鼓风机导叶开度调节机构的缺陷及改进

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Defects and Improvement of Opening Regulating Mechanism ofBlower Guide VaneJ/ang YuhongAbstract： Analyzes the work principle，movement and stress situation of opening regulating mechanism ofblower guide vane，finds out the defects of regulating mechanism，comments the improvement methods，and proposesmeasures to improve the regulation precision and control the intake flowrate accurately。

Key words：Blower；Guide vane；Regulating mechanism；Piston rod；Twist handle；Intake flowrate0 概述6000 da丙烯酸氧化反应工业试验装置中，选用 了杭州杭氧透平机械有 限公 司制造的 ITYC43型离心式鼓风机机组，其主要技术参数如表 l所示。

表 1 ITYC43型鼓风机参数项 目 参数 项 目 参数介质 空气 空气流量 4700进气相对湿度(%) 80 /(m·h ) (进口状态)进 气温度/℃ 20 进气压力/kPa 98排气温度/℃ 95 排气压力/MPa 0.229 3冷却水温度/℃ 33 大气压力/MPa 0.101进 、出口配管规格/mm DN250 轴功率，kW 2004%表 2 导叶开度调节机构参数鼓风机组的用途是将空气输送至氧化反应器。

在氧化反应器中.空气与丙烯在高温和催化剂的作用下，生成丙烯酸▲入氧化反应器的空气和丙烯，其摩尔比是严格控制的。如果摩尔比失调，将可能导致丙烯进入爆炸极限范围，甚至产生严重的后果。因此，精确地控制进氧化反应器的空气量是至关重要的。

在试车时.鼓风机组的导叶刚开启和将关闭时。导叶开度调节机构出现严重的滞后现象，特别蒋宇红 ，女 ，1970年生 ，工程师 。上海市 ，200025。

2013年 4月 蒋宇红：鼓风机导叶开度调节机构的缺陷及改进 37是叶片旋转到O。～20o或 9O。～70o时，导叶开度在这两个 区域出现 死区”。在该 死区”。DCS仪表显示的开度与机组导叶实际的开度相差甚大 .并 出现了空气量猛增或猛减的突变。这样就不能准确控制空气流量，给正常操作带来极大困难.并将直接威胁装置的安全生产本文对导叶开度调节机构在导叶旋转区域出现死 区”和调节滞后问题进行 了分析 .并提 出了改造方案，以确保试验装置如期安全开车。

1 导叶开度调节机构的运动与受力分析1.1 导叶开度调节机构的基本结构鼓风机导叶是根据气流预旋原理设计的，当叶轮进 口前气流顺或逆叶轮旋转方向旋转时 ，可相应地使压力减序增大，从而使工况范围扩大。以适应-定范围内变工况的需要。当导叶处于全关时，可实现空载起动 ，以减小鼓风机起动阻力矩 导叶开度调节机构可对导叶的开度进行调整 .以达到调节风量的目的。该导叶开度调节机构由长执行机构(活塞杆组件)、柱销、转柄、转环、球铰链和导向叶片等部件组成，导叶装置结构如图 1所示。

连接机构图 1 导 叶装置结构该导叶装置装有 11片可同步转动的导向叶片，每个导向叶片的小轴由轴承套支承，通过球铰链与转环相连接 。长执行机构通过转柄带动转环转动 ，从而使所有的导向叶片同步旋转.达到调节气量的目的。球铰链连接导叶的结构如图2所示。

在理 论上 ，导 叶开度 与长执行 机构位移 ，J应符合表3中的数值关系。

将表 3中 与 的对应数值关系转化为曲线(见图 3)就可以看出.导叶开度 与长执行机构图 2 球铰链连接导叶结构置表 3 导 叶开度 口与长执行 机构位移 L的关 系导 叶开度 长执行机构位移 导叶开度 长执行机构位移/(。) L/mm (。) L/mm0 100 60 39.6410 93.73 70 28-2820 85.46 8O 17.4630 75.39 90 8.2240 63.98 l00 O50 51.84g0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100导叶开度 a/(。)图 3 导叶开度与长执行机构位移的对应 关系位移 呈线性关系，即没有突变，只有这样才能保证导叶开度调节的连续性。

