一种对旋式动叶可调轴流风机的控制方法与流程

本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种对旋式动叶可调轴流风机。

背景技术：

据有关资料统计，泵类和风机负载的耗电量约占全国总发电量的一半以上，这有两方面因素造成的，一方面，泵和风机设备应用十分广泛，特别是风机遍布国民经济各个环节，用得多，能耗自然也大；另一方面，泵和风机的性能与管路特性相关，随着管路阻力的变化，泵和风机设备的性能(流量、压力、功耗等)也会随之改变，一般在叶片角度、转速等参数固定的情况下效率与流量之间呈抛物线规律变化，在设计点附近有一个最高效率点，通常最高效率点的效率在60％～80％之间，但在实际应用中，由于种种原因，泵和风机设备十有八九是在偏离设计点工作的，偏离越多，设备的效率就越低，因此提高风机设备的实际运行效率对节能减排有现实的意义。

提高风机运行效率，降低风机能耗有两条路径，1、提高风机本身的效率，或扩大风机运行的高效区范围；2、优化风机与管路的匹配性能，使风机在设计点附近工作。

目前国家正在推行通风机能降等级政策，如果符合此政策的话，市场上的通风机最高效率基本都是过得去的。像这种性能良好的风机，再想在原来基础上提高一两个百分点都是很困难的，如想通过扩大它的高效区范围，使风机效率-风量曲线平坦点的方法来提高风机实际运行效率的话，其提高潜力也就是二三个百分点的可能。使用第一条路径的成本高，但效果有限。

优化风机与管路性能匹配的问题上，由于影响的因素较多，通风机实际使用中很少有正好在高效区运行的。首先，目前市场上的通风机有70％以上其实际性能与标牌性能不相符，且标牌参数未必就是设计点参数。再次，通风工程师设计时通风量、压力计算过于保守，对于通风工程师来说，他情愿风机功率选大点也不愿冒因风机压力不够造成通风量不足的风险，因大多数通风机实际性能达不到标牌性能也是导致通风工程师大幅增大通风机风量压力的原因之一，第三，管道安装施工人员为了方便，管道制作偏离工程设计也是常有的事情，第四，随着时间的推移，很多管道的阻力是会变化的。见于此，用常规的方法大幅提高通风机实际运行效率，以降低能耗是相当困难的。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种对旋式动叶可调轴流风机的控制方法。

为实现上述目的，本发明提供一种对旋式动叶可调轴流风机的控制方法，所述对旋式动叶可调轴流风机包括相连接的第一风机单元和第二风机单元，所述控制方法包括以下步骤：

s1)：获取风机优化目标性能和风机工作状态参数之间的第一函数；

s2)：获取风机综合性能和风机综合状态参数之间的第二函数；

s3)：根据工况下的风机实际工作状态参数和所述第二函数得出工况下的风机实际综合状态，判断所述风机实际综合状态是否达到实际工况需求，若所述风机实际综合状态未达到实际工况需求，调节所述风机实际工作状态参数直至所述风机综合工作状态达到所述实际工况需求；

s4)：根据步骤s3)中的最终的风机实际风机工作状态参数和所述第一函数得出风机实际性能，判断所述风机实际性能是否达到风机最优性能状态，若所述风机实际性能未达到风机最优性能状态，调节所述风机实际工作状态参数直至所述风机实际性能达到风机最优性能状态。

如上所述的控制方法，其中，所述风机工作状态参数包括第一风机单元的叶轮的第一转速、第一风机单元的叶片的第一角度、第二风机单元的叶轮的第二转速和第二风机单元的叶片的第二角度。

