一、前言

    泥土砖、页岩砖是我国需求量最大的建筑材料，在全国分布着近十万家砖厂。随着节能、环保、优质的要求，大多数砖窑利用烧制过程中产生的高温烟气作为砖坯的干燥过程所需的热量达到节能的目的，但在高温烟气输送过程中，为其提供动力的风机也是一个高耗能设备。单砖电费为0.6-0.9分/块（只是风机），通过调研分析完全可以使其消耗下降50%左右，能使企业的纯利润大幅增加。

二、常规选型及分析

    大部分砖窑通常选用的风机为4-73系列锅炉引风机，传统风机叶片的工作是依靠电机力的转变，形成离心力。

    目前泥土砖的烧制窑型分为隧道窑、轮窑。

    隧道窑的自动化程度较高，一次性投资较大，目前国内数量不多，其流程参见图一。

图一

    所谓轮窑就是窑室为封闭环型，环外有门洞，用于进坯和出砖。轮窑数量较多，可分为一次码烧和二次码烧，其中二次码烧占绝大部分，根据规模大小又可分为一部火、二部火、三部火和四部火。其中干燥室的规模因窑的规模产量而定，由于干燥室为独立系统，所以其工艺需用管道和风机将高温气体送入干燥室内，工艺流程如图二（二部火流程示意图）。由于干燥室与窑的距离不尽相同，所以高温风机的选型也均不相同，见表一。由于输送介质为100℃左右的高温烟气，加上风量较大，所以配套风机全部为高温型4-73系列。

图二

    表一  高温风机选型

    根据以上参数分析得知，从窑口到干燥室一般情况下阻力为800Pa左右，由于4-73系列为离心式风机，压力系数远大于所需的压力，但是除此之外除轴流风机或混流风机别无选择，又因为轴流或混流风机的电机难以适应高温烟气，因此设计制造新型的风机是唯一出路，所以我们设计开发了内冷式倾斜多叶片轴流风机，为砖窑风机的节能开启了一条新路。

三、新型风机结构及原理（图三）

图三

 1.叶轮

  ① 叶轮结构：叶轮主体为伞形叶轮，轮毂比为0.4，叶片的进出风边与中心轴的夹角为45^O，与此同时，叶片外缘与旋转面的夹角也为45^O，叶片根部为60^O，在叶片的外缘有一同心圆的加固整流圈。

  ② 工作原理：由于叶轮为伞形，所以由于叶片旋转而形成的进风面积要比传统轴流风机大30-40%，除此之外，工作时叶片除了对空气产生轴向力外，同时还有沿径向的作用力（分力），这样就加大了离心力，使风压增加；另外，叶片外缘（叶顶）有一钢制桶圈，它的作用是使叶轮的旋转面与风机筒隔离，提高效率，另一个作用是使叶片的结构强度增加，不但可减少叶片的厚度还可增加叶片的宽度，叶根的疲劳断裂现象得以彻底解决。

 2.壳体

  ① 壳体结构：传统轴流风机壳体结构可分为二类，一类是使用B3电机，一类是使用B5电机。B3型电机由于机座的影响，对风机的对称型流场影响较大，B5型电机由于法兰盘的影响，使壳内的有效通风面积大为减少，针对这一问题，采用风机整体固定，用B3型，这样即保证了对称型的流场，又保证有足够的通风面积，电机固定桶与外壳的连接为三片连接片，既简单又实用。

  ② 工作原理：为了适应高温高湿气体的输送使电机能正常运转，用钢制桶与电机结合，且距离较小，有助于电机的散热，也保证了风机的稳定性和足够的通风面积，在钢制筒的内表面粘贴有隔热保护膜，电机筒尾部被一端盖盖严，在水平两侧各有一通气管与电机散热风扇相通，这样使电机与管道内高温高湿气体彻底隔绝，使电机能在高温高湿状态下正常工作，保证风机在300℃以下可连续运转。

 3.气流方向的选择

    气流方向定为自电机方向进风，由于电机方向为负压，气流离开叶轮后处于无障碍流动，所以流场均比较合理。

 4.电机轴受力分析

    由于叶轮设计为伞形，叶轮重心接近电机轴的支撑轴承处，所以对电机轴不形成弯矩，使电机运转更加平稳，尤其大型风机的电机轴强度足以满足需要。

 5.变频技术

    可根据用户的使用场所选择变频调速风机，使用户使用更加方便，节能可达30-40%。

四、新型风机的优化设计

    轴流风机是通风机领域中的一种用量最大，并且结构简单的空气送排设备，它虽然结构简单、造价低廉，但是效率低、能耗大却成为难以克服的缺点，再加上其它的问题，如：叶根疲劳断裂，要增加强度，电机负荷又难以解决，加大轮毂通风量又受影响，形成连锁缺陷。本文是从非常规的角度，利用金属切削理论，结合空气动力学、流体力学等，在结构形式上进行大胆尝试，并针对叶栅流道中存在“根部负压力梯度和顶部正压力梯度”的“C”型静压分布的规律，与叶片的几何形状结合在一起，设计出有针对性的叶型，以及用结构强度解决材料强度，利用重心偏移克服电机轴的强度问题，从而形成一种全新的轴流风机。

