等。这种平动活塞式鼓风器一直沿用至近代，是现代压缩机的前身。^[21]马达加斯加岛曾出现过有一种巧妙的双活塞鼓风筒，这种鼓风器在做往复运动时，一个活塞朝两个方向都能鼓风，能够形成连续的鼓风效果。^[22]中国传统双作用活塞式风箱便具备这种特点，在中国南宋时期刊刻的《演禽斗数三世相书》中，绘有两幅简单的风箱，这便是采用双作用方形活塞式的风箱。^[23]

古代鼓风器的另一种类型就是离心式鼓风器，扇车就是这种鼓风器的代表。在中国南宋时期的《古今合璧事类备要》中就有使用水力驱动的扇车用于纳凉的记载，《武经总要》也记载了用风扇车向地道中吹烟气。《论金属》中记载了16世纪欧洲扇车被用于矿井通风。日本也使用了封装式扇车用于矿井下通风。^[24]

根据不同的工作原理，鼓风机可分为容积型和速度型两种类型。^[9]容积型鼓风机的工作原理是做功部件在密闭结构的容器内，通过往复运动实现容积压缩，对空气做功鼓风，能产生较高的静压。^[10]离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似，只是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。鼓风机有一个高速转动的转子，转子上的叶片带动空气高速运动，离心力使空气在渐开线形状的机壳内，沿着渐开线流向风机出口，高速的气流具有一定的风压。有开放式、半敞式和封闭式三种封装方式。^[11][12]

离心式鼓风机主要由下列六部分组成：电机、空气过滤器、鼓风机本体、空气室、底座（兼油箱）和滴油嘴。^[8]鼓风机内部又包含蜗壳、集流器和叶轮这三个主要部件。集流器可以将气体导向叶轮，叶轮入口气流状况是由集流器的几何形状来保证的。集流器的形状有很多种，主要是：筒形、锥形、筒锥形、弧形、筒弧形、弧锥形等。^[14]

叶轮一般有轮盖、轮盘、叶片、轴盘四大部件组成，其结构的连接方式主要是焊接和铆接。按照叶轮的出口不同的安装角度，可分为径向、前向和后向三种。叶轮是离心风机最重要的部分，由原动机驱动，是离心叶轮机械的心脏，负责由欧拉方程所描述的能量传输过程，离心叶轮内部的流动受叶轮旋转和表面曲率的作用还伴有脱流、回流和二次流现象，从而使得叶轮内的流动变得复杂。叶轮内部流动状况，直接影响着整级乃至整机的气动性能和效率。^[14]

蜗壳主要是用来收集从叶轮出来的气体，同时可以通过适度降低气体速度将气体的动能转化为气体的静压能，并引导气体留出蜗壳出口。学者为了了解离心鼓风机内部的真实流动状况，改进叶轮设计和蜗壳设计以提高性能和效率，针对离心叶轮和蜗壳做了基础理论分析、实验研究和数值模拟计算。^[14]

罗茨鼓风机主要由驱动端墙板、机壳、齿轮侧墙板、定位轴承、齿轮、主油箱、从动叶轮部、主动叶轮部、注油杯、轴端骨架油封以及自由端轴承等零件组成，相关附件还包括进气消声器、空气滤清器、传动装置、排气消声器、弹性接头、泄压阀装置、压力表、单向阀、底座、地脚螺栓等。^[28]

罗茨鼓风机外形为卧式结构，有皮带轮传动和联轴器传动两种，进排气口采用上进下排方式。机壳进排气口遮壁线形成螺旋式结构，与叶轮顶部的直线构成三角形进排气口；叶轮为两叶直线型；主轴由电动机通过V型带或联轴器带动，通过齿轮箱内同步齿轮的作用，使机体内的两个叶型叶轮相向旋转。^[29]

