申请日2004.04.07
公开(公告)日2006.07.12
IPC分类号F01D17/14; C02F3/00
摘要
一种用于将相对较低气压的空气连续地输送到污水污泥处理装置中的污水曝气涡轮压缩机。所述压缩机具有外壳，安装在外壳内的叶轮轴上的叶轮(10)，以及具有联接到叶轮轴(9)上并且与叶轮轴同步旋转的输出轴的电马达。所述外壳限定出延伸到叶轮的轴向进气口(4)，从叶轮径向地向外延伸的扩散器通道(12)，以及从扩散器延伸到空气出口的蜗壳(13)。电马达是受换流器控制的可变速永磁马达并且扩散器是无叶片的。通过将系统设计成在小于1500毫巴的较低压力升的情况下输送最佳效率，叶轮速度在很宽的范围内都能达到较高的效率，以使压缩机能够在大范围的输送速度下输送大量的空气。
权利要求书
1.一种用于连续地向污水污泥处理装置中输送空气的污水曝气涡轮压 缩机，包括具有外壳的压缩机，安装在外壳内的叶轮轴上的叶轮， 以及具有联接到叶轮轴上并且与叶轮轴同步旋转的输出轴的电马 达，限定出延伸到叶轮的轴向进气口的外壳，从叶轮径向地向外延 伸的扩散器通道，以及从扩散器延伸到空气出口的蜗壳，其中电马 达是受换流器控制的可变速永磁马达，所述马达被设计以在最大和 最小的设计速度限制的范围内的速度下驱动压缩机，当马达以最大 的设计速度受到驱动时，压缩机是固定几何形状的压缩机，具有用 来输送进口和出口之间不高于1500毫巴的压力升的无叶片式扩散 器，并且当马达以小于最大的设计速度受到驱动时，压缩机被设计 成能够输送最大效率。
2.根据权利要求1所述的污水曝气涡轮压缩机，其中所述压缩机被设 计成能输送在850毫巴和1200毫巴之间的压力升，当马达以最小 的设计速度受到驱动时压力升为850毫巴，当马达以最大的设计速 度受到驱动时压力升为1200毫巴。
3.根据前述权利要求中任一项所述的污水曝气涡轮压缩机，其中所述 扩散器是轴向上具有一致宽度的环形通道。
4.根据权利要求1，2或3所述的污水曝气涡轮压缩机，其中所述换 流器受需氧量传感器控制，所述需氧量传感器布置用以监控污泥处 理装置中的污泥含氧量。
5.一种大体上结合附图如前面所述的污水曝气涡轮压缩机。
说明书
用于污水曝气的压缩机和永磁马达的组合装置
本发明涉及污水曝气，尤其是涉及一种包括离心空气压缩机的污 水曝气系统。
水处理设备会产生大量的污水污泥。有必要通过将压缩空气输送到 位于适当设计的曝气池中的淤泥中，从而连续地对污水污泥槽进行曝 气。目前使用三种不同类型的空气压缩机，即正位移鼓风机、单级或 多级离心辐流式风扇、以及混流涡轮压缩机。
正位移鼓风机的效率大约是60%，多级离心风扇的效率范围在60- 70%之间，在高压条件下效率更低，但是涡轮压缩机具有超过80%的效 率，当在最高效率状态下工作时，那些状态通常被称为“负荷点(duty point)”。明显的是，在运行状况大体上保持恒定的环境中，涡轮压 缩机比备选方案具有更高的效率。
涡轮压缩机没有占据污水曝气市场归因于两个主要原因，首先同 备选方案相比基建费用较高，其次是在流速需要大范围变动的应用中 不能维持高效率。污水曝气装置的操作人员对基建费用以及长期运行 费用都很敏感，因此会监控处理设备中的需氧量并且如果需要降低需 氧量的话，减少空气供给量。这就意味着在许多应用中，压缩机必须 能够被减速差不多50%，也就是说输出在最大输出量的50%至100%之间 的任何值。