 1.静压沿叶片径向“C”型分布

    如图四，当叶轮旋转时，介质受到一种复合力的作用，即叶片表面运动的作用力和介质所受的离心力，在叶片的根部离心力F=mv/r²很大，所以造成叶根部形成负压梯度，出现湍流区，同时由于离心力的作用在叶片顶部及筒壁内表面形成正压梯度，又由于叶片的出风边为正压，进风边为负压，此时正负压形成合力，再加上附壁效应（即在叶片顶部和筒壁之间形成回流区或涡流区），所以造成此种叶型低效的原因就是静压沿叶片径向相差太大。

    另外，在沿叶片的径向即从叶根到叶顶存在压力梯度（如图五），此梯度也是压力损失的重要因素之一。

图四                             图五

 2.离心风机

    离心风机是通风机领域中仅次于轴流风机的空气动力设备。在此风机中，叶片作功主要依靠离心力的作用（即使反转，仍有气流流动）。离心机叶片的静压分布不存在梯度，在叶片的两端压力几乎均等。（如图六）

图六                    图七                     图八

 3.几何正交法求出叶片形态

    常规轴流风机叶片运动时形成一个圆盘状轨迹（如图七），它的作功形式主要是对介质施以推力，由于介质的粘滞性而形成的摩擦力转换成离心力。

    常规离心风机叶片运动时形成一个圆柱状轨迹（如图八），它的作功形式主要是使介质在流道内高速旋转形成离心力，使介质产生运动。

    通过正交组合和合成后得到一种与轴心有一定夹角的倾斜叶片，同时叶片在径向也呈一定的角度。（如图九）

图九

 4.运动分解

  ① 水平剖面分析

    如图十，通过剖面分析可以看出，叶片的断面形状完全与离心式叶片相同，所以它对介质的作用也应完全相同与离心式叶轮。

图十                          图十一

  ② 圆柱剖面分析

    如图十一，通过剖面分析可以看出，叶片的断面形状完全符合轴流叶片的断面形状，所以它对介质的作用也应完全等效于轴流叶片。

  ③ 整体分析

  a. 当合成后的叶轮旋转时，它的轨迹是一个圆台形状，气流运动方向按合成前后的演变过程应该是由圆台内向圆台外运动，（试验已证明）如图十二。

  b. 通过图示可以看出，由于叶轮旋转时叶片与回转面有一定的角度，进气边在圆台的内侧，出气边在圆台的外侧，这样很容易使气流沿叶根部流动，消除了湍流。

  c. 在叶顶部有一环形圈，此圈改变了叶片顶部的开放形态，形成一个封闭区域，结合叶根部，彻底解决了静压沿叶片径向呈“C”型分布的问题，也解决了沿叶片径向的压力梯度，提高了效率。

  d. 由于叶片进、出风边为斜线，所以无论与轴流还是与离心相比，其回转面（作功面）都要大许多，所以效率也高出很多，这和钻的切削刃近似。

图十二                         图十三

 5.力学分析

    如图十三，由于叶轮设计为伞形，叶轮重心在二轴承之间范围内，所以不对电机轴形成弯矩，使电机运转更加平稳，尤其是大型风机的电机轴强度足以满足需要。

 6.其它减少压力损失的措施

    常规轴流风机的压力损失之一是气流的回流，如图十四，由于在叶轮出风边为正压，进风边为负压，所以有回流环，引起压力损失。另外在回流环形成过程中，筒壁形成的附壁效应也是成因之一，所以新风机整体设计过程中采用了“坝”的概念，防止了附壁效应及回流环的产生，因而保证了高效率，如图十五。

    其设计原理是：当叶轮旋转时，在叶轮加固圈与筒壁之间有一高速回转的气流带，此气流带沿径向存在很大的压力梯度，即愈接近筒壁其压力就愈大，在进出风的正负压的作用下，气流回转带在回转的同时向进风方向移动，此时我们在筒壁上安装类似于“水坝”或“堰”的装置，就会有效的防止或减少压力损失，提高效率。

图十四                        图十五