如上所述的控制方法，其中，所述风机综合状态参数包括所述第一转速、所述第一角度、所述第二转速、所述第二角度、第一风机单元进出口压力差和第二风机单元进出口压力差。

如上所述的控制方法，其中，所述第一风机单元进出口压力差为所述第一风机单元的叶片的进风侧的压力与出口侧压力差。

如上所述的控制方法，其中，所述第二风机单元进出口压力差为所述第二风机单元的叶片的进口侧与出风侧的压力差。

如上所述的控制方法，其中，将所述风机工作状态参数和所述风机优化目标性能传送至处理模块，所述处理模块得出所述第一函数。

如上所述的控制方法，其中，将所述风机综合性能和所述风机综合状态参数传送至处理模块，所述处理模块得出所述第二函数。

如上所述的控制方法，其中，所述处理模块通过bp神经网络得出所述第一函数和所述第二函数。

如上所述的控制方法，其中，所述风机优化目标性能包括风机的风量和鼓风压力。

如上所述的控制方法，其中，所述风机综合性能包括所述风量、所述压力、风机效率和风机噪声。

在上述技术方案中，本发明提供的对旋式动叶可调轴流风机的控制方法，与现有技术相比，本发明的控制方法可以达到风机的节能高效性，对旋式轴流风机由旋向相反的两级叶轮组成，具有风量大、压力高、结构紧凑及可以实现100％逆向送风等优点。两级叶轮配以动叶角度可调可以大幅扩大风机高效运行范围，对风机实际运行中的节能降噪具有十分巨大的意义，通过本发明的控制方法，可以实现确保风机能够满足实际工况需求，并且确保风机以其最高效率进行工作，以达到节能的效果，并且还能很好地控制风机的噪音，因此本发明的控制方法对风机实际运行中的节能降噪具有十分巨大的意义。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明的控制方法的第一阶段的流程图；

图2为本发明的控制方法的第一阶段的流程图；

图3为本发明的获取风机综合状态参数的示意图；

图4为本发明的一实施例的对旋式动叶可调轴流风机的结构示意图；

图5为图4中的对旋式动叶可调轴流风机的风机单元结构示意图；

图6为图4中的对旋式动叶可调轴流风机的叶轮旋组件与调节机构结构示意图；

图7为图4中的对旋式动叶可调轴流风机的轮毂的结构示意图；

图8为图4中的对旋式动叶可调轴流风机的叶片组件的结构示意图。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围，下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1至图8分别为本发明的控制方法的第一阶段的流程图、本发明的控制方法的第一阶段的流程图、本发明的获取风机综合状态参数的示意图、本发明的一实施例的对旋式动叶可调轴流风机的结构示意图、图4中的对旋式动叶可调轴流风机的风机单元结构示意图、图4中的对旋式动叶可调轴流风机的叶轮旋组件与调节机构结构示意图、图4中的对旋式动叶可调轴流风机的轮毂的结构示意图和图4中的对旋式动叶可调轴流风机的叶片组件的结构示意图。

如图1和图2所示，本发明提出了一种对旋式动叶可调轴流风机的控制方法，在一实施例中，对旋式动叶可调轴流风机包括相连接的第一风机单元和第二风机单元，本发明的控制方法包括以下步骤：s1)：获取风机优化目标性能和风机工作状态参数之间的第一函数；s2)获取风机综合性能和风机综合状态参数之间的第二函数；s3)：根据工况下的风机实际工作状态参数和所述第二函数得出工况下的风机实际综合状态，判断所述风机实际综合状态是否达到实际工况需求，若所述风机实际综合状态未达到实际工况需求，调节所述风机实际工作状态参数直至所述风机综合工作状态达到所述实际工况需求；s4)：根据步骤s3)中的最终的风机实际风机工作状态参数和所述第一函数得出风机实际性能，判断所述风机实际性能是否达到风机最优性能状态，若所述风机实际性能未达到风机最优性能状态，调节所述风机实际工作状态参数直至所述风机实际性能达到风机最优性能状态。

具体地，如图3所示，本发明的对风机的控制方法通过控制箱10来实现，控制箱10主要包含单片机处理模块101、人机界面(图中未示出)和两个变频模块102组成，单片机处理模块具有八个模拟输入量和四个模拟输出量功能，可以实现监测一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2、二级叶轮叶片角度a2、第一风机单元进出口压力差、第二风机单元进出口压力差、风机内空气温度t及大气压力p0这八个参数，单片机处理模块可以根据四个模拟量输出功能来调整一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2及二级叶轮叶片角度a2这四个参数。具体地，如图3所示，单片机处理模块与两个变频模块相接，单片机处理模块根据输出模拟量来调解两个变频模块的频率，从而实现调解一级叶轮转速n1和二级叶轮转速n2，单片机处理模块还与风机的调节机构(图3未示出)相电接，单片机处理模块根据输出模拟量来输出电信号，电信号使调节机构调节一级叶轮叶片角度a1和二级叶轮叶片角度a2。进一步地，通过人机界面可以设置风机运行模式、运行范围及其他参数(如风机运行效率、风机运行功率等)。

为实现本发明的控制方法，对本发明的控制方法分为如下两个阶段：

如图1所示，本发明的第一阶段为风机优化目标性能(也可以称为风机性能)训练过程，该过程在风机性能试验台控制电脑上进行操作，如图2所示，第二阶段为风机控制过程，第二阶段主要在控制箱上运行。

