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摘要：介紹了一種進氣溫度高達200℃的高溫用途羅茨鼓風(fēng)機，并著重闡述了機組的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、高溫氣體密封、降溫設(shè)計和選用的隔熱材料。通過對機組進行200℃高溫性能試驗，驗證了機組性能滿足工況要求。
關(guān)鍵錦工：羅茨鼓風(fēng)機；隔熱結(jié)構(gòu)；耐高溫材料；溫度梯度；高溫模擬試驗
中圖分類號：TH444 文獻標(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（真空泵）是用來輸送常溫氣體介質(zhì)的，其進氣溫度一般在40℃以下，排氣溫度隨排氣壓力的升高而上升，一般不超過140℃；普通用途的羅茨鼓風(fēng)機，軸承的運行溫度不高于95℃，潤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)機便能確保正常運行，達到使用要求。（注：高溫用途羅茨鼓風(fēng)機以下簡稱高溫風(fēng)機。）
隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，羅茨鼓風(fēng)機的市場應(yīng)用需求出現(xiàn)了很多變化，羅茨鼓風(fēng)機的高溫用途便是其中之一，且需求領(lǐng)域日益拓展擴增。目前來看，高溫羅茨鼓風(fēng)機的應(yīng)用主要有兩種情況：第一種情況是系統(tǒng)工藝要求，對所輸送的氣體在進入鼓風(fēng)機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其進行冷卻的高溫工業(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，如把高溫進口氣體冷卻到常溫輸送，需耗費大量的熱能和冷卻水，對鼓風(fēng)機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)機和送入高溫爐窯的富氧加壓風(fēng)機等。當(dāng)進口氣體介質(zhì)溫度高且工況風(fēng)壓要求亦高時，則普通用途羅茨鼓風(fēng)機便不能滿足使用要求，必須依據(jù)溫度場計算對風(fēng)機的材料、結(jié)構(gòu)等進行創(chuàng)新設(shè)計。于是，需要開發(fā)突破常規(guī)溫度極限的高溫用途羅茨鼓風(fēng)機。下面以錦工鼓風(fēng)機廠有限責(zé)任公司為某合成材料有限公司設(shè)計制造的一臺高溫風(fēng)機為例進行分析說明。
1 高溫羅茨鼓風(fēng)機主要設(shè)計要求
1.1 主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)
主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1。
表 1 主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)表
設(shè)計條件技術(shù)要求輸送氣體流量 / （ Nm3 /h ）2 800氣體常壓露點 / kPa90 ℃ , 泄漏后腐蝕進口氣體壓力 / kPa-6.6出口氣體壓力 / kPa25進口氣體溫度 / ℃200進口氣體相對分子量28.96運行條件連續(xù)運行氣體組份HCl 、 H2O 、 SiO2 、空氣
1.2 滿足設(shè)計條件的高溫風(fēng)機的主要技術(shù)參數(shù)
滿足設(shè)計條件的高溫風(fēng)機的主要技術(shù)參數(shù)見表2。
表 2 滿足設(shè)計條件需研制的高溫風(fēng)機的主要技術(shù)參數(shù)表
型號ARE-250NE配套電機YBP280M-4-90 kW ， 380V進氣溫度/ ℃200排氣溫度/℃260流量/(Nm3/h )2 800壓力/kPa31.6傳動方式直聯(lián)軸功率/kW60
2 高溫羅茨鼓風(fēng)機設(shè)計技術(shù)要點
為了詳細論述高溫風(fēng)機的技術(shù)要點，附主機結(jié)構(gòu)示意圖1如下。
1. 機殼 ； 2. 轉(zhuǎn)子部； 3. 側(cè)板； 4. 隔板； 5. 墻板； 6. 機械密封部； 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)機結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和隔熱材料的選取
為降低高溫氣體對鼓風(fēng)機潤滑傳動的影響，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮隔熱措施。在風(fēng)機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，有效地降低機腔向兩端的熱傳遞。同時，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械傳動部位的熱傳導(dǎo)。
2.2 高溫氣體的密封
高溫氣體的密封采用雙端面機械密封，不但密封性好，符合介質(zhì)對密封性能的要求，而且循環(huán)流動的機封封液可以帶走部分通過隔板的導(dǎo)熱和自身產(chǎn)生的熱量，使風(fēng)機軸承、齒輪等需要低溫運行的傳動部位處于良好的工作狀態(tài)。對于密封材料除應(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，部分熱量會通過氣腔與轉(zhuǎn)子源源不斷地向機封、墻板、軸承、油箱及齒輪傳遞。為了保證風(fēng)機可靠運轉(zhuǎn)，鼓風(fēng)機兩側(cè)的墻板由常規(guī)的封閉式結(jié)構(gòu)改為開放式結(jié)構(gòu)，依靠空氣對流進一步降低墻板溫度和軸溫。主、副油箱采用加強型水冷夾套結(jié)構(gòu)，充分換熱，以降低潤滑油的溫度。
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)機零部件的配合尺寸應(yīng)考慮溫度的影響。風(fēng)機的機殼間隙、葉輪間隙、墻板間隙及齒輪游隙等在羅茨鼓風(fēng)機的設(shè)計制造中為重要設(shè)計點，羅茨鼓風(fēng)機高溫用途時與常溫用途比較，零部件的溫度場區(qū)別較大，對各部間隙設(shè)計的影響也較大。
