防爆离心通风机及其防爆方法

技术领域

本发明涉及防爆设备领域，特别涉及一种防爆离心通风机及其防爆方法。

背景技术

当风机输送的物料为易燃易爆气体，例如，从罐区向有机气体回收装置输送混合气的场景，风机内部处于潜在爆炸性环境(空气中包含气体、蒸汽、薄雾或粉尘)。根据火灾及爆炸形成的三要素原理，风机内的潜在爆炸性环境存在可燃物和助燃物，造成发生燃爆事故的隐患。

通风机是通过叶轮的旋转作用不断吸入和排出气体，从而达到连续鼓风的目的。工作时，旋转设备转子与静子零部件发生摩擦是比较常见的故障，一旦动静部件固体材料之间因间隙过小或者不平衡运转摩擦飞溅出细小炽热的颗粒，依据能量守恒定律，机械构件发生高速摩擦或撞击后，一部分机械能转化为热能，热量若集中于炽热颗粒并扩散至输送介质的爆炸性环境中，就可能引燃爆炸性环境。

然而，目前现有技术的防爆风机往往仅考虑电气类防爆，即限制电机的点燃源来保证安全，这使得在潜在爆炸性环境的使用场景下风机整体安全性低，在风机内部产生点燃源时，容易造成设备和人员的伤害，不利于安全生产。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种防爆离心通风机及其防爆方法，从而提高现有防爆离心通风机在潜在爆炸性环境下工作的安全性。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种防爆离心通风机，其包括叶轮、机壳、传动组件和防爆电机，传动组件包括主轴、轴承和联轴器。叶轮、机壳和传动组件采用铝合金或非铝合金制成，非铝合金中铝、镁元素的总质量分数小于15％。

进一步，上述技术方案中，叶轮与机壳的最小间隙不小于叶轮的直径的0.5％，并且叶轮与机壳的轴向间隙和径向间隙均为2～13mm。

进一步，上述技术方案中，机壳能够承受的最大爆炸压力为0.8～1.2MPa。

进一步，上述技术方案中，机壳的内壁设有衬层。

进一步，上述技术方案中，衬层由铜、不锈钢或聚四氟乙烯制成。

进一步，上述技术方案中，衬层通过焊接或铆接固定在机壳的内壁上。

进一步，上述技术方案中，叶轮能够在不小于最高工作转速的1.1倍的转速下，持续运转至少120s。

进一步，上述技术方案中，主轴和叶轮通过锥形衬套与平键组合固定连接。

进一步，上述技术方案中，主轴设有轴密封元件。

进一步，上述技术方案中，轴密封元件采用干气密封。

进一步，上述技术方案中，还包括支撑组件，该支撑组件包括轴承座和底座。

进一步，上述技术方案中，支撑组件能够承受的最大爆炸压力为0.8～1.2MPa。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种防爆离心通风机的防爆方法，该防爆离心通风机包括叶轮、机壳、传动组件和防爆电机，传动组件包括主轴、轴承和联轴器。该防爆方法包括：采用摩擦和碰撞不产生火花的材料制造叶轮、机壳和传动组件；设定机壳和叶轮的刚性；设定叶轮与机壳的间隙，以保证叶轮与机壳不发生摩擦；设置机壳的衬层的材料和厚度；安装叶轮与主轴，以确保两者轴向和径向固定连接。

进一步，上述技术方案中，根据衬层的材料及防爆电机的功率来设置机壳的衬层的厚度。

进一步，上述技术方案中，摩擦和碰撞不产生火花的材料为铝合金或非铝合金，非铝合金中铝、镁元素的总质量分数小于15％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.通过内部无火花设计，降低了易燃易爆介质在本发明的防爆离心通风机内部被点燃的风险。

2.系统地优化离心通风机动静部件材料组搭配、动静部分的间隙等结构设计，更全面保证离心通风机内部的机械部件间不产生有效点燃源，实现了内部无火花设计。

3.通过设置结构的刚性、机壳中的衬层等防护，能够在离心通风机出现事故时，避免将危险扩大。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的防爆离心通风机的结构示意图。

