本发明涉及一种曝气风机制造领域，特别是涉及一种磁悬浮高速离心式曝气风机及其制备方法。
背景技术：
随着我国对环境污染治理力度的加大，政府对环境方面的投入逐年增加，污水处理行业迎来了难得的发展的高峰期，整个规模高速增长。“十二五”时期前3年我国城市污水处理厂日处理能力年平均增长率为6.6%，“十二五”期间全国城镇污水处理及可再生利用设施建设规划投资近4300亿元，其中，各类设施建设投资4271亿元，环保的需求及相关政策要求，为先进的污水处理设备的研发及应用提供了广阔的发展空间，目前，污水处理工艺和设备种类繁多，其中使用最普及、运行数量最多、最成熟的技术是活性污泥法，当污水处理工艺采用活性污泥法工艺时，曝气鼓风机也是处理工艺的核心设备之一。在城市污水处理中，鼓风机的风量与污水处理量（容积）的气水比一般为3-10，我国通常为6.7-7，在工业污水处理中，由于废水浓度大，气水比可高达35，城市污水处理过程中，由于季节变化，每天污水的处理量和溶解氧浓度也变化。因此，要求运行中的鼓风机在恒定压力条件下自动调节所需的风量，而且要求流量调节范围广，调节效率高，以保证系统优化运行，达到高效节能的目的。污水处理厂能耗成本占其运营维护成本的40-80%，其中曝气供养过程中鼓风机的能耗占总能耗比例较大，达到整个污水处理厂能耗的50-60%。清华大学对我国559座城镇污水处理厂的能耗状况做了分析，分析结果表明，曝气鼓风机能耗占污水处理厂总能耗的57%，因此大型城市污水处理厂为降低运行成本，对曝气鼓风机的节能提出了严格要求。
目前，绝大多数污水处理厂使用的曝气鼓风机尺寸及重量较大，不仅增加了地基处理及鼓风机的土建投资，而且增加了安装工程费用，噪音较大，维护成本较高。因此，选择低噪音、安装维护方便、且在污水处理厂全生命周期内成本最低的鼓风机是今后污水处理行业曝气鼓风机的发展趋势。
针对现有技术存在的缺陷，提供一种磁悬浮高速离心式曝气风机，采用先进的变频调速、磁悬浮轴承以及高速永磁同步电机等技术，取消了传统单级高速离心鼓风机的齿轮增速组件及润滑系统，克服传统风机，效率低、噪音大、能耗大、体积及重量大和流量调节性能较差等缺陷，可实现就地和远程控制，风机效率达到83%；风机噪音在80db以下；实现风量、风压、转速等的智能调控，而且要求流量调节范围广，调节效率高，以保证系统优化运行，达到高效节能的目的，整机采用撬装结构，布置紧凑，安装便捷，生产线先进合理，具有较高的经济效益，将有广阔的市场前景。
本发明的目的是通过如下方案实现的：
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，包括单级高速离心式风机，磁悬浮轴承和高速永磁同步电机三部分主件组成，所述的单级高速离心式风机，磁悬浮轴承和高速永磁同步电机分别设置在机体的左上端和右侧及左下端，其中，所述单级高速离心式风机上设有叶轮，蜗壳，型环，转盘，小叶片，小齿轮，转柄，衬套，风门壳体，转盘上端设有调节销并由螺母紧固，小齿轮和转柄之间设有弹簧圈，所述的磁悬浮轴承中心端设有电机心轴，定向传感器转子部件，镜像磁轴承转子部件-径向端，辅助轴承部件，定向传感器定子部件，径向磁轴承定子叠片-径向端，径向磁轴承定子屏蔽盖，电机心轴与叶轮直接相连，径向磁轴承定子屏蔽盖上端由螺钉固定，所述的磁悬浮轴承的左下端分别设有辅助轴承转子挡圈，推力盘，轴向轴承垫片，径轴向传感转子部件，径向磁轴承转子部件-轴向端，弹性挡圈，所述的磁悬浮轴承的左上端分别设有径向磁轴承定子叠片-轴向端，轴向端外壳，径轴向传感器定子部件，轴向轴承部件，辅助轴承垫片，辅助轴承部件-轴向端；所述的高速永磁同步电机固定在电机座上端，电机座上端设挡圈并由内角螺丝固定。
所述蜗壳的形状选择圆截面。
所述的电机心轴与叶轮直接相连处的一端设整流罩，并设热圈，由螺栓固定。
所述小叶片下端设有弹簧圈，衬套。
所述的磁悬浮轴承2左侧外端设有屏蔽罩。
所述的一种磁悬浮高速离心式曝气风机的制备方法，其制备方法的具体实施步骤为：
单级高速离心风机：采用设计软件进行三元流叶轮初步设计，通过cfd软件进行分析与优化，最后定型；再进行另一关键部件蜗壳的设计计算，考虑气体从叶轮和扩压器出来时具有很大的旋绕，在排气室不同截面处气体的流量将不一样，设计的蜗壳通流截面沿着气流旋绕方向逐渐增大，通过优化设计让气体在蜗壳内的流动损失最小，蜗壳的性能分析需要通过通流部分的整级数值模拟计算来完成。关键部件三元流叶轮采用高强度航空铝，后弯式设计，五轴联动高速铣削成型，经过cae分析、100%x射线探伤和115%的超转速试验。