磁悬浮离心式鼓风机的主要部件包括高效离心叶轮、磁悬浮轴承、同步永磁电机和专用变频器四部分。叶轮是采用三元流设计方法，使用高强度铝合金材料；永磁电动机采用磁悬浮轴承，最高转速可达42000rpm；通过可控的电磁吸力使转轴稳定地悬浮，在旋转过程中转轴不受任何机械阻力；用调节频率的方法来控制永磁电机的转速，进而控制鼓风机的流量。电机控制系统、磁悬浮控制系统以及整机控制系统合为一体。^[30]

罗茨鼓风机属于容积式鼓风机，是回转式鼓风机的一种，利用两个叶形转子或三个叶形转子在气缸内做相对运动来输送气体。通过一对同步齿轮的啮合传动，由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气口排出，气体经罗茨风机没有内压缩过程。罗茨鼓风机具有零部件少、体积小、稳定性好、结构紧凑等优点，广泛应用于化工、半导体、纺织等行业。^[3]罗茨鼓风机常用在中小型的硫酸厂。罗茨鼓风机具有往复式压气机能够保持转速与风量间正比关系的特点，即在转速一定时风压稍有变化，送风量可保持不变；同时也具有离心式鼓风机转速高、不用气阀和曲轴、重量较轻、应用方便等优点。缺点是出口受阻碍时，容易导致压力升高，甚至造成机器本身损坏。随着使用时间的推移，两只转子间的间隙、转子与机壳间的间隙会逐渐扩大，从而导致送风量下降。^[31]

单极高速离心鼓风机是进入20世纪90年代，随着“三元流动理论”在离心式压缩机和鼓风机设计上的应用而发展起来的产品。单极高速离心鼓风机在设计上采用了三元流动设计理论，使单极离心式鼓风机效率高达82%以上，远优于多极离心鼓风机，在结构上采用了轴向进气导叶调节装置，在恒定压力下，流量调节为额定电流的65%~105%，单台流量调节范围45%-100%，使得在低负荷条件下运行也有较高的效率，这是低速多极鼓风机和罗茨鼓风机所没有的优点。由于单极高速离心鼓风机具有体积小、重量轻、效率高、节约能源、性能范围调节广泛和自动化水平高等特点，目前已是污水处理行业曝气鼓风机的主流产品。^[4]

离心鼓风机又称透平鼓风机，气体在旋转的叶轮作用下，获得压力和流速的增大，可以实现连续送风。其工作原理为当电机转动从而带动风机叶轮旋转，气体在离心力的作用下甩出并改变流向，动能转换为静压能，从排气口排出气体，同时在叶轮间形成一定负压，使外界气体在大气压的作用下补入，达到连续鼓风的目的。离心鼓风机根据叶轮数量分为多级离心鼓风机和单级离心鼓风机。多级低速离心鼓风机正常是指转子在2只或2只以上的叶轮串联在同一根主轴上，至多可有八级风叶，转子转速为3000~3600r/min的离心式鼓风机。离心鼓风机一般选用进口节流调节流量与压力，使风机在较低的功率下运行，不需要放风调节，且能保持同额定工况基本相同的高效率，用于压力流量都不稳定的工况。^[4]

多级离心鼓风机的送气量一般较大，但所产生的风压不高，出口表压一般≤110kPa，流量一般在130m/min左右。与罗茨鼓风机相比，低速多级离心鼓风机由于具有噪声较低、风机运行平稳可靠、效率较高等优点，自20世纪80年代起，部分国家的污水处理厂逐渐用多级离心鼓风机取代了罗茨鼓风机，但仍存在体积大、质量重、流量调节性能差、效率偏低、能耗大等弊端。^[4]

