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高温罗茨鼓风机

高温罗茨鼓风机

摘要:介绍了一种进气温度高达200℃的高温用途罗茨鼓风机,并着重阐述了机组的隔热结构设计、高温气体密封、降温设计和选用的隔热材料。通过对机组进行200℃高温性能试验,验证了机组性能满足工况要求。
关键词:罗茨鼓风机;隔热结构;耐高温材料;温度梯度;高温模拟试验
中图分类号:TH444 文献标志码: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,罗茨鼓风机(真空泵)是用来输送常温气体介质的,其进气温度一般在40℃以下,排气温度随排气压力的升高而上升,一般不超过140℃;普通用途的罗茨鼓风机,轴承的运行温度不高于95℃,润滑油的使用温度不高于65℃。上述工况下,只需选用普通结构的常规罗茨鼓风机便能确保正常运行,达到使用要求。(注:高温用途罗茨鼓风机以下简称高温风机。)
  随着我国国民经济的持续快速发展,罗茨鼓风机的市场应用需求出现了很多变化,罗茨鼓风机的高温用途便是其中之一,且需求领域日益拓展扩增。目前来看,高温罗茨鼓风机的应用主要有两种情况:第一种情况是系统工艺要求,对所输送的气体在进入鼓风机前不能采取冷却措施,如硫磺回收装置中含硫气体的输送、高温水蒸气的压缩及某些不能对其进行冷却的高温工业气体的输送等;另一种情况是后续工艺系统需要高温气体,如把高温进口气体冷却到常温输送,需耗费大量的热能和冷却水,对鼓风机排出气体还需要重新升温,不利于资源节约,如电厂灰库气化风机和送入高温炉窑的富氧加压风机等。当进口气体介质温度高且工况风压要求亦高时,则普通用途罗茨鼓风机便不能满足使用要求,必须依据温度场计算对风机的材料、结构等进行创新设计。于是,需要开发突破常规温度极限的高温用途罗茨鼓风机。下面以长沙鼓风机厂有限责任公司为某合成材料有限公司设计制造的一台高温风机为例进行分析说明。
1 高温罗茨鼓风机主要设计要求
1.1 主要设计技术参数

  主要设计技术参数见表1。

表 1 主要设计技术参数表

设计条件技术要求输送气体流量 / ( Nm3 /h )2 800气体常压露点 / kPa90 ℃ , 泄漏后腐蚀进口气体压力 / kPa-6.6出口气体压力 / kPa25进口气体温度 / ℃200进口气体相对分子量28.96运行条件连续运行气体组份HCl 、 H2O 、 SiO2 、空气

1.2 满足设计条件的高温风机的主要技术参数
  满足设计条件的高温风机的主要技术参数见表2。

表 2 满足设计条件需研制的高温风机的主要技术参数表

型号ARE-250NE配套电机YBP280M-4-90 kW , 380V进气温度/ ℃200排气温度/℃260流量/(Nm3/h )2 800压力/kPa31.6传动方式直联轴功率/kW60

2 高温罗茨鼓风机设计技术要点
  为了详细论述高温风机的技术要点,附主机结构示意图1如下。

1. 机壳 ; 2. 转子部; 3. 侧板; 4. 隔板; 5. 墙板; 6. 机械密封部; 7. 轴承; 8. 轴承座; 9. 副油箱; 10. 骨架油封; 11. 骨架油封; 12. 油箱密封垫; 13.O 形圈; 14. 侧板密封垫; 15. 墙板密封垫; 16. 轴承; 17 齿轮部 ; 18. 齿轮箱 .