涡轮压缩机可被视为是属于两个通用设计类型，也就是说属于可 变几何形状和固定几何形状设计之一。在可变几何形状设计中，压缩 机内通路的几何形状随着压缩机的旋转是可变的，以便调整压缩机特 性从而匹配变化的状态，例如速度或者负荷。相比之下，固定几何形 状的设计在工作中不能进行几何形状的调节。考虑到随着涡轮叶轮的 速度远离正常负荷点的速度，用于污水曝气的常规涡轮压缩机的效率 会快速地下降，用于使涡轮压缩机降速的方法通常取决于使用位于叶 轮上游的可调进气导流叶片。恒速感应马达驱动器通过固定比率齿轮 箱与涡轮压缩机相联接，使得涡轮压缩机以比马达转速高的恒速进行 旋转。
即使涡轮压缩机的设计很复杂，例如包括可调进气口和扩散器叶 片，但是在由感应马达驱动的典型齿轮传动涡轮压缩机组件中，马达 产生大约7%的能量损耗，齿轮箱产生5%的能量损耗，系统轴承产生2% 的能量损耗以及涡轮压缩机本身产生19%的能量损耗。特别是可调叶片 涡轮压缩机的较高的基建费用，以及涡轮压缩机传动列的低效率，这 两点综合起来促使污水曝气工业一直沿用相对低效率的正位移和多级 的辐流式离心风扇。
已公知一种涡轮压缩机，其由传统的六倍于同步转速运行的感应 马达驱动，所述马达被直接联接到涡轮压缩机上，从而省略了齿轮箱。 马达由换流器控制，由此通过控制由换流器提供给马达的交流功率的 频率实现调节。这种布置是有利的，这是因为可以避免齿轮箱的功率 损耗，但是以增加换流器/马达联合装置中的功率损耗为代价。然而这 些损耗是相当大的，并且从而不能容易地节约较大的功率。
在感应马达中，交流电被用于给一个构件(通常是定子)上的一 次绕组通以电流。另一个构件(通常是转子)上的二次绕组仅传导由 一次绕组的磁场感生的电流。相比之下，在永磁马达中，直流电源通 过换流器的功率电子开关向定子绕组供电。该转子支撑永磁体。切换 定子绕组开关，以便不时地由控制器确定进行传导，控制器通常响应 于输入信号，所述输入信号表示速度指令和转子位置的估算值或者测 定值。由永磁体产生的磁场和定子绕组产生的磁场之间的交互作用导 致转子旋转。已公知相对较高的效率可由永磁马达实现，但是通常这 些马达仅用于相对低的功率应用中。在一般地需要300kW的功率的污 水曝气应用中，没有考虑过使用永磁马达。
本发明的一个目的在于提供一种污水曝气压缩机，其能够避免产 生或者减轻上述问题。
根据本发明，提供了一种用于连续地向污水污泥处理装置中输送 空气的污水曝气涡轮压缩机，包括具有外壳的压缩机，安装在外壳内 的叶轮轴上的叶轮，以及具有联接到叶轮轴上并且与叶轮轴同步旋转 的输出轴的电马达，限定出延伸到叶轮的轴向进气口的外壳，从叶轮 径向地向外延伸的扩散器通道，以及从扩散器延伸到空气出口的蜗壳， 其中电马达是受换流器控制的可变速永磁马达，所述马达被设计以在 最大和最小的设计速度限制的范围内的速度下驱动压缩机，当马达以 最大的设计速度受到驱动时，压缩机是固定几何形状的压缩机，具有 用来输送进口和出口之间不高于1500毫巴的压力升的无叶片式扩散 器，并且当马达以小于最大的设计速度受到驱动时，压缩机被设计成 能够输送最大效率。
通过限制负荷压力升小于1500毫巴，可以设计出一种很有效率的 叶轮，所述叶轮与无叶片式扩散器一起生成平坦的效率-流量曲线。 这种布置在很宽的马达转速范围内效率是很高的。
优选压力升范围在850至1200毫巴之间。最高效率可在1000到1050 毫巴的范围内。叶轮设计可以进行优选以适合特殊的应用。相似地， 考虑到扩散器的无叶片属性，蜗壳可以设计以优化效率。进气口中优 选不设置叶片，在至少一些可能的叶轮转速的范围内，再次避免了能 量损耗。扩散器通路可以是一种沿轴向宽度一致的简单的环形通路。
换流器可受到被联接其上的需氧量传感器的控制，以便监控污泥 处理装置中污泥的氧含量。