由表 3数据可以计算出导叶开度变化量(△仅)与长执行机构位移变化量(△ )的对应关系，见表4。

从表 4可 以看 出 .当 DCS发出指令导叶从全关位置开启时，长执行机构开始位移，即当位移量达到 6.27 mm时 ，导叶应该从 0。旋转到 10。。同理 ，长执行机构继续位移 ，当位移量再增加 8.27mm时，导叶应该从 1O。旋转到 2O。。但实际上。在DCS发出指令后 ，导叶的旋转角度并未达到指令的要求，相应地转到 10。和2O。位置，而是出现了严重∞∞∞ ∞∞∞∞加m O38 化工装备技术 第 34卷第 2期表 4 导叶开度变化量与长执行机构位移变化量的对应 关系导叶开度 长执行机构 导叶开度 长执行机构变化量 位移变化量 变化量 位移 变化量(Ac10。) AL/mm (Ac10。) AL/mm0。～10。 6.27 50。-60。 1 2.2010。-20。 8.27 60o70o 1 1-3620。30。 l0.07 70。～80。 10.8230。-40。 1 14l 80。-90。 9.2440。～50。 12.14 90。～100。 8.22的滞后现象。DCS仪表显示的导叶开度与机组导叶实际的开度相差甚大，其原因主要是长执行机构的运动出现了问题 。

1.2 长执行机构理想运动轨迹DCS输出信号后，长执行机构开始工作，即活塞在缸体内运动 .同时带动活塞杆运动，活塞杆带动转柄转动。图4是长执行机构中活塞、活塞杆的行程示意图。

活塞 缸体图 4 活塞和 活塞杆的行程活塞杆 、柱销 、转柄的运动和几何关系如 图 5所示 。由图 5可见 ，转柄的左右极限位置为 oa、oc，转柄轴线与垂直线问 的夹角 ot为转柄 的摆动角 ，在极限位置摆动角最大。取三个特殊点：点a、点 b、点 c。活塞杆 的运动轨迹变化为 aa -bb- cc， 其最大行程是 aca c 100 mm。当活塞杆运动从 aa -bb -cc 时，转柄作摆动 ，其位置变化从 oa÷0b-oc，最大摆动幅度是 20r100。；同时 ，柱销中心点位置变化从点 a-点 b-点 c，柱销位移 ac ，柱销 的水 平方 向移动 距 离是 ac2Rsinc，式中尺为转动中心 0到柱销极限位置中心距离 。

上述运动轨迹与几何变化都是理想状态.即在活塞杆的往复直线运动中。各零部件运动副间的摩擦忽略不计，同时，活塞杆有足够的刚度，不产生弯曲变形。

P图 5 活塞杆、柱销 、转柄的运动和几何关 系1-3 长执行机构实际运动与受力分析(1)导叶开度 由全关慢慢开启时 ，活塞杆推力P由零增加到某-数值，推力 P通过活塞杆传递给柱销后 ，作用在柱销上的力 P被分解为两个力 、， 如图6所示。其中 尸COS0尸sin0 /图 6 柱销受力图P切向力 作用在柱销中心所在的圆周的切线方向，通过柱销推动转柄转动 。 作用所产生的力矩 ×R为有效力矩 ，只有当 ×R大于阻力矩时，才能使转柄转动。 为压力角。随着转柄的转动 ，压力角 0是不断变化的在起始位置 oa，当PrXR不足以克服阻力矩时，长执行机构未使转柄发生转动，但推力P在不断地增大。由于活塞杆不具有足够的刚度，随着推力 P的增加 ，活塞杆丧失其原有直线平衡状态 .发生变形，成为不稳定的挠曲线状态，即活塞杆直线状态变为微弯状态。这时在 Pn作用下，柱销和活塞杆端部沿着转柄内滑槽向上滑移.其垂直方向的位移为 △y。如图 7所示。