图 1 高温罗茨鼓风机结构示意图

2.1 隔热结构的设计和隔热材料的选取
  为降低高温气体对鼓风机润滑传动的影响,需在结构设计上考虑隔热措施。在风机两端的隔板上增加侧板,并在侧板与隔板之间增加隔热层――导热系数较低的隔热垫片,有效地降低机腔向两端的热传递。同时,在墙板与隔板之间也采用隔热垫片,降低隔板向墙板的热传递。这种隔热结构和隔热材料的选取,有利于减少气体热量向机械传动部位的热传导。
2.2 高温气体的密封
  高温气体的密封采用双端面机械密封,不但密封性好,符合介质对密封性能的要求,而且循环流动的机封封液可以带走部分通过隔板的导热和自身产生的热量,使风机轴承、齿轮等需要低温运行的传动部位处于良好的工作状态。对于密封材料除应考虑介质适宜性,还要考虑高温的适应性。该机封采用了耐腐蚀、耐高温的金属材料和全氟醚材料O形圈。
2.3 辅助降温措施
  理论上,即使再好的隔热材料也达不到绝热效果,热传递是必然存在的,在高温的影响下,部分热量会通过气腔与转子源源不断地向机封、墙板、轴承、油箱及齿轮传递。为了保证风机可靠运转,鼓风机两侧的墙板由常规的封闭式结构改为开放式结构,依靠空气对流进一步降低墙板温度和轴温。主、副油箱采用加强型水冷夹套结构,充分换热,以降低润滑油的温度。
2.4 高温材料及耐高温零部件的选择
  高温气体过流主要部件的材料采用高性能球墨铸铁,O形密封圈采用全氟醚材料,零部件的表面涂装采用耐高温涂料。其它零部件如油封、轴承及润滑油等的选择均考虑了温度适应性。
2.5 零部件配合与叶轮各部间隙
  鼓风机零部件的配合尺寸应考虑温度的影响。风机的机壳间隙、叶轮间隙、墙板间隙及齿轮游隙等在罗茨鼓风机的设计制造中为重要设计点,罗茨鼓风机高温用途时与常温用途比较,零部件的温度场区别较大,对各部间隙设计的影响也较大。
3 高温罗茨鼓风机相关的设计计算
  根据高温罗茨的结构特点,需对高温鼓风机关键零件进行温度梯度计算、强度校核及对间隙进行计算,才能确保罗茨鼓风机在高温用途时使用安全可靠。
3.1 温度梯度的计算
  根据热平衡原理,简化热传递模型。高温风机在稳定状态下,按一维稳态导热,温度从机腔―侧板垫―隔板―隔板垫―墙板―润滑油,形成不同的温度梯度,见图2。

  根据热传递理论,机腔―侧板垫的传热为强迫对流换热,墙板―润滑油的传热为自然对流换热,中间各壁面间均为固体热传导。由此可列出一组换热方程如下:
Q=α1×A1×(Tf1-TW1)=K1×(Tf1-TW1)              (1)
Q=λ11×A2×(TW1 -TW2)=K2×(TW1-TW2)     (2)
Q=λ22×A3×(TW2 -TW3)=K3×(TW2-TW3)      (3)
Q=λ33×A4×( TW3 -TW4 ) =K4×( TW3-TW4)         (4)
Q=λ44×A5×(TW4 -TW5)=K5×(T W4-TW5)      (5)
Q=α2×A6×(TW5-Tf2)=K6×(TW5-Tf2)                (6)
式中:A1~A6和δ1~δ6可以根据风机的结构尺寸进行计算得到,λ1~λ4是物性,可以依次查出。又已知机腔内的温度Tf1=(200+260)/2=230℃,润滑油的温度Tf2按照90℃设计,并假设与润滑油接触的壁面温度TW5为某一数据TW5*。根据强迫对流换热,计算出α1,并根据自然对流换热,计算出α2,可依次计算出各部位的换热系数K1~K6温度,解方程,求出换热量Q=(T1-T2)/(1/K1+1/K2+1/K3+1/K4+1/K5+1/K6),从而可依次计算出各壁面温度TW1~TW5。经过循环复核,直至TW5=TW5*
3.2 高温罗茨风机的转子强度、轴承寿命和间隙计算
  根据材料力学基础,对风机转子进行弯矩和扭矩强度校核,并对轴承的疲劳寿命进行核算,以保证风机整体的使用寿命。
  罗茨鼓风机的两个转子在运转中必须留有一个微小的间隙,以保证正常运行。由于高温风机的温度因素势必造成机腔内各部位零部件超常膨胀,各部位间隙的设计计算成了风机正常运行的关键。根据各零部件的温度,结合理论与试验数据,比较准确地计算转子间隙、墙板间隙和机壳间隙,既要保证各部位膨胀后不擦碰,又要保证流量这一基本性能参数的要求。
4 高温风机的模拟试验
4.1 高温试验装置 

