全自动生物质燃烧机叶轮的设计与试验研究

全自动生物质燃烧机叶轮的设计与试验研究
摘要：介绍一种作者自行设计的新型多翼式强前向叶轮，分析了其性能，列出了叶轮设计的计算公式，通过风机空气动力性能试验得出了该叶轮的p-Q特性曲线，并与国外进口生物质燃烧机叶轮的p-Q特性曲线进行对比分析。结果表明，该叶轮完全满足生物质燃烧机的工作要求，其性能达到国外同类产品的先进水平。
1前言
    随着我国国民经济的发展，能源多样化的推进和环保要求的提高，各类生物质燃烧机在各种需要热源的场合得到广泛应用。目前，我国对该设备主要依靠进口。据不完全统计，2003年我国国内各类生物质燃烧机的总需求量约为5万台，而同年进口各类生物质燃烧机近4万台，占国内生物质燃烧机总需求量的80%以上。要尽快提高国产生物质燃烧机的市场占有率，改变生物质燃烧机过分依靠进口的局面，就必须在提高生物质燃烧机生产企业的制造和管理水平的同时，加快生物质燃烧机关键零部件的国产化，降低生产成本。目前，国外**生物质燃烧机多采用多翼式前向叶轮，如德国威索、意大利意高、瑞典百通等。也有一小部分国外**生物质燃烧机采用后向叶轮或串联叶轮，如韩国庆东。这些进口生物质燃烧机在国内使用过程中经常产生回火现象，究其原因主要是由于国内与之相配套的炉体炉内压过高，而进口生物质燃烧机的抗炉内压的能力偏低造成的。为了进一步提高生物质燃烧机的抗炉内压能力，笔者通过对生物质燃烧机燃烧机理和配风理论的深入分析和研究，在吸收国际先进燃烧机叶轮设计和制造技术的基础上，结合多年从事热能设备开发的经验，设计了一种新型多翼式强前向叶轮。该叶轮在国产燃烧机上的成功应用提高了全自动燃烧机的抗炉内压能力。全自动燃烧机风机空气动力性能试验装置的成功设计解决了试验中存在的试验数据偏差大，电机过载的问题。该叶轮的设计对于提高我国国产全自动燃烧机的市场竞争力，加快国内全自动燃烧机产业的发展具有重要意义。
2全自动燃烧机对风机叶轮的要求
    风机在燃料燃烧过程中主要是为燃烧提供适量的空气，并形成有利于燃烧的空气动力场，使空气和雾态或气态燃料均匀混合，以达到迅速着火，稳定燃烧，充分燃烬的目的[1]。为了满足上述要求，要求全自动燃烧机风机具有较直的p-Q特性曲线，在负荷范围内风机风压大于炉内压，以利于平稳燃烧，不产生熄火及回火现象。另外，还要求风机的风压和风量与燃料燃烧相匹配，以提高燃烧效率，降低污染物的排放，达到洁净燃烧的目的。
3  叶轮的结构
    为了达到全自动燃烧机工作对风机性能的要求，设计了一种新型多翼式强前向叶轮。该新型叶轮具有较直的p-9睁性凸线，且风压较高，其静压、动压与全压的比例关系有利于全自动燃烧机点火性能的改善[2]。该新型多翼式强前向叶轮由前盘、后盘、叶片及平衡夹等零件组成。前后盘开腰圆形槽，叶片与前后盘铆接，铆接坚固后需在动平衡试验机上进行动平衡试验，以确定平衡夹的位置和质量。叶轮的结构如图1所示。
4  叶轮的设计计算
    (1)叶轮的计算
    叶轮参数D2：叶轮外径，mm; D1:叶轮内径，mm;R2：叶轮外半径，mm; R1:叶轮内半径，mm;Z．叶片数；Rk:叶片弯曲半径，mm;B：叶轮宽，mm;风：安装中心半径，mm; D2A:出口安装角，(0)；卢1A：进口安装角，(0)；f：节距，mm；C：叶片弦长，mm。
    (2)叶轮的平衡计算
    为了减少叶轮在旋转过程中由于径向跳动而产生的振动，进而减小全自动燃烧机在工作过程中产生的噪音，必须对叶轮进行平衡计算。通过对叶轮的平衡计算确定叶轮的平衡等级。
    已知参数：叶轮质量M, kg;转速坨，r/min；叶轮外径ID，mm;叶轮宽度日，mm。
    根据已知参数计算：Gr(“)（重积径>，彳（平衡精度级），G（平等等级）。
    当n-1 450～3 000 r/min时，叶轮的许用偏心距e=6.3 Um
    Gr(U) =Me    (8)
    A-eco mm/s    (9)
    根据彳值查平衡等级表，确定平衡精度等级。
5  叶轮的空气动力性能试验研究
    为了测试所设计的新型多翼式强前向叶轮的性能，对该叶轮进行了风机动力性能试验。该试验参考国家标准GB/T1236-2000《通风机空气动力性能试验方法》，采用进气风管试验装置。该装置由集流器、风管、节流网、整流栅、锥型接头、试验风机和静压测孔等组成。其中集流器使气流收敛，确保空气均匀进入风管。节流网调节
机的流量，以测量不同流量下的压力变化关系。整流栅起平稳气流的作用。另外，该装置前端的静压测量用于计算风机流量，后端的静压测量用于计算风机静压。
    由于该型全自动轻油全自动燃烧机所需的风量与风压比一般通风机小，因此在模型试验中如果仍按国家标准GB/T1236 -2000的要求进行试验，则必然造成电机**载和p一剑寺性曲线偏离等问题，不能得到有效唧一Q特性曲线。为了得到该型全自动轻油全自动燃烧机在实际工况下的p Q特性曲线，对风机空气动力性能试验装置进行了改进设计，主要有：
    ①测试风管采用圆形管．其内径Dp由该新型全自动轻油全自动燃烧机稳焰器处通流面积之和（相当直径ID．）确定，不是采用风机的进风口直径。
    ②由于D >Di，因此风管与风机间用锥型连接管进行连接，锥型接头符合如下要求：a．锥型连接管两端截面面积比不**过1.0～1.3;b．锥型连接管角度应<300。
表1  风机空气动力性能试验的风管尺寸
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┃          ┃进口截面积  ┃风管截面积  ┃  相当直径  ┃  风管直径  ┃
┃风机型号  ┃            ┃            ┃            ┃            ┃
┃          ┃    ／mm‘  ┃    ／mm2   ┃  Di/mm     ┃  _D。/mm   ┃