步骤1：设计参数整理
1.1用户提供的设计参数
流量：4800m3/h
当地大气压：1.013bar
升压：0.7bar，最高升压：1.1bar
平均进气温度：30℃
平均湿度：70%
输送介质：空气
1.2设计参数的整理与计算
风机进口增加消音器和过滤器，压力损失分别为200pa和1500pa，所以平均进气压力：99600pa
进气温度：30℃
进气湿度：70%
进气状态气体的密度（
（根据公式
进气流量：81.5m3/min
步骤2：气动计算
根据设计参数，经过转速优化，额定转速确定为24000r/m，叶轮采用半开式，在半开式叶轮设计中，在高转速运行时，容易在叶轮进口处形成气流堵塞，因而常常从进口处缩短一半叶片数的叶片轴向尺寸，形成长短叶叶轮结构，也就是带有分流叶片的叶轮形式，减小叶片在进口时对流动的阻塞，此时短叶片的位置应该优化确定。
采用numeca软件进行叶轮的性能分析计算，采用单通道模型进行计算。计算结果表明风机性能满足设计要求，计算得出风机的最高转速为27000r/m，最大轴功率为138.5kw。
步骤3：机壳的设计
3.1进气室的设计与计算
采用轴向进气形式，用于单级悬臂式鼓风机或者增压器中。
3.2进口可转导叶机构的设计
可调进口导叶是安装在叶轮进口前的一组叶片，可以绕自身的转动轴转动，每转动一个角度就是一个导叶安装角，气流在进入叶轮之前速度方向发生改变，导叶叶型是通过数据库提取并进行优化设计。导叶旋转角度与流量、效率的关系曲线通过实验测得；
进口可转导叶调节方式：通过控制电力驱动器控制进口导叶调节机构的连杆前后运动，通过连杆的前进和后退带动导叶外的环型件绕着风机进口中心线做圆周运动，进而通过连接件带动导叶绕着各自的中心轴旋转已达到控制导叶开关。
3.3排气蜗壳的设计
目前鼓风机蜗壳设计方法，基本上都是采用动量矩不变的理论进行设计的，即：
蜗壳的形状选择圆截面蜗壳；
对蜗壳进口半径r4为等直径的圆截面蜗壳，按下列公式计算圆的截面半径：
式中：
根据不同
机壳设计好后整机进行数值模拟计算，风机的效率为84.5%。
步骤4：进口可转导叶
4.1，采用ansys程序计算出叶片的真实应力值，该程序得出的应力值安全系数取1.0，计算出的最大应力值应不大于选用材质的许用应力；
7a09铝棒力学性能抗拉强度σb(mpa)：≥530,伸长应力σp0.2(mpa)：≥400；
叶根处的计算存在偏差，采用热点应力法对叶根处的应力进行校核计算：
a类结构热点应力计算方法
对于不超过0.4t的细网格，应按下式计算其结构应力：
式中
b类结构热点应力计算方法
对于不超过4mm的细网格，应按照下式计算其结构应力：
其中
取叶根处最大的应力点位置为热点，进行热点应力计算，
步骤5：转子临界转速计算
采用ansys软件的模态分析模块计算转子的临界转速；
可以计算得出转子的一阶临界转速为48060r/min，风机的最大转速27000r/min避开了转子的临界转速。同时计算出转子的模态阵型。
步骤6：与电机的连接
电机与叶轮直联，无齿轮增速装置，无任何机械接触，无需润滑油系统，没有磨损及能量损耗，维护费用较低；
根据公式
p：轴功率（kw）
n：转速（r/min）
额定工况轴功率105kw，转速24000r/min时，扭矩为41.8n·m；
轴功率138kw，转速26800r/min时，扭矩为49.2n·m；
安全系数取2，摩擦面需要传递的扭矩为98.4n·m；
计算出所需摩擦力f1=98.4/0.012=8200n；
需要的螺栓预紧力：f2=8200/0.17=48235n；
m24螺栓预紧力计算：
选用8.8级螺栓：p0=77660n；
选用9.8级螺栓：p0=138500n；
为了安全等级更高一些，应该选用9.8级螺栓，材料选用25cr2mov，该材料的屈服极限≥785mpa。
产生138500n的预紧力，螺栓的伸长量计算：
138500/353=392mpa；
应变=
伸长量=
弹性变形量范围内，每伸长0.1mm，预紧力增加37400n。
m24长197mm的螺栓（材料为25cr2mov）产生塑性变形的最大伸长量量计算：