主要附图标记说明：

10-防爆电机，21-叶轮，22-机壳，221-进风口，222-出风口，31-主轴，33-联轴器，41-底座，42-轴承座。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，根据本发明具体实施方式的防爆离心通风机包括防爆电机10、通流组件和传动组件。通流组件包括叶轮21和机壳22，机壳22上设有进风口221和出风口222；传动组件包括主轴31、轴承和联轴器33。防爆离心通风机还可以包括支撑组件，支撑组件包括轴承座42和底座41。离心通风机工作时通过叶轮高速旋转，将气体经过进风口221沿轴向吸入叶轮，在叶轮内折转90°后，流经叶道排出叶轮，最后通过机壳将叶轮甩出的气体集中并导流进而从出风口222排出。气体获得能量，压力提升，动能增加。应了解的是，本发明的防爆离心通风机并未改变传统风机结构，上述具体结构仅为示例性地，以便清楚说明本发明的精神，本发明并不以此为限。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，叶轮21、机壳22和传动组件采用铝合金或非铝合金制成。为了提高合金材料的耐腐蚀、耐磨、强度等会添加一定量的Mg、Al、Zn、Cu等元素提高合金的延展性和机械强度，这些元素是影响安全性的关键因素。在潜在爆炸环境下开展合金摩擦火花试验，采用高速冲击和旋转摩擦试验测试了多种非铝合金样品，详细记录了试验中产生火花的次数以及是否引爆潜在爆炸气体的现象。其中Mg元素和Al元素在制造过程中产生金属化合物，β相具有较高的脆性，在碰撞和摩擦的过程中容易形成细微粉末从而引燃气体，通过统计受测试材料在摩擦火花试验中引燃爆炸性气体的次数，得知Mg元素和Al元素的总质量分数从0.245％到14.37％增长范围内，试验结果出现了少量次数的火花，但没有引燃试验气体，而当Mg和Al的总质量分数超过15％之后，试验中出现的火花次数增加明显，且结果为均引燃了试验气体。在本发明的一个或多个示例性实施方式中，叶轮21、机壳22和传动组件采用的非铝合金中铝、镁元素的总质量分数小于15％，以避免动静部件之间的摩擦或撞击产生火花、点燃介质。优选地，机壳22与大地连通。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，叶轮21和机壳22之间的最小间隙不小于叶轮21的直径的0.5％，并且叶轮21与机壳22的轴向间隙和径向间隙均为2～13mm。一方面，通过试验得知，叶轮21与机壳22的间隙在2mm以下容易接触摩擦，另一方面，间隙过大又会引起风机工作效率降低，为了保证风机的工作效率，限定间隙不要超过13mm。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，防爆离心通风机的机壳22要满足刚性设计。即使是机壳22中最脆弱的部分，在冲击测试中，承受0.8～1.2MPa之间的最大爆炸压力时，形变也极其微小，以确保转动部件不会与机壳22接触。避免由于管路系统连接缺少柔性接头、在安装阶段对出入口套管造成损坏而导致的机壳扭曲，或者当离心通风机入口关闭，管路系统内气压低于大气压而发生的机壳扭曲变形，致使转动部件与机壳发生接触摩擦。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，防爆离心通风机内部空间密闭，在机壳22的内壁设置衬层(图中未示出)，可以降低机壳内热量积聚难以将能量快速导出引起机壳爆裂的危险。示例性地，衬层的材料可以选择金属，例如，铜、不锈钢等，也可以选择非金属，例如，聚四氟乙烯等材料。衬层的最小厚度如下表所示，衬层的厚度与衬层的材料和防爆电机的驱动功率相关。衬层应牢固地固定在机壳的内壁上，例如，通过焊接、铆接或使用相容材料硬化固定，同时还应注意衬层和机壳的基体材料之间不会发生电偶反应。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，叶轮21采用刚性设计。根据屈服应力的2/3进行主应力计算来设计的叶轮，可以被视为满足刚性设计的需要。叶轮21要能够承受至少1.10倍最大运行转速、至少120s的运行试验，并且不会造成点燃危险，即叶轮21不会接触机壳22发生摩擦。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，主轴31和叶轮21通过锥形衬套与平键组合固定连接。叶轮21和主轴31是风机转动中的重要部件，必须保持两者轴向和径向的固定，轴连接方式的牢固程度既关系到风机运行的安全性能，又影响风机检修时拆卸是否方便。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，主轴31设有密封元件(图中未示出)。优选而非限制性地，主轴31的密封元件采用干气密封。主轴的密封元件能够防止可能导致内部点燃的非预期颗粒或物体的进入。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，防爆离心通风机的防爆方法包括：采用摩擦和碰撞不产生火花的材料制造叶轮、机壳和传动组件；设定机壳和叶轮的刚性；设定叶轮与机壳的间隙，以保证叶轮与机壳不发生摩擦；设置机壳的衬层的材料和厚度；安装叶轮与主轴，以确保两者轴向和径向固定连接。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，根据衬层的材料及防爆电机的功率来设置机壳的衬层的厚度。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，摩擦和碰撞不产生火花的材料为铝合金或非铝合金，非铝合金中铝、镁元素的总质量分数小于15％。