具体地，控制箱10与风机联接后，把风机安装在标准性能试验台上，通过压力传感器101来测定大气压力p0，通过温度传感器102来测定风机内空气温度t，通过压力传感器103来测定第二风机单元进出口压力差p2，通过转速传感器104来测定二级叶轮转速n2，通过叶角调节器105来测定二级叶轮叶片角度a2，通过叶角调节器106来测定一级叶轮叶片角度a1，通过转速传感器107来测定一级叶轮转速n1以及通过压力传感器108来测定第一风机单元进出口压力差p1。在标准试验台上，风机运行后，控制电脑(实质为电脑上的训练软件)会自动调节两极叶轮的转速和叶角，即控制电脑(实质为电脑上的训练软件)会自动调节一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2和二级叶轮叶片角度a2这四个参数，在这个过程中，控制电脑通过控制箱10自动监测风机的前述的八个参数，同时通过标准试验台监测风机的性能参数，其中风机的性能参数包括风量q、风机鼓风的压力p、效率η和噪声l等，根据监测到的风机的性能参数g(风量q和风机鼓风的压力p)和监测到的风机工作状态参数s(一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2和二级叶轮叶片角度a2这四个参数)一系列数据建立相应数学模型，从而得出相应的第一函数g(p,q)＝f(n1,a1,n2,a2)，可以简写为g(p,q)＝f(s)，进一步地，根据监测到的风机综合状态参数g’(包括风量q、风机鼓风的压力p效率η和噪声l)和监测到的风机综合状态参数s’(包括一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2、二级叶轮叶片角度a2、第一风机单元进出口压力差p1和第二风机单元进出口压力差p2)建立相应的数学模型，从而得出相应的第二函数g’(p,q,η,l)＝f(n1,a1,n2,a2,p1,p2)，可以简写为g’(p,q,η,l)＝f(s’)，反复这一过程，直到两个函数的精度达到指定要求后自动停机训练过程。

经过第一阶段后，参考图2所示，在人机界面中输入实际工况需求风量q0、风机风量所允许的偏差量ε和风机效率所允许的偏差量δ，控制箱中的单片机处理模块中录入配套风机的性能模型，即录入上述的两个数学模型，在一具体实施例中，控制箱中的单片机存储器中录入配套风机的性能模型，在现场使用中，控制箱可以按已知模型来优化控制风机运行，使风机能以最低的能耗来达到要求的工作状况，这一项工作由控制过程来完成。具体地，依据控制箱10监测到的上述八个参数，即风机综合状态参数s’(n1,a1,n2,a2,p1,p2)，可以用第二函数g’(p,q,η,l)＝f(s’)推算出风机的性能状况g’(q,p,η,l)，判断风量或压力是否满足工艺要求，即如没达到工艺要求，则调节s(n1,a1,n2,a2)到满足为至，也即根据工况下的风机实际工作状态参数和第二函数g’(p,q,η,l)＝f(s’)推算出工况下的风机实际综合状态，判断风机实际综合状态是否达到实际工况需求，若风机实际综合状态未达到实际工况需求，调节风机实际工作状态参数(一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2和二级叶轮叶片角度a2)直至风机综合工作状态达到实际工况需求。然后，用第一函数g(p,q)＝f(s)来判断此性能状态下风机效率是否为最优状态，如果不是则继续调节风机运行参数s(n1,a1,n2,a2)，使风机处于最优性能状态，也即，根据步骤s3)中的最终的风机实际风机工作状态参数和第一函数得出风机实际性能，判断风机实际性能是否达到风机最优性能状态，若风机实际性能未达到风机最优性能状态，调节所述风机实际工作状态参数(一级叶轮转速n1、一级叶轮叶片角度a1、二级叶轮转速n2和二级叶轮叶片角度a2)直至风机实际性能达到风机最优性能状态。

在一具体实施例中，单片机处理模块通过bp神经网络得出第一函数和第二函数，当然，也可以使用其他模型算法，只要两个模型(或函数)的精度达到指定要求即可，在此不做具体限制。

参考图3，风机第一风机单元进出口压力差为第一风机单元的叶片的进风侧与出风侧的压力差，第二风机单元进出口压力差为第二风机单元的叶片的进风侧与出风侧的压力差。

在本发明中，使用该控制方法对旋式动叶可调轴流风机进行控制，具体地如图4和图5所示，示意性地显示了该对旋式动叶可调轴流风机，包括两个结构相同并且相连接的风机单元，这两个风机单元结构为两个相互独立的风机单元(可称为一级轴流风机和二级轴流风机，也可以成为第一风机单元和第二风机单元)两个风机单元为轴向串联连接。

