高溫羅茨鼓風機設計指標與各項參數(shù)

表 1 主要設計技術參數(shù)表

設計條件技術要求輸送氣體流量 / （ 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 滿足設計條件的高溫風機的主要技術參數(shù)
　　滿足設計條件的高溫風機的主要技術參數(shù)見表2。

1. 機殼 ； 2. 轉子部； 3. 側板； 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 高溫羅茨鼓風機結構示意圖

2.1 隔熱結構的設計和隔熱材料的選取
　　為降低高溫氣體對鼓風機潤滑傳動的影響，需在結構設計上考慮隔熱措施。在風機兩端的隔板上增加側板，并在側板與隔板之間增加隔熱層――導熱系數(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。這種隔熱結構和隔熱材料的選取，有利于減少氣體熱量向機械傳動部位的熱傳導。
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熱和自身產(chǎn)生的熱量，使風機軸承、齒輪等需要低溫運行的傳動部位處于良好的工作狀態(tài)。對于密封材料除應考慮介質適宜性，還要考慮高溫的適應性。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。為了保證風機可靠運轉，鼓風機兩側的墻板由常規(guī)的封閉式結構改為開放式結構，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構，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性。
2.5 零部件配合與葉輪各部間隙
　　鼓風機零部件的配合尺寸應考慮溫度的影響。風機的機殼間隙、葉輪間隙、墻板間隙及齒輪游隙等在羅茨鼓風機的設計制造中為重要設計點，羅茨鼓風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，對各部間隙設計的影響也較大。
3 高溫羅茨鼓風機相關的設計計算
　　根據(jù)高溫羅茨的結構特點，需對高溫鼓風機關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。高溫風機在穩(wěn)定狀態(tài)下，按一維穩(wěn)態(tài)導熱，溫度從機腔―側板墊―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。由此可列出一組換熱方程如下：
Q=α₁×A₁×（T_f1–T_W1）=K₁×（T_f1–T_W1）              （1）
Q=λ₁/δ₁×A₂×（T_W1 –T_W2）=K₂×（T_W1–T_W2）     （2）
Q=λ₂/δ₂×A₃×（T_W2 –T_W3）=K₃×（T_W2–T_W3）      （3）
Q=λ₃/δ₃×A₄×( T_W3 –T_W4 ) =K₄×( T_W3–T_W4)         （4）
Q=λ₄/δ₄×A₅×（T_W4 –T_W5）=K₅×（T _W4–T_W5）      （5）
Q=α₂×A₆×（T_W5–T_f2）=K₆×（T_W5–T_f2）                （6）
式中：A₁～A₆和δ₁～δ₆可以根據(jù)風機的結構尺寸進行計算得到，λ₁～λ₄是物性，可以依次查出。又已知機腔內(nèi)的溫度T_f1=(200+260)/2=230℃，潤滑油的溫度T_f2按照90℃設計，并假設與潤滑油接觸的壁面溫度T_W5為某一數(shù)據(jù)T_W5^*。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T_W1～T_W5。經(jīng)過循環(huán)復核，直至T_W5=T_W5^*。
3.2 高溫羅茨風機的轉子強度、軸承壽命和間隙計算
　　根據(jù)材料力學基礎，對風機轉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，以保證風機整體的使用壽命。
　　羅茨鼓風機的兩個轉子在運轉中必須留有一個微小的間隙，以保證正常運行。由于高溫風機的溫度因素勢必造成機腔內(nèi)各部位零部件超常膨脹，各部位間隙的設計計算成了風機正常運行的關鍵。根據(jù)各零部件的溫度，結合理論與試驗數(shù)據(jù)，比較準確地計算轉子間隙、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 高溫風機的模擬試驗
4.1 高溫試驗裝置 
　　羅茨鼓風機高溫試驗裝置包括高溫羅茨鼓風機、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機，鼓風機進口設有溫度傳感器檢測進口氣體溫度，通過電控柜自動調節(jié)控制進口氣體溫度。通過回流閥門開度控制回流氣量調節(jié)鼓風機進口壓力。
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，同時采用變頻調節(jié)^[15-16]風機流量、壓力，進氣溫度模擬工況溫度200℃，通過鼓風機逐步升溫的方式進行。試驗中，檢查風機的振動、溫度、聲音及密封等機械運行情況、各部位溫度的變化情況，檢查溫度變化對風機間隙的影響等。
4.3 高溫技術性能試驗
　　檢測各測試壓力下的零流量轉速，即鼓風機打滑轉速，以消除采用常規(guī)鼓風機流量測量裝置時高溫氣體對測試裝置的影響，而能夠比較準確地計算出風機在高溫工況條件下的鼓風機流量^[2,14] 。檢測各測試壓力下鼓風機的軸功率等。
4.4 試驗驗證
　　主要技術指標試驗結果見表3。

表3 主要技術指標試驗結果表

項目實測值設計值標準偏差實際偏差結論流量/( 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

　　從技術性能參數(shù)表（表3）中可見，各實測數(shù)據(jù)均在標準偏差范圍內(nèi)，符合設計要求。
　　從溫度梯度表（表4）中分析，也達到了設計要求。各實測數(shù)據(jù)均比設計數(shù)據(jù)略小，這是因為設計計算時，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，從羅茨鼓風機高溫試驗情況來看，風機運行穩(wěn)定，流量和壓力等技術性能參數(shù)滿足工況要求，主機溫度符合介質的工藝要求，主要部件溫度梯度與設計相符，達到了比較理想的隔熱設計效果。