羅茨鼓風機磁性液體密封的研究

2015-08-25 蔡玉強北京交通大學機械電子與控制工程學院

　　在醇制油行業(yè)，由于輸送的介質(zhì)有毒，而羅茨鼓風機原有的迷宮密封不能實現(xiàn)零泄漏，作者對鼓風機的密封結構進行了改進，用磁性液體密封替換原有的迷宮密封，設計了極靴、永磁鐵等密封零件，運用仿真軟件對密封件間隙處進行了靜態(tài)磁場的模擬分析；測量了實驗所用的磁性液體的磁化曲線，從而在理論上得出裝置的耐壓值是0.327 MPa。對該密封結構進行了靜密封實驗，得到其耐壓最大值是0.320 MPa。將密封件裝在實際生產(chǎn)線上的羅茨鼓風機上，實驗正在進行中。

　　羅茨鼓風機與齒輪泵的結構類似，是一種通過兩轉子的回轉來壓縮氣體的裝置。轉子部分的葉輪和軸是一體的，一般通過鍵配合或熱裝等安裝方式組裝在一起，其中轉子與轉子之間、轉子與機體之間都有微小的間隙，而葉輪和墻板之間的間隙一般為0.2 mm。兩轉子沿軸的中心線平行，通過電動機與羅茨鼓風機驅(qū)動端的皮帶輪或齒輪鏈聯(lián)接驅(qū)動，通過齒輪端的一對同步齒輪傳動，實現(xiàn)對兩葉輪做等速的反向的旋轉，兩葉輪擠壓的空間形成排氣端，與之對稱的另一區(qū)域就是吸氣端。鼓風機工作時從吸氣端吸進輸送介質(zhì)后，從排氣端排出，達到進排氣的目的。

　　密封是保證很多機械設備正常工作、運行可靠的關鍵設備。絕大多數(shù)鼓風機采用的密封方法為：用有迷宮槽的迷宮密封( 軸上套迷宮環(huán)) 或者是填料密封安裝在墻板軸孔和機殼之間，軸伸出端靠近油箱的部分采用骨架油封。迷宮密封的工作原理是：在通過不規(guī)則迷宮的間隙時使得被密封的介質(zhì)產(chǎn)生節(jié)流效應，將壓力轉化為熱能而達到阻漏和節(jié)流的目的，無法做到零泄漏。而在輸送特殊氣體，尤其是易燃、易爆氣體( 如醇制油中分離出的混合氣體) ，一旦發(fā)生泄漏，將造成火災、爆炸及人身傷亡等重大事故。

　　一步法甲醇轉化制汽油技術流程中，運用設備產(chǎn)品分離器將氣體、液態(tài)的烴和水一一分離出來，其中氣體( 大多為輕質(zhì)烴類、氫氣) 再返回返氣鼓風機。醇制油現(xiàn)場運行中的鼓風機的具體要求為:進口壓力達到9.1 × 10⁴ Pa( 表壓) ，升壓4.1 × 10⁴ Pa，即排出的氣體要達到1.3 × 10⁴ Pa( 表壓) ，電機轉速2000 r /min，溫度在35 ～75℃范圍內(nèi)，輸送的介質(zhì)要求零泄漏。在這種情況下使用原有的迷宮密封就不能滿足零泄漏的設計要求。

　　1、鼓風機上密封件的設計

　　如圖1，所表示的是羅茨鼓風機的原有結構，從圖中可看出所用的密封形式為迷宮密封，具體結構形式如圖2 所示。而在鼓風機輸送有毒有害氣體時不宜采用迷宮密封，因為有毒有害氣體的泄漏往往乎造成重大事故的發(fā)生，因此放棄原先的羅茨鼓風機上的密封結構，重新改進設計密封結構，以滿足其對被密封介質(zhì)零泄漏的要求。

鼓風機的結構示意圖

圖1 鼓風機的結構示意圖

羅茨鼓風機磁性液體密封的研究

圖2 原有迷宮密封結構

　　磁性液體密封具有的最有吸引力的特點是：摩擦小、零泄漏( 氦質(zhì)譜檢漏儀檢測泄漏量< 10 ^-12 Pa·m³/s) 、壽命長，因此磁性液體密封在航空、航天、船舶等領域被越來越多的人使用。所以決定對鼓風機原有的密封部位實施改進，其中端蓋的加工圖如圖3，對原有的驅(qū)動端端蓋和齒輪端端蓋進行修改加工，在修改加工后的驅(qū)端端蓋和齒端端蓋的凹槽處分別裝入磁性液體密封件兩件以達到羅茨鼓風機的工況要求。

羅茨鼓風機磁性液體密封的研究

圖3 端蓋加工圖

　　磁性液體密封結構如圖4 所示，將左極靴、第一磁鐵、中極靴、第二磁鐵和右極靴按次序安裝在一起組成磁性液體密封件，其中左、中極靴外徑的凹槽上裝O型密封圈，再將磁性液體密封組件裝入外殼內(nèi)，然后用螺紋壓蓋壓緊密封件，將磁性液體注入到磁鐵的內(nèi)環(huán)上，再將導磁軸套裝入上述組件的內(nèi)孔中，最后導磁軸套安裝在原有羅茨鼓風機的軸上，驅(qū)端墻板和齒端墻板上各有兩件磁性液體密封件，代替了羅茨鼓風機原有的迷宮密封部分。原有的驅(qū)動端沒有密封部分，改進后也裝有兩件磁性液體密封件，才能實現(xiàn)鼓風機內(nèi)的介質(zhì)只從出口段排出而不會在軸與端面原有的孔隙中泄漏，最終實現(xiàn)對原始鼓風機的磁性液體密封。四件密封件的結構相同，區(qū)別在于齒端的兩件密封件的外殼和螺紋壓蓋的軸向長度比驅(qū)動端的兩件長1 mm。其中靠近齒端墻板處的磁性液體密封件與滾動軸承之間設有骨架油封，防止齒輪油箱中的油與磁性液體接觸。

羅茨鼓風機磁性液體密封的研究