每个风机单元包括内筒5、叶轮组件3、扩散筒2、调节机构6和电机1；其中，内筒5和叶轮组件3、扩散筒2依次连接。调节机构6设置在内筒5内部与叶轮组件3连接用于调节叶轮组件3。电机1设置在扩散筒2内部与叶轮组件3、调节机构6连接。该叶轮组件3为动叶角度动态可调。还包括设置在风机单元外部的外筒4，该外筒4将风机单元圆周全部包裹，该风机单元在此外筒4内部工作。

具体的，两个外筒4通过接口法兰连接使两个风机单元构成一体，两个风机单元为平面镜像布置。两个风机单元的空气流向保持一致，但叶轮旋组件3旋转方向相反。气流从一个风机单元的扩散筒2与外筒4组成的流道流入，经叶轮组件3由内筒5与外筒4组成的流道流出。在另一个风机单元中由内筒5与外筒4组成的流道流入，经叶轮组件3、扩散筒2与外筒4组成的流道流出。此结构只要改变两个风机单元的电机旋向就可以实现100％性能的逆向送风，逆向送风工作时两个风机单元角色相互转换。

进一步的，动叶角度动态可调的叶轮组件3固定在驱动电机1的轴上，而电机1安装在扩散筒2内部，扩散筒2通过若干个径向分布的支撑片21固定在外筒5内臂上，扩散筒2呈减缩形状。

对旋式轴流风机：对旋式轴流风机为双级叶轮轴流风机，一台风机有前后两个叶轮组成，而且前后叶轮的旋转方向相反，具有风量大、压力高、结构紧凑及可以实现100％逆向送风等优点，适用于现在空间狭小，管路复杂阻力大的场所，如隧道矿井通风等。

动叶角度动态可调轴流风机：风机在运行的情况下通过调节机构来调节风机旋转叶片的安装角度，以达到改变风机运行参数的目的，具有这种功能的轴流风机称为动叶角度动态可调轴流风机，简称动叶可调轴流风机。

执行机构：执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。本例中用电机为动力，通过一套专门的传动系统来驱动叶片角度的变化。

如图6和图7所示，在一个实施例中，叶轮组件3包括多个叶片组件31和轮毂32，在轮毂32的圆周上均匀加工有多个安装孔321，多个叶片组件31分别安装在多个安装孔321内。在轴封盖315与轴承312之间安装有油毡密封圈316。在轮毂32另一侧的叶角调节滑块通过轴承、万向联接器与执行器63相联。如图3所示，调节机构6包括调节滑块组件61、调节推杆62和执行器63，具体的，调节滑块组件61与叶柄拔叉313连接，调节滑块组件61与执行器63通过调节推杆62连接。

每个叶片组件31由叶片311、两个可以承受轴向推力的轴承312、轴承封盖315、叶柄拨杈313及压紧螺母314组成。叶片311一端有圆柱形叶柄，叶柄末端加工有螺纹，叶柄上依次安装有轴承封盖315、两个能承受轴向推力的轴承312安装方向相反、叶柄拨杈313及压紧螺母314，通过两个轴承312把叶片311固定在轮毂32的叶片安装孔321上，叶柄轴向由压紧螺母314固定。轴封盖315通过螺钉固定在轮毂32上，两者复合面上垫有密封垫，轴封盖315与叶柄之间保持同轴关系，两者之间有油毡密封圈密封316，阻止轴承312油脂外漏，叶柄拨杈313与叶柄之间有键联接，叶片311在轮毂32上可以跟随叶柄拨杈313灵活转动。所有叶片组件31的叶柄拨杈313柱头通过夹套图中未示出被调节滑块组件61的外圆凹槽图中未示出夹住，叶柄拨杈313的柱头、夹套和调节滑块组件61外圆凹槽之间为滑动付联接。调节滑块组件61安装在轮毂32轴套外圆上，与轮毂32保持同轴，调节滑块组件61与轮毂轴套外圆之间有滑块键7联接，确保圆周方向同步，但在轴向可以自由滑动。调节滑块组组件61离开轮毂32的一侧联接有推杆组件62，推杆组件62与调节滑块组件61之间通过可以承受轴向力的轴承组8联接，在调节滑块组件61旋转时可以保证推杆组件不转，但推杆组件可以向调节滑块组件61传递轴向调节力。推杆组件62通过一对万向联接器64与执行器63相联。当调节执行器63动作时，调节滑块组件61跟随推杆组件产生轴向位移，叶柄拨杈313在调节滑块组件61的带动下使叶片311发生角度变化，由于调节滑块组件61与推杆组件62之间通过轴承组8联接，旋转方向相对动静接触，所以当叶轮组件3旋转工作时也可以动态调节叶片311角度。

