高溫羅茨鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)與各項(xiàng)參數(shù)

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)見表2。

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×（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(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T_f1=(200+260)/2=230℃，潤(rùn)滑油的溫度T_f2按照90℃設(shè)計(jì)，并假設(shè)與潤(rùn)滑油接觸的壁面溫度T_W5為某一數(shù)據(jù)T_W5^*。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T_W1～T_W5。經(jīng)過循環(huán)復(fù)核，直至T_W5=T_W5^*。
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)境空氣通過電加熱器加熱后進(jìn)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(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，通過電控柜自動(dòng)調(diào)節(jié)控制進(jìn)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(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

　　從技術(shù)性能參數(shù)表（表3）中可見，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。