The paper presents the results of testing an industrial prototype of a new-generation centrifugal blower of the CN COAXIS series with a drive power of 45 kW, operating in the range of gauge pressures from 30 to 100 kPa. The design feature of the blower is a bladeless impeller with elastic blades that self-adjust under the action of centrifugal force and aerodynamic drag, providing adaptive variation of the effective impeller diameter. A control method has been implemented in which the rotor speed is automatically varied so as to maintain constant input power (rated motor current 82.1 A) throughout the entire range of hydraulic resistance of the discharge line. A standard size range with drive power up to 630 kW has been developed by the similarity method. At the reference point (3370 m³/h, 40 kPa), the overall efficiency reached 77.9 % at a power consumption of 48.1 kW. The total cost of ownership is shown to be lower than that of rotary, vortex, and screw machines of comparable capacity. Maintainability is considered separately: the use of standard АИР series induction motors, a timing belt drive, bearing assemblies, and a VAZ-2108 oil filter is contrasted with the «closed» architecture of high-speed permanent-magnet machines.

Keywords: centrifugal blower, adaptive blades, constant input power, efficiency, energy efficiency, pneumatic transport, aeration, maintainability.

Введение

В диапазоне избыточных давлений 30–100 кПа традиционно доминируют объёмные машины — роторные воздуходувки типа Рутс и винтовые компрессоры. Роторные машины просты и неприхотливы, однако их КПД падает с ростом противодавления из-за перетечек через зазоры, а дискретный характер подачи обуславливает повышенный уровень шума и пульсаций. Винтовые машины эффективнее, но сложнее в обслуживании и требуют прецизионного оборудования при ремонте [1, 2].

Центробежные машины в этом диапазоне давлений до недавнего времени считались неконкурентоспособными: одноступенчатые вентиляторы не развивают требуемого напора, а многоступенчатые компрессоры оказываются дороже и сложнее в эксплуатации. Принципиально иной подход к конструкции рабочего колеса позволяет снять это ограничение.

В настоящей работе представлены результаты испытаний промышленного образца центробежного нагнетателя с адаптивными лопастями, разработанного и изготовленного в РФ. Цель работы — оценить достижимые значения КПД и производительности в диапазоне 30–100 кПа, а также продемонстрировать эксплуатационные преимущества, связанные с открытой архитектурой привода и рабочего колеса.

Конструкция и принцип действия

Рис. 1

Нагнетатель (рис.1) содержит ротор с эластичными лопастями, закреплёнными только у основания, без опорного и разделительного дисков (рис. 2). Лопасти выполнены из композитного материала с отношением прочности к массе, превосходящим титан. При вращении ротора центробежная сила распрямляет лопасти, увеличивая эффективный диаметр; аэродинамическое сопротивление потока изгибает их, уменьшая диаметр. Равновесное положение определяется соотношением этих сил, которое зависит от частоты вращения и плотности газа на периферии рабочего колеса.

Рис. 2

Таким образом, эффективный диаметр рабочего колеса автоматически адаптируется к режиму работы: при увеличении противодавления лопасти отклоняются, предотвращая перегрузку привода; при снижении сопротивления — распрямляются, повышая напор. Принцип защищён патентными заявками РФ.

Корпус выполнен в виде архимедовой спирали. Входной патрубок — кольцевой, двухсторонний, симметричный, что полностью разгружает подшипники от осевых усилий. Привод осуществляется от асинхронного электродвигателя серии АИР через зубчато-ременную передачу HTD. Система смазки подшипников — циркуляционная, с масляной ванной и фильтром ВАЗ-2108.

Методом подобия на основе испытанного образца мощностью 45 кВт разработан типоразмерный ряд с приводами мощностью от 22 до 630 кВт при напряжении питающей сети 380/660 В.

Способ управления: постоянная подводимая мощность

Ключевой особенностью нагнетателя является способ управления, обеспечивающий работу при постоянной подводимой мощности. В эталонном режиме ток двигателя поддерживается равным номинальному — 82,1 А — независимо от гидравлического сопротивления выходного тракта.

Работает это следующим образом. При увеличении сопротивления (например, при закрытии заслонки) плотность газа на периферии рабочего колеса возрастает, сила сопротивления закручиваемого газа увеличивается, лопасти отклоняются, эффективный диаметр уменьшается. Момент сопротивления на валу снижается, что при неизменной частоте привело бы к падению потребляемой мощности. Блок управления ПЧ фиксирует это и повышает частоту вращения ротора; центробежная сила возрастает, лопасти распрямляются, эффективный диаметр восстанавливается, и подводимая мощность возвращается к заданному значению. В новом установившемся режиме частота вращения выше, а эффективный диаметр меньше, чем в исходном, — но ток остаётся равным 82,1 А.

При уменьшении сопротивления процесс идёт в обратную сторону: лопасти распрямляются, момент растёт, мощность имеет тенденцию к увеличению — блок управления ПЧ снижает частоту, лопасти отклоняются, ток возвращается к 82,1 А. Частота вращения при этом ниже, а эффективный диаметр больше.

Таким образом, во всём диапазоне нагрузок двигатель работает в номинальном режиме, что исключает перегрузки, стабилизирует тепловой режим и позволяет использовать стандартный преобразователь частоты без запаса по мощности. Зависимость давления от производительности при постоянной потребляемой мощности приведена на рис. 3.

