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摘要：介紹了一種進(jìn)氣溫度高達(dá)200℃的高溫用途羅茨鼓風(fēng)機(jī)，并著重闡述了機(jī)組的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高溫氣體密封、降溫設(shè)計(jì)和選用的隔熱材料。通過(guò)對(duì)機(jī)組進(jìn)行200℃高溫性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)組性能滿足工況要求。
關(guān)鍵錦工：羅茨鼓風(fēng)機(jī)；隔熱結(jié)構(gòu)；耐高溫材料；溫度梯度；高溫模擬試驗(yàn)
中圖分類號(hào)：TH444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Development of Roots Blower with High Temperature
Abstract: This paper introduced a type of roots blower with inlet temperature up to 200℃ for high temperature application. And this paper focused on heat insulation design, high-temperature gas seal, cooling design and selection of heat insulation material of the unit. The unit performance meeting the operating requirement was verified based on the 200℃ high temperature performance test for the unit.
Key words: roots blower; heat insulation structure; material of high temperature resistant; temperature gradient; high temperature simulation test
引言
通常，羅茨鼓風(fēng)機(jī)（真空泵）是用來(lái)輸送常溫氣體介質(zhì)的，其進(jìn)氣溫度一般在40℃以下，排氣溫度隨排氣壓力的升高而上升，一般不超過(guò)140℃；普通用途的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，軸承的運(yùn)行溫度不高于95℃，潤(rùn)滑油的使用溫度不高于65℃。上述工況下，只需選用普通結(jié)構(gòu)的常規(guī)羅茨鼓風(fēng)機(jī)便能確保正常運(yùn)行，達(dá)到使用要求。（注：高溫用途羅茨鼓風(fēng)機(jī)以下簡(jiǎn)稱高溫風(fēng)機(jī)。）
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用需求出現(xiàn)了很多變化，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的高溫用途便是其中之一，且需求領(lǐng)域日益拓展擴(kuò)增。目前來(lái)看，高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用主要有兩種情況：第一種情況是系統(tǒng)工藝要求，對(duì)所輸送的氣體在進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)前不能采取冷卻措施，如硫磺回收裝置中含硫氣體的輸送、高溫水蒸氣的壓縮及某些不能對(duì)其進(jìn)行冷卻的高溫工業(yè)氣體的輸送等；另一種情況是后續(xù)工藝系統(tǒng)需要高溫氣體，如把高溫進(jìn)口氣體冷卻到常溫輸送，需耗費(fèi)大量的熱能和冷卻水，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)排出氣體還需要重新升溫，不利于資源節(jié)約，如電廠灰?guī)鞖饣L(fēng)機(jī)和送入高溫爐窯的富氧加壓風(fēng)機(jī)等。當(dāng)進(jìn)口氣體介質(zhì)溫度高且工況風(fēng)壓要求亦高時(shí)，則普通用途羅茨鼓風(fēng)機(jī)便不能滿足使用要求，必須依據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算對(duì)風(fēng)機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。于是，需要開(kāi)發(fā)突破常規(guī)溫度極限的高溫用途羅茨鼓風(fēng)機(jī)。下面以錦工鼓風(fēng)機(jī)廠有限責(zé)任公司為某合成材料有限公司設(shè)計(jì)制造的一臺(tái)高溫風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。
1 高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)要求
1.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表 1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)表
設(shè)計(jì)條件技術(shù)要求輸送氣體流量 / （ Nm3 /h ）2 800氣體常壓露點(diǎn) / kPa90 ℃ , 泄漏后腐蝕進(jìn)口氣體壓力 / kPa-6.6出口氣體壓力 / kPa25進(jìn)口氣體溫度 / ℃200進(jìn)口氣體相對(duì)分子量28.96運(yùn)行條件連續(xù)運(yùn)行氣體組份HCl 、 H2O 、 SiO2 、空氣
1.2 滿足設(shè)計(jì)條件的高溫風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
滿足設(shè)計(jì)條件的高溫風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。
表 2 滿足設(shè)計(jì)條件需研制的高溫風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表
型號(hào)ARE-250NE配套電機(jī)YBP280M-4-90 kW ， 380V進(jìn)氣溫度/ ℃200排氣溫度/℃260流量/(Nm3/h )2 800壓力/kPa31.6傳動(dòng)方式直聯(lián)軸功率/kW60
2 高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)
為了詳細(xì)論述高溫風(fēng)機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)，附主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1如下。
1. 機(jī)殼 ； 2. 轉(zhuǎn)子部； 3. 側(cè)板； 4. 隔板； 5. 墻板； 6. 機(jī)械密封部； 7. 軸承； 8. 軸承座； 9. 副油箱； 10. 骨架油封； 11. 骨架油封； 12. 油箱密封墊； 13.O 形圈； 14. 側(cè)板密封墊； 15. 墻板密封墊； 16. 軸承； 17 . 齒輪部 ； 18. 齒輪箱 .