目前的高炉鼓风机均采用叶片式风机，主要有离心式和轴流式两大类。离心鼓风机具有结构简单，运行可靠，设计点效率高，噪声较小等优点。离心式高炉鼓风机在中国有比较成熟的制造和使用经验，400m3以下的高炉在工业落后的地区和国家使用较为广泛。但随着高炉的增大，离心鼓风机的调节损失、外形尺寸及风机重量等都有较大幅度的增加，这就给制造、运输、安装和维护等带来很大的困难，而且同时还受到旋转件——叶轮材料强度、主轴刚度、电机启动等因素的限制，又使该风机运行的可靠性和经济性有所降低。而轴流式鼓风机具有结构紧凑、体积小、重量轻、负荷调节性好、使用范围宽、风机转动惯量小、电机易启动等特点，所以在大型化和现代化高炉上被广泛使用。中国在500m3以上的高炉中广泛采用了轴流鼓风机，在制造和运行方面也积累了一定的经验。^[5]

磁悬浮鼓风机主要采用的是磁悬浮轴承、高速永磁电机和三元流叶轮等技术。通过在电机主轴两端添加磁场让其悬浮，省去传统的齿轮箱和传动机，叶轮与电机直接连接，从而实现高效率、高精度、无摩擦和全程可控运行。同时，在高速永磁电机的转子上安装了永磁体，使三相电流通入定子绕组形成旋转磁场并带动转子旋转，实现了转子和磁极的旋转速度相等；而它的三元流叶轮采用的是全三元流后弯式设计，工况范围宽广。^[6]

磁悬浮鼓风机对变频器、高速电机、磁性轴承控制系统和配有微处理器控制盘等都进行了一体化设计，集中运行处理，鼓风机的转子被垂直放置于磁悬浮轴承控制器上并通过透平磁悬浮轴承设备连接。它的核心技术是磁悬浮轴承和永磁电机技术，直接在电机轴的延伸端上安装鼓风机叶轮，由高速电机直接驱动且不需要添加增速器和联轴器，通过变频器来调整电机转速。风机整体采用撬装结构，布置紧凑且安装便捷。叶轮采用的是高强度铝/钛合金，经过100%X射线探伤和115%超转速试验，确保了电机的高校可靠运转。风机的主要功能是实现鼓风，随着转子轴一同做高速旋转的叶轮带动空气，对空气做功。空气在蜗壳的导向与增压作用下成为具有一定流速与压力的气体，最后从蜗壳的出气口鼓出，从而让风机鼓风，实现一定压力和流量气体的输送。^[6]

磁悬浮鼓风机由于采用磁轴承支撑和高速直驱的工作方式，相比于传统鼓风机可以显著提高工作效率，具有清洁、静音、维护费用低，无需油膜润滑等优点，利用高速电动机直接驱动涡轮的方式，可省略鼓风机的增速箱及供油系统，使得鼓风机系统结构更加紧凑。^[32]

空气悬浮离心鼓风机是采用航天海鹰技术生产的新型鼓风机，它具有高效空气悬浮轴承、永磁高速电机及变频系统、航空三元流离心高精度叶轮、变频驱动与自动控制五大核心技术。无需齿轮箱增速及联轴器，由高速电机直接驱动，采用变频器直接调速，鼓风机叶轮直接与电机相连,轴被悬浮于空气轴承中。无物理接触点和齿轮增速系统,故空气悬浮鼓风机具有高效、节能、低噪音、运行可靠和长期无需维修保养的特点。同时，采用一体化紧凑型设计，集叶轮、高速电机、变频器、空气轴承及控制系统于一体,提高安装、操作的便利性。^[7]

磁悬浮离心式鼓风机是将磁悬浮轴承技术和高速电机技术融入传统风机而形成的一种高效、环保、节能的新型鼓风机。磁悬浮轴承是一种新型的高性能轴承，它利用磁场力使转子稳定悬浮在空中且转子位置可以通过控制系统进行控制。与传统轴承相比，主动磁悬浮轴承具有无机械接触、无需润滑、环境适应能力强、功耗低、转子转速高、系统可控性强等优越的性能。^[33]

