康普艾集团的销售和服务网络遍布全球100多个国家和地区，全球诸多知名公司如通用、奔驰、宝马、大众、安利、雀巢、巴斯夫、三星、现代等，都在使用着康普艾的优质产品及享受康普艾便捷的服务。公司具有强大的研发实力和精良的制造加工能力，产品不论从原材料和元器件的采购、检验，还是整机的安装和调试均严格按照ISO9001程序进行，在生产过程中严格执行六西格码（6Sigma）质量管理，追求产品零缺陷。
在环保执法力度不断加大，错峰生产常态化的背景下，水泥企业节能减排已经刻不容缓。在水泥生产中，风机能耗巨大，约占总能耗的30%~35%。近两年来，很多水泥企业在技改过程中，针对鼓风机进行了升级，将罗茨鼓风机更换为高效节能的空气悬浮离心鼓风机。空气悬浮离心鼓风机摒弃了传统鼓风机所必需的增速齿轮、联轴器、润滑和冷却风扇等系统，从而提升了产品的效率、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，减少了设备维护工作量，节约了设备维护成本。
1 空气悬浮离心鼓风机基本原理及特点
空气悬浮离心鼓风机现场照片见图1，它是一种应用航空发动机设计经验开发的全新概念鼓风机，其基本原理是通过空气悬浮轴承支撑和变频器控制的高速永磁同步电动机直接驱动同轴离心叶轮做功，输出无油洁净空气。它具有供气量大、运行平稳、效率高、结构简单、噪音低、占地面积小、重量小、使用年限长、维修量小、无须润滑、气体不会被油污染等优点，节能效益显著。该产品主要涵盖了空气动压箔片轴承、高速大功率永磁电动机、高效气动系统、变频控制和检测监控技术等核心技术。
图1 空气悬浮离心鼓风机现场照片
1.1 空气动压箔片轴承
空气动压箔片轴承是一种采用弹性元件作为支承的自作用式动压气体轴承，与传统的刚性和滚珠轴承相比，具有转速高、无污染、摩擦功耗低、寿命长、工作温度范围宽、稳定性好和自适应性强等诸多优点，在低温制冷、航空航天以及国防等领域具有重要的应用价值和广泛的发展前景[1]。空气悬浮离心鼓风机依靠空气力场使转子悬浮并保持高速运转。这种轴承与传统的滚柱轴承不同，运行时回转轴和轴承之间没有物理接触点，无须润滑油，能量损耗低。为了保护启动停止时的轴承表面，采用了高温固体涂层，不需要维护，可长期运行，目前可实现无故障20?000次启停，按每天启停一次计算，可运行54.79年。
1.2 高速大功率永磁电动机
随着永磁材料性能的不断改善和提高，特别是钕铁硼、钐钴永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电动机研究开发经验的逐步成熟，高速永磁电动机的研究开发进入了一个新阶段[2]。特别是由于军用及民用需求日益增多，国内外针对高速永磁电动机的研究也逐步深入。石家庄金士顿轴承科技有限公司根据国家环保要求及军民融合的战略需求，采用空气动压箔片轴承为支撑进行了高速永磁电动机为核心的空气悬浮离心鼓风机的研制、生产及销售，目前已经形成了功率15~300 kW、转速20?000~100?000 r/min，近50余种产品谱系分布。高速永磁电动机在转子强度、转子系统动力学、电磁设计、冷却系统设计与温升计算、高速轴承以及控制器的研制等方面存在许多常规电动机所不具有的特殊关键问题，其设计是一个集电磁场、转子强度、转子动力学、流体场与温度场等多物理场多次迭代的综合设计过程[3]。空气悬浮离心鼓风机采用了高速直联电动机，与常规的依靠齿轮增速形式的风机有本质的区别。由于没有了齿轮增速，大大减少了因为机械传动和机械摩擦而产生的能源消耗，大大提升了效率。通过变频器调节电动机转速来调节风量，精度较高。空气悬浮离心鼓风机主机如图2所示。
图2 空气悬浮离心鼓风机主机
1.3 高效气动系统