应力/应变=弹性模量；
应变=应力/弹性模量；
25cr2mov屈服极限≥785mpa，弹性模量：
最大应变=
最大伸长量=
本发明的有益效果：
一种磁悬浮高速离心式曝气风机及其制备方法，采用先进的变频调速、磁悬浮轴承以及高速永磁同步电机等技术，取消了传统单级高速离心鼓风机的齿轮增速组件及润滑系统，克服传统风机，效率低、噪音大、能耗大、体积及重量大和流量调节性能差等缺陷，实现风量、风压、转速等的智能调控，调节效率高，以保证系统优化运行，达到高效节能的目的，整机采用撬装结构，布置紧凑，安装便捷，生产线先进合理，具有较高的经济效益，将有广阔的市场前景。
图1是本发明的结构示意图。
其中1-单级高速离心式风机，2-磁悬浮轴承，3-高速永磁同步电机，4-叶轮，5-蜗壳，6-小齿轮，7-整流罩，8-小叶片，9-转盘，10-调节销，11-螺母，12-螺栓，13-风门壳体，14-转炳，15-定向传感器定子部件，16-定向传感器转子部件，17-心轴，18-推力盘，19螺钉，20-辅助轴承部件，21-内6角螺丝，22-弹簧圈，23-衬套，24-挡圈，25-电机座，26-垫圈，27-型环，28-径向磁轴承定子叠片-径向端，29-径向磁轴承定子屏蔽盖，30-径向磁轴承定子叠片-轴向端，31-轴向端外壳，32-径轴向传感器定子部件，33-轴向轴承部件，34-辅助轴承垫片，35-辅助轴承部件-轴向端，36-下端屏蔽罩，37-辅助轴承转子挡圈，38-轴向轴承垫片，39-径轴向传感转子部件，40-径向磁轴承转子部件-轴向端，41-弹性挡圈，42-镜像磁轴承转子部件-径向端。
具体实施方式
下面经合具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，包括单级高速离心式风机1，磁悬浮轴承2和高速永磁同步电机3三部分主件组成，所述的单级高速离心式风机1，磁悬浮轴承2和高速永磁同步电机3分别设置在机体的左上端和右侧及左下端，其中，所述单级高速离心式风机1上设有叶轮4，蜗壳5，型环27，转盘9，小叶片8，小齿轮6，转柄14，衬套23，风门壳体13，转盘9上端设有调节销10并由螺母11紧固，小齿轮6和转柄14之间设有弹簧圈22，所述的磁悬浮轴承2中心端设有电机心轴17，定向传感器转子部件16，镜像磁轴承转子部件-径向端42，辅助轴承部件20，定向传感器定子部件15，径向磁轴承定子叠片-径向端28，径向磁轴承定子屏蔽盖29，电机心轴17与叶轮4直接相连，径向磁轴承定子屏蔽盖29上端由螺钉19固定，所述的磁悬浮轴承2的左下端分别设有辅助轴承转子挡圈37，推力盘18，轴向轴承垫片38，径轴向传感转子部件39，径向磁轴承转子部件-轴向端40，弹性挡圈41，所述的磁悬浮轴承2的左上端分别设有径向磁轴承定子叠片-轴向端30，轴向端外壳31，径轴向传感器定子部件32，轴向轴承部件33，辅助轴承垫片34，辅助轴承部件-轴向端35；所述的高速永磁同步电机3固定在电机座25上端，电机座25上端设挡圈24并由内角螺丝21固定。
实施例2
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，所述蜗壳5的形状选择圆截面。
实施例3
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，电机心轴17与叶轮4直接相连处的一端设整流罩7，并设热圈26，由螺栓12固定。
实施例4
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，所述小叶片8下端设有弹簧圈22，衬套23。
实施例5
一种磁悬浮高速离心式曝气风机，所述的磁悬浮轴承2左侧外端设有屏蔽罩36。
实施例6
所述的一种磁悬浮高速离心式曝气风机及其制备方法，其制备方法的具体实施步骤为：
单级高速离心风机：采用设计软件进行三元流叶轮初步设计，通过cfd软件进行分析与优化，最后定型；再进行另一关键部件蜗壳的设计计算，考虑气体从叶轮和扩压器出来时具有很大的旋绕，在排气室不同截面处气体的流量将不一样，设计的蜗壳通流截面沿着气流旋绕方向逐渐增大，通过优化设计让气体在蜗壳内的流动损失最小，蜗壳的性能分析需要通过通流部分的整级数值模拟计算来完成。关键部件三元流叶轮采用高强度航空铝，后弯式设计，五轴联动高速铣削成型，经过cae分析、100%x射线探伤和115%的超转速试验。