2013年 4月 蒋宇红 ：鼓风机导叶开度调节机构的缺陷及改进 39P图 7 活塞杆微变形这-位移量 △y可通过活塞杆的挠 曲线方程进行求解 (本文从略)。

(2)随着活塞杆推力 P的增加 ，转柄从起始位置 oa开始转动 。摆动角 从极限位置 50。逐渐变小 ，到达点 b时 ，摆动角为 0。。此过程中 cos0不断变大 ，即作用 于转柄上 的力 Pr也不断变大 。

愈大，则有效力矩愈大，即可克服转环、导叶机构所产生 的阻力矩 ，使转柄转动 ；同时 sin0不 断变小，即作用于柱销、使之上移的力 不断变小，相应地活塞杆 (右端 )也逐渐减小 了上移 的幅度 。

随着过程 的进行 ，活塞杆和柱销缓缓地下滑，长执行机构 的运动越过 了 死 区”--导叶开度 的 0。～20。区域。之后，活塞杆弯曲变形越来越小，即活塞杆逐渐趋于水平方向运动。当活塞杆推动转柄抵达点 b时.活塞杆与转柄垂直，活塞杆处于直线平衡状态 ，压力角 0为零 ，有效力矩最大 ，长执行机构处于左右运行的平衡(中间)位置 。

(3)过了点 b后 ，在接近另-个 死区”--导叶开度的 70o～9O。区域时 ，随着角度 0的不断增大，sin0不断变大，即作用于柱销、使之下移的力不断变大，同时力 不断减校当 足以克服柱销与转柄间的摩擦力时，柱销开始沿转柄内滑槽向下滑移 ，同时也产生了位移 △y的问题 。其运动过程和受力情况与上述点 a-点 b的情况相似 。不再详述 。

由点 C回到点 a的状况与由点 a至点 c的状况类似，即在导叶开度的 90。～70。和 20-0。区域容易产生 死区”。此时柱销与转柄内滑槽接触面 由 A面改为 B面，其运动过程和受力情况分别类似于从点 a向点 b移动、从点 b向点c移动的阶段。

2 存在问题及改进方法2.1 存在问题综上所述 ，导叶开度调节出现滞后的主要原 因是长执行机构推动转柄旋转的活塞杆水平推力与转柄形成 角，水平推动力被分解了。压力角 愈大，尸r就愈小 ，有效力矩也就愈小 。活塞杆随着作用力的增加产生微量的弯曲变形 ，不能始终保持直线运动，而是作上移下滑的弯曲运动。特别是在 0。～20。和 90。～70。区域导叶开度调节出现滞后 ，也就是DCS中控室发出调整导叶开度的指令后 ，不能迅速执行要求的进气量，所调节的导叶旋转角度未能同步。这是导叶开度调节机构设计上的严重缺陷。在设计制造过程中.对长执行机构活塞杆 的刚度及运动 、静力 、动力特性没仔细校核 ，没有就刚度不够如何进行弥补、改进或优化作深入分析和研究。

2.2 改进方法针对导叶开度调节机构存在的问题 ，提出了如下几种改进方法方法-：保持原有结构，增大活塞杆直径，使其横截面惯性矩增加，确保活塞杆有足够的刚度 ，从而使活塞杆始终处于直线状态而不弯曲。

方法二：保持原有结构，在转柄-侧水平方向设置固定滑槽块 .使活塞杆只能沿着滑槽作直线运动.限制其上 、下移动的空间。

方法三：采用齿轮和齿条传动结构，由长执行机构带动齿条作水平运动 ，齿条带动齿轮运动 ，从而使转环旋转 ，调节导叶开度。

方法 四：保持原有结构 ，同时采用铰链结构连接长执行机构和转柄。

上述方法都能解决长执行机构存在的缺陷，且各有特点。现将这些方法作-比较，如表5所示。

在现场实际生产条件下 。选择方法二和方法三进行改进 ，其实际使用效果方法二优 于方法三。方法二 的执行机构对导叶控制精度 高 ，误差在 1%以下 ，满足调控要求 ，且调控时能保持连续性。经多年运行表明，方法二的改造方案是成功的，解决了气量微调困扰的问题。