圖 1 高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和隔熱材料的選取
為降低高溫氣體對(duì)鼓風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑傳動(dòng)的影響，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮隔熱措施。在風(fēng)機(jī)兩端的隔板上增加側(cè)板，并在側(cè)板與隔板之間增加隔熱層――導(dǎo)熱系數(shù)較低的隔熱墊片，有效地降低機(jī)腔向兩端的熱傳遞。同時(shí)，在墻板與隔板之間也采用隔熱墊片，降低隔板向墻板的熱傳遞。這種隔熱結(jié)構(gòu)和隔熱材料的選取，有利于減少氣體熱量向機(jī)械傳動(dòng)部位的熱傳導(dǎo)。
2.2 高溫氣體的密封
高溫氣體的密封采用雙端面機(jī)械密封，不但密封性好，符合介質(zhì)對(duì)密封性能的要求，而且循環(huán)流動(dòng)的機(jī)封封液可以帶走部分通過(guò)隔板的導(dǎo)熱和自身產(chǎn)生的熱量，使風(fēng)機(jī)軸承、齒輪等需要低溫運(yùn)行的傳動(dòng)部位處于良好的工作狀態(tài)。對(duì)于密封材料除應(yīng)考慮介質(zhì)適宜性，還要考慮高溫的適應(yīng)性。該機(jī)封采用了耐腐蝕、耐高溫的金屬材料和全氟醚材料O形圈。
2.3 輔助降溫措施
理論上，即使再好的隔熱材料也達(dá)不到絕熱效果，熱傳遞是必然存在的，在高溫的影響下，部分熱量會(huì)通過(guò)氣腔與轉(zhuǎn)子源源不斷地向機(jī)封、墻板、軸承、油箱及齒輪傳遞。為了保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，鼓風(fēng)機(jī)兩側(cè)的墻板由常規(guī)的封閉式結(jié)構(gòu)改為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，依靠空氣對(duì)流進(jìn)一步降低墻板溫度和軸溫。主、副油箱采用加強(qiáng)型水冷夾套結(jié)構(gòu)，充分換熱，以降低潤(rùn)滑油的溫度。
2.4 高溫材料及耐高溫零部件的選擇
高溫氣體過(guò)流主要部件的材料采用高性能球墨鑄鐵，O形密封圈采用全氟醚材料，零部件的表面涂裝采用耐高溫涂料。其它零部件如油封、軸承及潤(rùn)滑油等的選擇均考慮了溫度適應(yīng)性。
2.5 零部件配合與葉輪各部間隙
鼓風(fēng)機(jī)零部件的配合尺寸應(yīng)考慮溫度的影響。風(fēng)機(jī)的機(jī)殼間隙、葉輪間隙、墻板間隙及齒輪游隙等在羅茨鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造中為重要設(shè)計(jì)點(diǎn)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)高溫用途時(shí)與常溫用途比較，零部件的溫度場(chǎng)區(qū)別較大，對(duì)各部間隙設(shè)計(jì)的影響也較大。
3 高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)高溫羅茨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需對(duì)高溫鼓風(fēng)機(jī)關(guān)鍵零件進(jìn)行溫度梯度計(jì)算、強(qiáng)度校核及對(duì)間隙進(jìn)行計(jì)算，才能確保羅茨鼓風(fēng)機(jī)在高溫用途時(shí)使用安全可靠。
3.1 溫度梯度的計(jì)算
根據(jù)熱平衡原理，簡(jiǎn)化熱傳遞模型。高溫風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下，按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，溫度從機(jī)腔―側(cè)板墊―隔板―隔板墊―墻板―潤(rùn)滑油，形成不同的溫度梯度，見(jiàn)圖2。
根據(jù)熱傳遞理論，機(jī)腔―側(cè)板墊的傳熱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱，墻板―潤(rùn)滑油的傳熱為自然對(duì)流換熱，中間各壁面間均為固體熱傳導(dǎo)。由此可列出一組換熱方程如下：