Методика испытаний

Испытания проводились на испытательном стенде с дисковой заслонкой в выходном патрубке. Скорость потока измерялась анемометром CEM DT-618; давление — стрелочным механическим манометром класса точности 1,5; ток потребления контролировался по амперметру преобразователя частоты. Частота вращения задавалась преобразователем частоты. Температура воздуха на входе поддерживалась в пределах 22–26 °C.

Площадь проходного сечения выходного патрубка Ду150 составляет 0,01766 м². Производительность вычислялась как произведение измеренной скорости потока на площадь сечения.

Программа испытаний включала ступенчатое изменение гидравлического сопротивления выходного тракта от полностью открытого до полностью закрытого состояния с фиксацией установившихся значений тока, давления, скорости потока и частоты вращения.

Результаты

Основные результаты приведены в табл. 1. Ток двигателя во всех режимах поддерживался постоянным и равным 82,1 А; автоматически изменялась частота вращения ротора.

Таблица 1

Натурные характеристики нагнетателя ЦН COAXIS 45 кВт при постоянном токе 82,1 А

Примечание: производительность рассчитана по измеренной скорости потока и площади сечения Ду150 (0,01766 м²); частота вращения ротора определена по частоте питающей сети с учётом передаточного отношения 90:28.

Ток холостого хода (без рабочего колеса) составил 20,6 А. Стабильность тока 82,1 А при изменении нагрузки от 0 до 44 кПа подтверждает эффективность адаптивной системы и выбранного способа управления.

Зависимость давления и производительности при неизменной потребляемой мощности приведена на рис.3.

Рис. 3

Максимальное полное давление 44 кПа достигнуто при производительности 2540 м³/ч. В эталонной рабочей точке (3370 м³/ч, 40 кПа) полный КПД составил 77,9 %, что для центробежной машины в данном диапазоне давлений превосходит роторные воздуходувки (50–70 %) и сравнимо с винтовыми (70–85 %) [3].

Обсуждение

Энергетическая эффективность. Полезная мощность на сжатие воздуха в эталонной точке составляет 37,44 кВт. При общем КПД 77,9 % потребляемая из сети мощность равна 48,1 кВт, что при напряжении 380 В соответствует току 81,2 А — что совпадает с номинальным током двигателя 82,1 А с учётом погрешности измерений. Таким образом, в эталонной точке двигатель работает практически в номинальном режиме, и общий КПД установки может быть подтверждён прямыми замерами.

Ремонтопригодность. Существенным эксплуатационным преимуществом является открытая архитектура. Электродвигатель серии АИР, зубчатый ремень, шкивы, подшипниковые узлы и масляный фильтр ВАЗ-2108 — стандартные комплектующие, доступные на рынке. Замена лопастей не требует прецизионной регулировки зазоров и может выполняться персоналом средней квалификации. Это принципиально отличает ЦН COAXIS от высокоскоростных машин на постоянных магнитах, которые воспринимаются эксплуатирующим персоналом как «неремонтируемые» устройства, требующие заводского обслуживания.

Экономика. При тарифе 10 руб./кВт·ч и круглосуточной работе годовые затраты на электроэнергию составляют 4,21 млн руб.; стоимость 1 м³ воздуха — 0,143 руб. За 10 лет полная стоимость владения оценивается в 43,2 млн руб., что ниже, чем у винтовой (50,2 млн руб.), роторной (56,5 млн руб.), вихревой (63,0 млн руб.) и центробежной с жёсткими лопастями (49,1 млн руб.) машин при сопоставимой производительности. Расчёт выполнен при сопоставимых допущениях по стоимости оборудования и ТО.

Выводы

1. Промышленный образец центробежного нагнетателя с адаптивными лопастями мощностью 45 кВт подтвердил достижение полного КПД 77,9 % в эталонной точке 3370 м³/ч / 40 кПа.

2. Реализованный способ управления обеспечивает постоянный ток двигателя 82,1 А во всём диапазоне нагрузок; частота вращения ротора автоматически изменяется от 7775 до 9482 об/мин, предотвращая перегрузки при повышении противодавления.

3. Методом подобия разработан типоразмерный ряд до 630 кВт для пневмотранспорта, аспирации, аэрации и вакуумных систем.

4. Открытая архитектура привода и рабочего колеса обеспечивает ремонтопригодность на уровне, недостижимом для высокоскоростных машин на постоянных магнитах.

5. Экономия электроэнергии за 10 лет по сравнению с роторной воздуходувкой оценивается в 13,3 млн руб. при сопоставимых условиях эксплуатации.

Литература:

1. Кузнецов Ю. В., Никифоров А. Г. Насосы, вентиляторы, компрессоры: учебное пособие. — СПб.: Лань, 2024. — 304 с.

2. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 416 с.

3. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б. Центробежные компрессоры. — Л.: Машиностроение, 1982. — 271 с.

4. Atlas Copco. Сравнение воздуходувок: винтовая воздуходувка и воздуходувка Рутса.

5. Дашкевич Е. Д., Цуканов Е. А. Современные системы «жизнеобеспечения» сооружений биологической очистки воды // Перспектива XXI. — ЗАО НПФ «БИФАР».

6. Заявка на изобретение РФ № 2025128899 «Способ центробежного нагнетания газов и рабочее колесо для его осуществления»