下面以具体实施例的方式更详细地说明本发明，应了解的是，本发明并不以此为限。

实施例1

参考图1所示，本实施例的防爆离心通风机，防爆电机10的电功率为5.5kW。叶轮21由630不锈钢制成，强度为最大运行速度的1.2倍等效应力值。机壳22由304不锈钢制成，并且通过冲击测试，能够承受1.0MPa的冲击压力，机壳22的内壁设有衬层，衬层的材料为聚四氟乙烯，厚度为2mm。叶轮21与机壳22的轴向和径向的最小单侧间隙为5mm。叶轮21与主轴31通过锥形衬套和平键组合固定安装。

将本实施例的防爆离心通风机进行火焰传播试验，试验回路管道内通入乙烯/空气混合气，通过开启试验回路上的节流阀使混合气充分循环，直到进风口221达到最大允许压力，断开气源。分别在本实施例的防爆离心通风机静态和最大转速下各进行6次火焰传播试验，每次试验都在防爆离心通风机的进风口221和出风口222附近点火，试验中测得进风口221处温度为60℃，每次试验测量出风口222处最高温度如表1所示。

表1出风口处最高温度

出风口222处的最高温度保持在标准气流温度(进风口221处的温度)的-10％～+20％之间，并且12次试验中，在进风口221和出风口222都没有发生火焰传播，本实施例的防爆离心通风机无火花产生，通过了整机防爆测试。

实施例2

参考图1所示，本实施例的防爆离心通风机，防爆电机10的电功率为18.5kW。叶轮21由630不锈钢制成，强度为最大运行速度的1.2倍等效应力值。机壳22由316不锈钢制成，并且通过冲击测试，能够承受1.0MPa的冲击压力，机壳22的内壁设有衬层，衬层的材料为不锈钢，厚度为2mm。叶轮21与机壳22的轴向和径向的最小单侧间隙为4mm。叶轮21与主轴31通过锥形衬套和平键组合固定安装。

将本实施例的防爆离心通风机进行火焰传播试验，试验回路管道内通入乙烯/空气混合气，通过开启试验回路上的节流阀使混合气充分循环，直到进风口221达到最大允许压力，断开气源。分别在本实施例的防爆离心通风机静态和最大转速下各进行6次火焰传播试验，每次试验都在防爆离心通风机的进风口221和出风口222附近点火，试验中测得进风口221处温度为60℃，每次试验测量出风口222处最高温度如表2所示。

表2出风口处最高温度

出风口222处的最高温度保持在标准气流温度(进风口221处的温度)的-10％～+20％之间，并且12次试验中，在进风口221和出风口222都没有发生火焰传播，本实施例的防爆离心通风机无火花产生，通过了整机防爆测试。