鼓风机是污水处理系统中重要的设备之一，其核心部件为压缩机，是用来输送气体的。电耗大、运行成本高是污水处理厂普遍存在的问题。为降低污水处理过程设备的能耗，对鼓风机进行了变频节能改造，以PLC作为核心，利用变频器、传感器等实现鼓风机的节能控制，电能节能率可达20％～60％。随着污水处理控制系统的自动化水平的提高，污水处理厂的自动控制系统已经广泛采用集散式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备大量出现并得到应用。^[34]

离心鼓风机广泛应用于城市污水、工业废水等水处理工程、以及冶金、化工、水产养殖、气力输送及矿山浮选等行业和部门，用以输送空气或其他无毒、无腐蚀性的气体，还可用于锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。中国工业领域对离心鼓风机需求在不断增加，市场规模随之持续扩大，尤其是在环保产业，如污水处理、大气治理、废气处理等领域，对离心鼓风机的需求增长较为显著。随着中国对节能减排的重视和市场的渐趋成熟，以空气悬浮离心式鼓风机、磁悬浮鼓风机为代表的高端产品，成为了中国未来重点发展的产品布局。^[2]

中国鼓风机行业已进入成熟期，行业竞争格局初步形成。处于成熟期的企业服务标准化程度高，市场竞争激烈，各企业倾向通过横向并购来扩大其市场份额、提升市场地位。截至2023年，鼓风机行业兼并重组动因主要包括横向整合和多元化经营，其目的是为了克服企业负外部性，减少竞争，增强对市场的控制力。^[35]

从应用领域来看，中国鼓风机主要应用在环保、化工、冶金、电力等行业，随着中国节能环保政策的有效实施以及行业技术水平的不断进步，鼓风机设备的能效需求日益提高。磁悬浮鼓风机具有节能高效、低噪音等优势，因此产品需求也会在未来获得提升；同时，鼓风机也将越来越多地运用到环保行业中。^[13]

高炉鼓风机在高炉系统冶炼过程中起着关键性作用，但在整个冶炼过程中会消耗巨大的能源，约有80％电力消耗为鼓风机消耗。主要是因为无法做到精确控制防喘振阀筒位．不能保证高炉生产的稳定性和有效保护风机的安全．在工艺强扰动下不能有效防止喘振现象的发生，供风稳定性差；风机性能范围没有得到充分发挥，导致风机鼓风能力大干高炉冶炼需求，造成“大马拉小车“现象，存在长期大量放风运行等问题，导致能耗浪费严重。^[36]

随着中国节能减排力度不断加大，对高炉冶炼过程中的能源消耗提出了更高要求。高炉鼓风机节能技术通过对风机软件控制系统进行优化，采用了PCBB控制技术，使用气体压缩能量头计算来精确补偿风机喘振性能曲线随气温的变化；针对防喘振控制工艺的特殊需求，采用专用的智能化控制模块来取代原有的控制器。同时对高炉鼓风机实施变频改造，以达到减小风机启动电流、减少能源浪费的效果。相对于高炉控制系统优化，高炉变频控制虽一次性成本投入高。但收益时间长，具有更广的应用前景。^[36]

离心风机以其压力系数大、工作效率高、尺寸小以及拆装方便等特点，被广泛地应用在国民经济的各个领域和日常生活的诸多方面。随着科技的进步，人们对离心风机的性能要求越来越高，离心风机逐渐向着高转速、高性能的方向发展，以此而产生的气动噪声逐渐成为影响设备可靠性和使用舒适度的重要因素。^[37]

离心风机的噪声主要由气动噪声、机械噪声与电磁噪声组成，气动噪声作为风机噪声的主要组成成分，相比于气动噪声，机械噪声与电磁噪声基本可以忽略不计。通过采用离心风机叶轮结构的优化、设计多流道形式的导流板、设计阶梯结构的蜗壳以及吸声隔音优化技术，分别对鼓风机的进气、出气、放空、供气主功能区、电控电气区进行对应降噪结构研究，降噪效果获得了显著成果。^[37]