如图8所示，在一个实施例中，叶片组件31包括叶片311、两个轴承312、叶柄拔叉313和压紧螺母314；其中，在叶片311一端的叶柄上依次套装有轴封盖315、两个轴承312、叶柄拔叉313和压紧螺母314。

流体力学理论表明，通风管道的阻力随着管道内风量增加呈二次方关系上升。而风机的送风量会因管道阻力的增加减少，不同风机会呈现不同的p-q曲线，工作状态固定的风机在固定阻力的管路内运行，风机的性能状态也是固定的，风机的工作点就是两条曲线的交点。也就是说对于同一台风机来说，它运行的工作点是由外接的管道来决定的，如果风机与管道匹配合理，风机在最高效率点附近运行，风机运行效率就高，反之风机的运行效率就低。同样的，对于同一通风管路，需要输送10000m³/h的风量，此时管路总阻力损失为1000pa，如果风机选的好，例如风机a，在10000m³/h时的效率为它的最高效率，为80％，此时风机a只需要3.47kw功率消耗就可以了，如果风机选的不好，例如风机b，在10000m³/h风量时的效率仅为50％，此时风机b需要5.56kw的功率消耗。但在现场实际使用中，因多种原因造成很难使风机的运行点落在最高效率点附近，这样势必造成不必要的额外电能浪费。

对旋式轴流风机具有诸多的优点，它设计成双级叶轮叶片角度可调的话更是具有其他类型风机无法相比的工况调节优势，本发明通过对对旋式动叶可调轴流风机的知能控制，可以实现在整个风量范围内以最高效率或接近最高效率工作，杜绝额外能源浪费，如果此发明推广的话，节约全国总发电量的1层是完全有可能的。

具体使用时：

1)控制精度要求较低的场合，可以忽略大气压力、空气温度的测量；

2)控制精度要求较低的场合也可以用监控驱动电机的供电频率来替代监控叶轮转速；

3)本发明采用神经网络技术自学习建模方法生成风机性能数学模型，也可以采用拟合法生成风机性能数学模型。

4)本发明采用单片机控制风机，也可以采用plc(可编程序控制器)来实现相同功能。

5)本发明采用学习软件在标准试验台上自动生成风机性能数学模型，也可以通过人工测试方式，采用人工方法生成风机性能数学模型。

6)本发明是采用测量风机进出口截面处的压力状态参数来间接确定风机性能参数的，也可以直接测量通风管路中的风量和压力来确定风机性能参数，从而达到智能控制的目的；

7)本发明采用两套变频电路分别来控制一、二级叶轮的驱动电机，为了简化控制算法，也可以采用一套功率容量较大的变频电路来拖动两台驱动电机；

8)本发明采用专门设计的变频电路来提供驱动电机调速，也可以用通用变频器来替代变频电路；

9)作为示例，本方案也可以对固定叶角的对旋式轴流风机智能控制，本方案的调控参数为一、二级叶轮的转速和叶片角度共四个，对于固定叶角的对旋式轴流风机，一、二级叶轮的叶片角度是固定值，用本方案来控制时仅通过对一、二级叶轮的转速调控来调节风机性能；

10)作为示例，本方案也可以对固定转速的对旋式动叶可调轴流风机智能控制，本方案的调控参数为一、二级叶轮的转速和叶片角度共四个，对于固定转速的对旋式动叶可调轴流风机，一、二级叶轮的转速是固定值，用本方案来控制时仅通过对一、二级叶轮的叶片角度调控来调节风机性能；

11)作为示例，本方案也可以对普通动叶可调轴流风机智能控制，本方案的调控对象为对旋式动叶可调轴流风机，对于普通动叶可调轴流风机，它只有一个叶轮级可通过对叶轮的转速及叶片角度调控来调节风机性能；

12)作为示例，本方案也可以对转速固定的普通动叶可调轴流风机智能控制，本方案的调控对象为对旋式动叶可调轴流风机，对于转速固定的普通动叶可调轴流风机，它只有一个叶轮级可通过对叶片角度调控来调节风机性能。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。