实施例3

参考图1所示，本实施例的防爆离心通风机，防爆电机10的电功率为18.5kW。叶轮21由铝合金制成，强度为最大运行速度的1.2倍等效应力值。机壳22由铸铁制成，并且通过冲击测试，能够承受1.0MPa的冲击压力，机壳22的内壁设有衬层，衬层的材料为黄铜，厚度为2mm。叶轮21与机壳22的轴向和径向的最小单侧间隙为5mm。叶轮21与主轴31通过锥形衬套和平键组合固定安装。

将本实施例的防爆离心通风机进行火焰传播试验，试验回路管道内通入乙烯/空气混合气，通过开启试验回路上的节流阀使混合气充分循环，直到进风口221达到最大允许压力，断开气源。分别在本实施例的防爆离心通风机静态和最大转速下各进行6次火焰传播试验，每次试验都在防爆离心通风机的进风口221和出风口222附近点火，试验中测得进风口221处温度为60℃，每次试验测量出风口222处最高温度如表3所示。

表3出风口处最高温度

出风口222处的最高温度保持在标准气流温度(进风口221处的温度)的-10％～+20％之间，并且12次试验中，在进风口221和出风口222都没有发生火焰传播，本实施例的防爆离心通风机无火花产生，通过了整机防爆测试。

实施例4

参考图1所示，本实施例的防爆离心通风机，防爆电机10的电功率为10.58kW。叶轮21由Cr17Ni2钢制成，强度为最大运行速度的1.2倍等效应力值。机壳22由黄铜CuZn37制成，并且通过冲击测试，能够承受1.0MPa的冲击压力，机壳22的内壁设有衬层，衬层的材料为聚四氟乙烯，厚度为2mm。叶轮21与机壳22的轴向和径向的最小单侧间隙为6mm。叶轮21与主轴31通过锥形衬套和平键组合固定安装。

将本实施例的防爆离心通风机进行火焰传播试验，试验回路管道内通入乙烯/空气混合气，通过开启试验回路上的节流阀使混合气充分循环，直到进风口221达到最大允许压力，断开气源。分别在本实施例的防爆离心通风机静态和最大转速下各进行6次火焰传播试验，每次试验都在防爆离心通风机的进风口221和出风口222附近点火，试验中测得进风口221处温度为40℃，每次试验测量出风口222处最高温度如表4所示。

表4出风口处最高温度

出风口222处的最高温度保持在标准气流温度(进风口221处的温度)的-10％～+20％之间，并且12次试验中，在进风口221和出风口222都没有发生火焰传播，本实施例的防爆离心通风机无火花产生，通过了整机防爆测试。

实施例5

参考图1所示，本实施例的防爆离心通风机，防爆电机10的电功率为4.5kW。叶轮21由铜锡锌合金CuZn39Sn制成，强度为最大运行速度的1.2倍等效应力值。机壳22由316不锈钢制成，并且通过冲击测试，能够承受1.0MPa的冲击压力，机壳22的内壁设有衬层，衬层的材料为聚四氟乙烯，厚度为2mm。叶轮21与机壳22的轴向和径向的最小单侧间隙为3mm。叶轮21与主轴31通过锥形衬套和平键组合固定安装。

将本实施例的防爆离心通风机进行火焰传播试验，试验回路管道内通入乙烯/空气混合气，通过开启试验回路上的节流阀使混合气充分循环，直到进风口221达到最大允许压力，断开气源。分别在本实施例的防爆离心通风机静态和最大转速下各进行6次火焰传播试验，每次试验都在防爆离心通风机的进风口221和出风口222附近点火，试验中测得进风口221处温度为50℃，每次试验测量出风口222处最高温度如表5所示。

表5出风口处最高温度

出风口222处的最高温度保持在标准气流温度(进风口221处的温度)的-10％～+20％之间，并且12次试验中，在进风口221和出风口222都没有发生火焰传播，本实施例的防爆离心通风机无火花产生，通过了整机防爆测试。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。