Q=α1×A1×（Tf1-TW1）=K1×（Tf1-TW1） （1）
Q=λ1/δ1×A2×（TW1 -TW2）=K2×（TW1-TW2） （2）
Q=λ2/δ2×A3×（TW2 -TW3）=K3×（TW2-TW3） （3）
Q=λ3/δ3×A4×( TW3 -TW4 )=K4×( TW3-TW4) （4）
Q=λ4/δ4×A5×（TW4 -TW5）=K5×（T W4-TW5） （5）
Q=α2×A6×（TW5-Tf2）=K6×（TW5-Tf2） （6）
式中：A1～A6和δ1～δ6可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算得到，λ1～λ4是物性，可以依次查出。又已知機(jī)腔內(nèi)的溫度Tf1=(200+260)/2=230℃，潤(rùn)滑油的溫度Tf2按照90℃設(shè)計(jì)，并假設(shè)與潤(rùn)滑油接觸的壁面溫度TW5為某一數(shù)據(jù)TW5*。根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流換熱，計(jì)算出α1，并根據(jù)自然對(duì)流換熱，計(jì)算出α2，可依次計(jì)算出各部位的換熱系數(shù)K1～K6溫度，解方程，求出換熱量Q=(T1-T2)/（1/K1+1/K2+1/K3+1/K4+1/K5+1/K6），從而可依次計(jì)算出各壁面溫度TW1～TW5。經(jīng)過(guò)循環(huán)復(fù)核，直至TW5=TW5*。
3.2 高溫羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、軸承壽命和間隙計(jì)算
根據(jù)材料力學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行彎矩和扭矩強(qiáng)度校核，并對(duì)軸承的疲勞壽命進(jìn)行核算，以保證風(fēng)機(jī)整體的使用壽命。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中必須留有一個(gè)微小的間隙，以保證正常運(yùn)行。由于高溫風(fēng)機(jī)的溫度因素勢(shì)必造成機(jī)腔內(nèi)各部位零部件超常膨脹，各部位間隙的設(shè)計(jì)計(jì)算成了風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)各零部件的溫度，結(jié)合理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較準(zhǔn)確地計(jì)算轉(zhuǎn)子間隙、墻板間隙和機(jī)殼間隙，既要保證各部位膨脹后不擦碰，又要保證流量這一基本性能參數(shù)的要求。
4 高溫風(fēng)機(jī)的模擬試驗(yàn)
4.1 高溫試驗(yàn)裝置
羅茨鼓風(fēng)機(jī)高溫試驗(yàn)裝置包括高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)、配套電機(jī)、變頻器、流量性能測(cè)試裝置、電加熱器、高溫回流管、電氣控制柜、測(cè)試管路閥門以及測(cè)試用儀器儀表等。
試驗(yàn)時(shí)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口高溫氣體由兩部分混合組成，一部分氣體為環(huán)境空氣通過(guò)電加熱器加熱后進(jìn)入，另一部分為出口氣體通過(guò)閥門回流至電加熱器后與第一部分氣體混合后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)有溫度傳感器檢測(cè)進(jìn)口氣體溫度，通過(guò)電控柜自動(dòng)調(diào)節(jié)控制進(jìn)口氣體溫度。通過(guò)回流閥門開(kāi)度控制回流氣量調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力。
4.2 高溫機(jī)械性能試驗(yàn)
利用小型電加熱器輔以部分回流組合，同時(shí)采用變頻調(diào)節(jié)[15-16]風(fēng)機(jī)流量、壓力，進(jìn)氣溫度模擬工況溫度200℃，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)逐步升溫的方式進(jìn)行。試驗(yàn)中，檢查風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、溫度、聲音及密封等機(jī)械運(yùn)行情況、各部位溫度的變化情況，檢查溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)間隙的影響等。