3 高溫羅茨鼓風(fēng)機相關(guān)的設(shè)計計算
根據(jù)高溫羅茨的結(jié)構(gòu)特點，需對高溫鼓風(fēng)機關(guān)鍵零件進行溫度梯度計算、強度校核及對間隙進行計算，才能確保羅茨鼓風(fēng)機在高溫用途時使用安全可靠。
3.1 溫度梯度的計算
根據(jù)熱平衡原理，簡化熱傳遞模型。高溫風(fēng)機在穩(wěn)定狀態(tài)下，按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，溫度從機腔―側(cè)板墊―隔板―隔板墊―墻板―潤滑油，形成不同的溫度梯度，見圖2。
根據(jù)熱傳遞理論，機腔―側(cè)板墊的傳熱為強迫對流換熱，墻板―潤滑油的傳熱為自然對流換熱，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)機的結(jié)構(gòu)尺寸進行計算得到，λ1～λ4是物性，可以依次查出。又已知機腔內(nèi)的溫度Tf1=(200+260)/2=230℃，潤滑油的溫度Tf2按照90℃設(shè)計，并假設(shè)與潤滑油接觸的壁面溫度TW5為某一數(shù)據(jù)TW5*。根據(jù)強迫對流換熱，計算出α1，并根據(jù)自然對流換熱，計算出α2，可依次計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），從而可依次計算出各壁面溫度TW1～TW5。經(jīng)過循環(huán)復(fù)核，直至TW5=TW5*。
3.2 高溫羅茨風(fēng)機的轉(zhuǎn)子強度、軸承壽命和間隙計算
根據(jù)材料力學(xué)基礎(chǔ)，對風(fēng)機轉(zhuǎn)子進行彎矩和扭矩強度校核，并對軸承的疲勞壽命進行核算，以保證風(fēng)機整體的使用壽命。
羅茨鼓風(fēng)機的兩個轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中必須留有一個微小的間隙，以保證正常運行。由于高溫風(fēng)機的溫度因素勢必造成機腔內(nèi)各部位零部件超常膨脹，各部位間隙的設(shè)計計算成了風(fēng)機正常運行的關(guān)鍵。根據(jù)各零部件的溫度，結(jié)合理論與試驗數(shù)據(jù)，比較準(zhǔn)確地計算轉(zhuǎn)子間隙、墻板間隙和機殼間隙，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)機的模擬試驗
4.1 高溫試驗裝置
羅茨鼓風(fēng)機高溫試驗裝置包括高溫羅茨鼓風(fēng)機、配套電機、變頻器、流量性能測試裝置、電加熱器、高溫回流管、電氣控制柜、測試管路閥門以及測試用儀器儀表等。
試驗時鼓風(fēng)機進口高溫氣體由兩部分混合組成，一部分氣體為環(huán)境空氣通過電加熱器加熱后進入，另一部分為出口氣體通過閥門回流至電加熱器后與第一部分氣體混合后進入鼓風(fēng)機，鼓風(fēng)機進口設(shè)有溫度傳感器檢測進口氣體溫度，通過電控柜自動調(diào)節(jié)控制進口氣體溫度。通過回流閥門開度控制回流氣量調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機進口壓力。
4.2 高溫機械性能試驗
利用小型電加熱器輔以部分回流組合，同時采用變頻調(diào)節(jié)[15-16]風(fēng)機流量、壓力，進氣溫度模擬工況溫度200℃，通過鼓風(fēng)機逐步升溫的方式進行。試驗中，檢查風(fēng)機的振動、溫度、聲音及密封等機械運行情況、各部位溫度的變化情況，檢查溫度變化對風(fēng)機間隙的影響等。
4.3 高溫技術(shù)性能試驗
檢測各測試壓力下的零流量轉(zhuǎn)速，即鼓風(fēng)機打滑轉(zhuǎn)速，以消除采用常規(guī)鼓風(fēng)機流量測量裝置時高溫氣體對測試裝置的影響，而能夠比較準(zhǔn)確地計算出風(fēng)機在高溫工況條件下的鼓風(fēng)機流量[2,14] 。檢測各測試壓力下鼓風(fēng)機的軸功率等。
4.4 試驗驗證
主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表3。
表3 主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果表
項目實測值設(shè)計值標(biāo)準(zhǔn)偏差實際偏差結(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%合格振動值/(mm/s)≤ 6.4≤ 11.2//合格
主要部件溫度檢測結(jié)果見表4。
表4 主要部件溫度檢測結(jié)果表
項目T W1T W2T W3T W4T W5計算值192.5162.實測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，各實測數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。
從溫度梯度表（表4）中分析，也達到了設(shè)計要求。各實測數(shù)據(jù)均比設(shè)計數(shù)據(jù)略小，這是因為設(shè)計計算時，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)機高溫試驗情況來看，風(fēng)機運行穩(wěn)定，流量和壓力等技術(shù)性能參數(shù)滿足工況要求，主機溫度符合介質(zhì)的工藝要求，主要部件溫度梯度與設(shè)計相符，達到了比較理想的隔熱設(shè)計效果。
5 結(jié)論
1） 高溫羅茨鼓風(fēng)機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，同時進行了隔熱和降溫設(shè)計，并且進行了充分的溫度計算、強度校核、軸承壽命校核以及間隙校核，充分保證了該產(chǎn)品運行的安全可靠性，挑戰(zhàn)了羅茨領(lǐng)域進口溫度達200℃的溫度極限。
2） 經(jīng)濟有效地完成了羅茨鼓風(fēng)機組200℃的高溫模擬試驗，運行正常。流量和壓力等技術(shù)性能參數(shù)和機械性能較好地滿足工況和工藝要求。
3） 作為國內(nèi)首創(chuàng)的高溫羅茨鼓風(fēng)機，它的成功研制，將拓展羅茨鼓風(fēng)機新的用途，具有廣闊的市場應(yīng)用前景，并能為實現(xiàn)節(jié)能減排的循環(huán)經(jīng)濟作出貢獻。
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