步骤1：设计参数整理
1.1用户提供的设计参数
流量：4800m3/h
当地大气压：1.013bar
升压：0.7bar，最高升压：1.1bar
平均进气温度：30℃
平均湿度：70%
输送介质：空气
1.2设计参数的整理与计算
风机进口增加消音器和过滤器，压力损失分别为200pa和1500pa，所以平均进气压力：99600pa
进气温度：30℃
进气湿度：70%
进气状态气体的密度（
（根据公式
进气流量：81.5m3/min
步骤2：气动计算
根据设计参数，经过转速优化，额定转速确定为24000r/m，叶轮采用半开式，在半开式叶轮设计中，在高转速运行时，容易在叶轮进口处形成气流堵塞，因而常常从进口处缩短一半叶片数的叶片轴向尺寸，形成长短叶叶轮结构，也就是带有分流叶片的叶轮形式，减小叶片在进口时对流动的阻塞，此时短叶片的位置应该优化确定。
采用numeca软件进行叶轮的性能分析计算，为了节约计算时间，采用单通道模型进行计算。计算结果表明风机性能满足设计要求，计算得出风机的最高转速为27000r/m，最大轴功率为138.5kw。
步骤3：机壳的设计
3.1进气室的设计与计算
采用轴向进气形式，用于单级悬臂式鼓风机或者增压器中。
3.2进口可转导叶机构的设计
可调进口导叶是安装在叶轮进口前的一组叶片，可以绕自身的转动轴转动，每转动一个角度就是一个导叶安装角，气流在进入叶轮之前速度方向发生改变，导叶叶型是通过数据库提取并进行优化设计。导叶旋转角度与流量、效率的关系曲线通过实验测得；
进口可转导叶调节方式：通过控制电力驱动器控制进口导叶调节机构的连杆前后运动，通过连杆的前进和后退带动导叶外的环型件绕着风机进口中心线做圆周运动，进而通过连接件带动导叶绕着各自的中心轴旋转已达到控制导叶开关。
3.3排气蜗壳的设计
目前鼓风机蜗壳设计方法，基本上都是采用动量矩不变的理论进行设计的，即：
蜗壳的形状选择圆截面蜗壳；
对蜗壳进口半径r4为等直径的圆截面蜗壳，按下列公式计算圆的截面半径：
式中：
根据不同
机壳设计好后整机进行数值模拟计算，风机的效率为84.5%。
步骤4：风机进口可转导叶
4.1，采用ansys程序计算出叶片的真实应力值，该程序得出的应力值安全系数取1.0，计算出的最大应力值应不大于选用材质的许用应力；
7a09铝棒力学性能抗拉强度σb(mpa)：≥530,伸长应力σp0.2(mpa)：≥400；
叶根处的计算存在偏差，采用热点应力法对叶根处的应力进行校核计算：
a类结构热点应力计算方法
对于不超过0.4t的细网格，应按下式计算其结构应力：
式中
b类结构热点应力计算方法
对于不超过4mm的细网格，应按照下式计算其结构应力：
其中
取叶根处最大的应力点位置为热点，进行热点应力计算，
步骤5：转子临界转速计算
采用ansys软件的模态分析模块计算转子的临界转速；
可以计算得出转子的一阶临界转速为48060r/min，风机的最大转速27000r/min避开了转子的临界转速。同时计算出转子的模态阵型。
步骤6：与电机的连接
电机与叶轮直联，无齿轮增速装置，无任何机械接触，无需润滑油系统，没有磨损及能量损耗，维护费用较低；
根据公式
p：轴功率（kw）
n：转速（r/min）
额定工况轴功率105kw，转速24000r/min时，扭矩为41.8n·m；
轴功率138kw，转速26800r/min时，扭矩为49.2n·m；
安全系数取2，摩擦面需要传递的扭矩为98.4n·m；
计算出所需摩擦力f1=98.4/0.012=8200n；
需要的螺栓预紧力：f2=8200/0.17=48235n；
m24螺栓预紧力计算：
选用8.8级螺栓：p0=77660n；
选用9.8级螺栓：p0=138500n；
为了安全等级更高一些，应该选用9.8级螺栓，材料选用25cr2mov，该材料的屈服极限≥785mpa。
产生138500n的预紧力，螺栓的伸长量计算：
138500/353=392mpa；
应变=
伸长量=
弹性变形量范围内，每伸长0.1mm，预紧力增加37400n。
m24长197mm的螺栓（材料为25cr2mov）产生塑性变形的最大伸长量量计算：
应力/应变=弹性模量；
应变=应力/弹性模量；
25cr2mov屈服极限≥785mpa，弹性模量：
最大应变=
最大伸长量=