3 对长执行机构 中零部件改进建议(1)材料的选择要合理。长执行机构中各零件化工装备技术 第34卷第2期(1)长执行机构。

(1)活塞杆直径增大，活塞杆有足够的刚度，能使活塞杆始终保持直线状态而不弯曲，确保调节过程的连续性。

(2)目前结构调节气量精度不高，但可以改变行程长度 ，提高调节气量精度。

(3)长执行机构中活塞杆需更换 ，需要向制造厂家另购长执行机构。

(1)在转柄-侧水平方向设置固定滑槽块，使活塞杆只能沿着滑槽作直线运动，限制其上 、下移动的空间 ，以确保调节过程的连续性 ，不出现突变现象。

(2)在刚开启和将全 闭合时 ，长执行机构位移 △L与导叶开度 △ 变化是非线性的。

(1)以齿条与齿轮传动带动转环旋转，从而使导叶旋转 ，其结构可以做得紧凑简单。

(2)齿轮齿条互相啮合的两齿廓表面有相对滑动，这将会使导叶调节出现微小的滞后现象，调节的连续性稍差-些。

(3)也可以选择由同步电机带动，这样调节精度可以提高，但改动太多。

(1)该连动机构可使活塞杆位移变化和导叶角度变化有很好的连续性，且呈线性变化 .调节气量精确 ，优于方法- 、二 、三。

包括活塞杆、柱销、转柄等材料-般选择 35号钢或45号钢，表面进行热处理或镀铬，以提高其耐磨性，并保证长执行机构的尺寸精度。

(2)提高柱销与转柄的连接尺寸精度。零件的几何尺寸要准确，才能使柱销和转柄在运行时保持良好 的连续性 ，不产生间断。

(3)提高摩擦面光洁度。提高活塞杆、柱销、转柄摩擦面的光洁度 。减小摩擦阻力，消除阻尼现象，使长执行机构的连接摩擦部位处于灵活状态。

(4)增加转柄和活塞杆的长度。增加转柄的长度，即增加转柄的转动半径：增加活塞杆长度，即增加气缸的行程。这样有利于优化长执行机构的运动、静力和动力性能，提高调节精度，使控制更细化、更精确，有利于生产负荷变化时的调整，也有利于解决进气量微调困难的问题。

4 结束语目前对鼓风机导叶开度调节机构还需进-步优化和完善 ，使之更趋向合理、科学。要切上 自控，使导叶开度调节更细化.使操作更方便和准确，以确保安全生产。要使 DCS仪表显示的导叶开度与现锄组导叶的实际开度同步，提高调节精度，把进气量控制得更准确 ，这是对导叶开度调节机构改进的最终 目标。

参考资料[1 南京工学院，西安交通大学.理论力学 [M].北京：人民教育 出版社 .1979。

[2 陈心爽，袁光良.材料力学 [M].上海：同济大学出版社 .1996。

(收稿 日期 ：2012-10-17)股份 墨 莒兰 釜 内翅片管蒸发式中冷器获专利的 内翅 片管 蒸发 式 中 间冷却 器2013年 3月获得 国家专利授 权。

据悉.这种 中冷器与传统换热器相比节电20%以上.节水 30%以上。 内翅片管蒸发式 中冷器采用潜热换热原理 ，以喷淋水作为冷却介质，依靠水在换热管外形成水膜 蒸发吸收管 内工艺流体的热量.通过轴流风机的强制排风带走热量，达到冷却或冷凝管内工艺流体的 目的。该 中冷器蒸发换热部件采 用内翅 片管 .增 加 了管侧 的换 热 面积，有效提高了换热效率，解决了压缩机实际运行中存在的冷却能力不足等问题，节电、节水效果显著。 (高远)