  罗茨鼓风机高温试验装置包括高温罗茨鼓风机、配套电机、变频器、流量性能测试装置、电加热器、高温回流管、电气控制柜、测试管路阀门以及测试用仪器仪表等。
  试验时鼓风机进口高温气体由两部分混合组成,一部分气体为环境空气通过电加热器加热后进入,另一部分为出口气体通过阀门回流至电加热器后与第一部分气体混合后进入鼓风机,鼓风机进口设有温度传感器检测进口气体温度,通过电控柜自动调节控制进口气体温度。通过回流阀门开度控制回流气量调节鼓风机进口压力。
4.2 高温机械性能试验
  利用小型电加热器辅以部分回流组合,同时采用变频调节[15-16]风机流量、压力,进气温度模拟工况温度200℃,通过鼓风机逐步升温的方式进行。试验中,检查风机的振动、温度、声音及密封等机械运行情况、各部位温度的变化情况,检查温度变化对风机间隙的影响等。www.shandongkoro.cn
4.3 高温技术性能试验
  检测各测试压力下的零流量转速,即鼓风机打滑转速,以消除采用常规鼓风机流量测量装置时高温气体对测试装置的影响,而能够比较准确地计算出风机在高温工况条件下的鼓风机流量[2,14] 。检测各测试压力下鼓风机的轴功率等。
4.4 试验验证
  主要技术指标试验结果见表3。

表3 主要技术指标试验结果表

项目实测值设计值标准偏差实际偏差结论流量/( m3/h)2 6942 800≤ + 5%-3.8%合格压力/KPa31.631.6//合格轴功率/kW61.460Q +5%+2.3%合格振动值/(mm/s)≤ 6.4≤ 11.2//合格

  主要部件温度检测结果见表4。

表4 主要部件温度检测结果表

项目T W1T W2T W3T W4T W5计算值192.5162.5158129125实测值183152150118115差异比较略小略小略小略小略小

  从技术性能参数表(表3)中可见,各实测数据均在标准偏差范围内,符合设计要求。
  从温度梯度表(表4)中分析,也达到了设计要求。各实测数据均比设计数据略小,这是因为设计计算时,将隔板和墙板理想化为一维传热,向其它方向(如大气)的传热视为绝热。
  综上,从罗茨鼓风机高温试验情况来看,风机运行稳定,流量和压力等技术性能参数满足工况要求,主机温度符合介质的工艺要求,主要部件温度梯度与设计相符,达到了比较理想的隔热设计效果。
5 结论
  1) 高温罗茨鼓风机采取了新颖的隔热结构,采用了特殊的高温隔热材料和耐温材料,同时进行了隔热和降温设计,并且进行了充分的温度计算、强度校核、轴承寿命校核以及间隙校核,充分保证了该产品运行的安全可靠性,挑战了罗茨领域进口温度达200℃的温度极限。
  2) 经济有效地完成了罗茨鼓风机组200℃的高温模拟试验,运行正常。流量和压力等技术性能参数和机械性能较好地满足工况和工艺要求。
  3) 作为国内首创的高温罗茨鼓风机,它的成功研制,将拓展罗茨鼓风机新的用途,具有广阔的市场应用前景,并能为实现节能减排的循环经济作出贡献。


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