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┃  C5SH    ┃  6 647     ┃  11 309    ┃    92      ┃    120     ┃
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    该型全自动轻油全自动燃烧机风机空气动力性能试验的测试数据见表2。
表2风机空气动力性能试验数据
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┃            ┃  集流器静压  ┃                    ┃              ┃
┃  试验次数  ┃              ┃管道静压pe。。i/Pa  ┃  输入功率/w  ┃
┃            ┃    △肌／Pa  ┃                    ┃              ┃
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┃    1       ┃    108 78    ┃    1 274           ┃    74        ┃
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┃    2       ┃    144 06    ┃    1 337.7         ┃    776       ┃
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┃    3       ┃    185.22    ┃    1 302 42        ┃    848       ┃
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┃    4       ┃    258.72    ┃    1 181.88        ┃    960       ┃
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┃    5       ┃    411.6     ┃    1 076.04        ┃    1120      ┃
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┃    6       ┃    508.62    ┃    1 014.3         ┃    1 280     ┃
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┃    7       ┃    5 61.54   ┃    987.84          ┃    1 320     ┃
┣━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━┫
┃    8       ┃    729.12    ┃    867.3           ┃    1 536     ┃
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棍据所得试验数据进行分析处理，得到的结果见表3。串加热设备
表3风机空气功力性能试验数据处理结果
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┃      ┃            ┃            ┃            ┃            ┃          ┃  Ps“／Pa    ┃  pi/Pa     ┃    通风机压力/Pa                     ┃  通风机效率(%)       ┃
┃      ┃            ┃            ┃            ┃            ┃          ┣━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━╋━━━━━┳━━━━━┫
┃次数  ┃Q/m3 min-l  ┃  pdl/Pa    ┃  pd2/Pa    ┃  pdp/Pa    ┃  △酬Pa  ┃              ┃            ┃            ┃    Pd    ┃    尸      ┃    灯    ┃    77ei  ┃
┃      ┃            ┃            ┃            ┃            ┃          ┃              ┃            ┃    Ps,     ┃          ┃            ┃          ┃          ┃
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┃  l   ┃    7.6     ┃    227 8   ┃    45.0    ┃    78.7    ┃    7.4   ┃    1 196 0   ┃    968.2   ┃  968.2     ┃  45．O   ┃  1  013.2  ┃    23.3  ┃    22.3  ┃
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┃    2 ┃    8.7     ┃    3 01.7  ┃    59.6    ┃    104.2   ┃    9.8   ┃    1 25 8.3  ┃    956.6   ┃    95 6.6  ┃    59.6  ┃  1 016.2   ┃    24.4  ┃    22.9  ┃