叶片式流体机械中，能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的介质之间进行的。当介质可压缩的时候，介质的能量应包括宏观的动能及介质的内能。在流体机械中，内能与介质的焓值密切相关。介质流过机器后焓值的变化量，不仅和叶轮所做的功有关，而且与机器内部的热力学过程及热量的传递有关。为保证所需的能量头，鼓风机的转速通常较高，这就必须考虑到流动的马赫数对鼓风机工作的影响以及叶片在离心力作用下的强度问题。为防止鼓风机在运行时发生喘振，在设计时就要尽可能使鼓风机有较宽的稳定工作区域。在进行叶轮设计时，采用较小的叶片出口角，这种叶轮具有较宽的稳定工作范围和平坦或陡降的性能曲线。另外，在确定鼓风机的设计点时，离喘振点有一定的距离，一般要求喘振流量小于0.8倍的设计工况流量。
1.4 变频控制和检测监控技术
在鼓风机与管网系统联合工作时，一般要求鼓风机的工作点在设计点上。但在实际运转中，由于用户要求不一样，鼓风机工作点可能有变动，这时就需要移动鼓风机或管网的工作点，以满足用户要求。常用的调节方法有：（1）出口节流；（2）进口节流；（3）采用可转动的叶片；（4）采用可转动的进口导叶；（5）采用可转动的扩压器叶片；（6）变速调节；（7）改变台数调节等。目前空气悬浮离心鼓风机采用PLC与变频调速控制系统，PID自动调节风量风压，使风机工作范围内达到最经济运行状态。控制系统对转速、风压、风量、温度等进行自检，具备防喘振和报警自动停机功能。
1.5 典型空气悬浮离心鼓风机测试
根据研制要求建立了高速永磁电动机与空气悬浮离心鼓风机集成进行性能测试。驱动系统采用Vacon变频器，电动机转速为34?200 r/min，壳体振动峰值小于3 m/s2，定子温升在90 ℃以内。经测定电动机效率为97.5%。风机测试现场照片如图3、图4所示，振动测试结果如图5所示。
图3 空气悬浮离心鼓风机气动测试照片
图4 电动机输入电流波形
图5 振动测试
1.6 空气悬浮鼓风机与罗茨鼓风机的对比
罗茨鼓风机属于容积式鼓风机，依靠旋转时叶片间的容积变化将空气挤出机壳，理论上，如果转子、机壳强度和电动机功率足够的话，其排气压力可以一直增加。罗茨鼓风机的另一特点是其排气流量只与其转速有关，在排气压力有波动的时候（峰值不超过额定排气压力），只要转速不改变，流量基本上也是不变的。而这种使用工况在水泥行业中最为常见。
空气悬浮鼓风机属于离心式鼓风机，有喘振和阻塞两种特性，在这两种区域内是不允许运行的。针对水泥厂的需求，在明确所需流量的前提下，恒流量模式可适应现场压力脉动的工况，通过安装在风机进口处的流量传感器，实时检测风机的入口流量。当排气压力发生变化的时候，当前转速下的流量值亦会发生改变，从而偏离设定的流量值，此时中控PLC便会根据流量偏离方向，发出提升或者降低转速的指令，让实时流量重新回到设定流量。GF100/0.4机型性能曲线见图6，在鼓风机允许运行的区间内，恒流量调节可以覆盖的压力范围为20~40 kPa，流量范围为40~95 m3/min，所用工况在该区间内即可。
图6 典型空气悬浮鼓风机性能曲线
2 空气悬浮离心鼓风机在水泥行业的应用
水泥厂可以使用空气悬浮离心鼓风机用于气体输送、粉尘物料输送、烟气脱硫等。目前金士顿轴承科技有限公司的空气悬浮风机已经在北京金隅北水环保科技有限公司、邯郸金隅太行水泥有限责任公司、河北金隅鼎鑫水泥有限公司、河北金隆水泥集团有限公司、涞水金隅冀东环保科技有限公司、河南孟电集团水泥有限公司、临朐山水水泥有限公司、铜川声威特种水泥有限公司、平阴山水水泥有限公司等多家水泥企业应用，并得到了高度认可。主要应用的工序有一次风机、窑头/窑尾喂煤风机、均化库库下风机等。代替原有的罗茨风机，设备运行工况为出口升压25~120 kPa，单机最锦工量300 m3/min。抽取的典型节能数据见表1，应用工况照片见图7、图8。
表1 头煤风机节能对比数据
图7 均化库库下风机
图8 窑头送煤风机
3 结束语
空气悬浮离心鼓风机是一种高效节能的新型环保离心鼓风机，凭借节能、低噪音、无油、运行可靠、操作维护简便和半永久寿命等优势，将成为未来最节能的流体设备之一 。金士顿公司是继韩国科学技术研究院之后世界上第二家自主研发生产空气悬浮离心鼓风机的企业，打破了韩国长达13年的技术垄断，可在水泥、食品、污水、化工等领域广泛使用，实现节能目的。
作者单位：石家庄金士顿轴承科技有限公司
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