4.3 高溫技術(shù)性能試驗(yàn)
檢測(cè)各測(cè)試壓力下的零流量轉(zhuǎn)速，即鼓風(fēng)機(jī)打滑轉(zhuǎn)速，以消除采用常規(guī)鼓風(fēng)機(jī)流量測(cè)量裝置時(shí)高溫氣體對(duì)測(cè)試裝置的影響，而能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出風(fēng)機(jī)在高溫工況條件下的鼓風(fēng)機(jī)流量[2,14] 。檢測(cè)各測(cè)試壓力下鼓風(fēng)機(jī)的軸功率等。
4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證
主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果表
項(xiàng)目實(shí)測(cè)值設(shè)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)際偏差結(jié)論流量/( m3/h)2 6942 800≤ + 5%-3.8%合格壓力/KPa31.631.6//合格軸功率/kW61.460Q +5%+2.3%合格振動(dòng)值/(mm/s)≤ 6.4≤ 11.2//合格
主要部件溫度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 主要部件溫度檢測(cè)結(jié)果表
項(xiàng)目T W1T W2T W3T W4T W5計(jì)算值192.5162.實(shí)測(cè)值差異比較略小略小略小略小略小
從技術(shù)性能參數(shù)表（表3）中可見(jiàn)，各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
從溫度梯度表（表4）中分析，也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)略小，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將隔板和墻板理想化為一維傳熱，向其它方向（如大氣）的傳熱視為絕熱。
綜上，從羅茨鼓風(fēng)機(jī)高溫試驗(yàn)情況來(lái)看，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，流量和壓力等技術(shù)性能參數(shù)滿足工況要求，主機(jī)溫度符合介質(zhì)的工藝要求，主要部件溫度梯度與設(shè)計(jì)相符，達(dá)到了比較理想的隔熱設(shè)計(jì)效果。
5 結(jié)論
1） 高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)采取了新穎的隔熱結(jié)構(gòu)，采用了特殊的高溫隔熱材料和耐溫材料，同時(shí)進(jìn)行了隔熱和降溫設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了充分的溫度計(jì)算、強(qiáng)度校核、軸承壽命校核以及間隙校核，充分保證了該產(chǎn)品運(yùn)行的安全可靠性，挑戰(zhàn)了羅茨領(lǐng)域進(jìn)口溫度達(dá)200℃的溫度極限。
2） 經(jīng)濟(jì)有效地完成了羅茨鼓風(fēng)機(jī)組200℃的高溫模擬試驗(yàn)，運(yùn)行正常。流量和壓力等技術(shù)性能參數(shù)和機(jī)械性能較好地滿足工況和工藝要求。
3） 作為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)，它的成功研制，將拓展羅茨鼓風(fēng)機(jī)新的用途，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，并能為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的循環(huán)經(jīng)濟(jì)作出貢獻(xiàn)。
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