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┃    3 ┃    9.9     ┃    3 87.9  ┃    76.6    ┃    13 4.0  ┃    12.6  ┃    1 289.7   ┃    9 01.9  ┃    901.9   ┃    76.6  ┃    978.5   ┃    24.4  ┃    22 5  ┃
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┃  4   ┃    11.7    ┃    541.8   ┃    107     ┃    187.2   ┃    17.5  ┃    1 300 8   ┃    759     ┃    759     ┃    107   ┃    866     ┃    22.5  ┃    19 7  ┃
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┃    5 ┃    14.7    ┃    8 61.9  ┃    170.3   ┃    297.8   ┃    27.9  ┃    1 437.5   ┃    575.6   ┃    575.6   ┃    107.3 ┃    745.9   ┃    21    ┃    16.2  ┃
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┃    6 ┃    16 4    ┃    1 065.1 ┃    210.4   ┃    368     ┃    34.5  ┃    1 528 5   ┃    463.5   ┃    463.5   ┃    210 4 ┃  7 673.9   ┃    18.4  ┃    12.6  ┃
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┃    7 ┃    17.2    ┃    1 175.9 ┃    232.3   ┃    406 2   ┃    3 8.1 ┃    1 583.9   ┃    408     ┃    408     ┃  232.3   ┃  640.3     ┃  17.9    ┃  11.4    ┃
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┃    8 ┃    19.6    ┃    1 526.8 ┃    3 01.6  ┃    527.5   ┃    49.5  ┃    1 730 2   ┃    203.4   ┃  203.4     ┃  3 01.6  ┃    505     ┃    13.8  ┃    5.5   ┃
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    裉据表3所示该型全自动轻油全自动燃烧机(C5SH)风机空气动力性能试验数据的处理结果，绘制C5SH轻油燃烧机风机性能特性曲线。其中包括流量与压力关系曲线和流量与效率关系曲线。如图3，图4所示。
    从自行设计的全自动轻油全自动燃烧机(C5SH)空气动力性能试验结果可以看出，C5SH燃烧机的p-Q特性曲线较直，风压较高，有利于形成适合燃料燃烧的空气动力场。由此可以认为风机的设计是成功的。现就风机抗炉内压能力和风机的效率两个方面对试验结果进行分析。
    (1)p一剑寺性曲线分析
    ①从C5SH燃烧机的pQ特性曲线可以看出，C5SH燃烧机具有较强的抗炉内压能力。
    ②p一纠寺性曲线变化较为平缓。在调整燃烧负荷时，风压较为平稳，燃烧性能稳定。
    (2)Q-77曲线分析
    从C5SH燃烧机的Q-77特性曲线可以看到，当C5SH燃烧机输出为293.076x107 J/h时，风机的效率为20.83%。从Q-叩特性曲线还可以看到，C5SH燃烧机的风机效率均< 24%。而造成风机效率低的原因主要有以下4虑：
    ①C5SH燃烧机叶轮的相对宽度大，一般6=吾_D加因而动压／全压比增大，即动压增加，流动损失增大，效率降低。
    ②C5SH燃烧机叶轮叶片的出口安装角较大，具有很大的加速叶道，使得摩擦阻力和流动损失明显增加。
    ③叶轮出口处动压较大，这部分动压在蜗壳中转换为静压，使得蜗壳的效率较低。
    ④风机的叶片数较多。虽然叶片数多可提高叶轮的理论压力，减小相对涡流对风机性能的影响，但增加了叶轮通道的摩擦损失[3]。
    为了证明自行设计的C5SH油燃烧机叶轮的性能达到了国外同类产品的水平，将其p9博性曲线与国外同类型**油燃烧机（德国Weishaupt产L52油燃烧机）叶轮的P纠寺性曲线（见图3，图4中虚线）进行了对比分析。由于C5SH油燃烧机和L52油燃烧机正常工作时，其需要的空气量Q在8～l4m3/min之间，因此在该段曲线进行对比才更具有实际意义。对比C5SH和L52燃烧机矿剑寺性曲线和Q-rttti性曲线在8～14 m3/min的曲线段，可以看出：
    (1)在空气量Q相同的条件下，C5SH燃烧机的风压比L52燃烧机的风压平均约高40 Pa。由此可见，C5SH燃烧机的抗炉内压能力优于L52燃烧机。
    (2)在空气量Q相向的条件下，C5SH燃烧机的风机效率比L52燃烧机的风机效率平均高出1.2个百分点。由此可见，C5SH燃烧机风机的能耗比L52燃烧机低，更有利于节约能源。
6结语
    综上所述，该新型多翼式强前向叶轮的性能优于国外进口同类型叶轮。其设计是成功的，完**替代进口燃烧机叶轮。在国产C5SH轻油燃烧机中的应用，不仅提高了该型燃烧机的点火稳定性和适应性，而且降低了燃烧机的生产成本，提高了国产燃烧机的市场竞争力。目前，该型叶轮已开始批量生产。