罗茨鼓风机磁性液体密封的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京交通大学机械电子与控制工程学院 作者:蔡玉强

  在醇制油行业,由于输送的介质有毒,而罗茨鼓风机原有的迷宫密封不能实现零泄漏,作者对鼓风机的密封结构进行了改进,用磁性液体密封替换原有的迷宫密封,设计了极靴、永磁铁等密封零件,运用仿真软件对密封件间隙处进行了静态磁场的模拟分析;测量了实验所用的磁性液体的磁化曲线,从而在理论上得出装置的耐压值是0.327 MPa。对该密封结构进行了静密封实验,得到其耐压最大值是0.320 MPa。将密封件装在实际生产线上的罗茨鼓风机上,实验正在进行中。

  罗茨鼓风机与齿轮泵的结构类似,是一种通过两转子的回转来压缩气体的装置。转子部分的叶轮和轴是一体的,一般通过键配合或热装等安装方式组装在一起,其中转子与转子之间、转子与机体之间都有微小的间隙,而叶轮和墙板之间的间隙一般为0.2 mm。两转子沿轴的中心线平行,通过电动机与罗茨鼓风机驱动端的皮带轮或齿轮链联接驱动,通过齿轮端的一对同步齿轮传动,实现对两叶轮做等速的反向的旋转,两叶轮挤压的空间形成排气端,与之对称的另一区域就是吸气端。鼓风机工作时从吸气端吸进输送介质后,从排气端排出,达到进排气的目的。

  密封是保证很多机械设备正常工作、运行可靠的关键设备。绝大多数鼓风机采用的密封方法为:用有迷宫槽的迷宫密封( 轴上套迷宫环) 或者是填料密封安装在墙板轴孔和机壳之间,轴伸出端靠近油箱的部分采用骨架油封。迷宫密封的工作原理是:在通过不规则迷宫的间隙时使得被密封的介质产生节流效应,将压力转化为热能而达到阻漏和节流的目的,无法做到零泄漏。而在输送特殊气体,尤其是易燃、易爆气体( 如醇制油中分离出的混合气体) ,一旦发生泄漏,将造成火灾、爆炸及人身伤亡等重大事故。

  一步法甲醇转化制汽油技术流程中,运用设备产品分离器将气体、液态的烃和水一一分离出来,其中气体( 大多为轻质烃类、氢气) 再返回返气鼓风机。醇制油现场运行中的鼓风机的具体要求为:进口压力达到9.1 × 104 Pa( 表压) ,升压4.1 × 104 Pa,即排出的气体要达到1.3 × 104 Pa( 表压) ,电机转速2000 r /min,温度在35 ~75℃范围内,输送的介质要求零泄漏。在这种情况下使用原有的迷宫密封就不能满足零泄漏的设计要求。

  1、鼓风机上密封件的设计

  如图1,所表示的是罗茨鼓风机的原有结构,从图中可看出所用的密封形式为迷宫密封,具体结构形式如图2 所示。而在鼓风机输送有毒有害气体时不宜采用迷宫密封,因为有毒有害气体的泄漏往往乎造成重大事故的发生,因此放弃原先的罗茨鼓风机上的密封结构,重新改进设计密封结构,以满足其对被密封介质零泄漏的要求。

鼓风机的结构示意图

图1 鼓风机的结构示意图

罗茨鼓风机磁性液体密封的研究

图2 原有迷宫密封结构

  磁性液体密封具有的最有吸引力的特点是:摩擦小、零泄漏( 氦质谱检漏仪检测泄漏量< 10 -12 Pa·m3/s) 、寿命长,因此磁性液体密封在航空、航天、船舶等领域被越来越多的人使用。所以决定对鼓风机原有的密封部位实施改进,其中端盖的加工图如图3,对原有的驱动端端盖和齿轮端端盖进行修改加工,在修改加工后的驱端端盖和齿端端盖的凹槽处分别装入磁性液体密封件两件以达到罗茨鼓风机的工况要求。

罗茨鼓风机磁性液体密封的研究

图3 端盖加工图

  磁性液体密封结构如图4 所示,将左极靴、第一磁铁、中极靴、第二磁铁和右极靴按次序安装在一起组成磁性液体密封件,其中左、中极靴外径的凹槽上装O型密封圈,再将磁性液体密封组件装入外壳内,然后用螺纹压盖压紧密封件,将磁性液体注入到磁铁的内环上,再将导磁轴套装入上述组件的内孔中,最后导磁轴套安装在原有罗茨鼓风机的轴上,驱端墙板和齿端墙板上各有两件磁性液体密封件,代替了罗茨鼓风机原有的迷宫密封部分。原有的驱动端没有密封部分,改进后也装有两件磁性液体密封件,才能实现鼓风机内的介质只从出口段排出而不会在轴与端面原有的孔隙中泄漏,最终实现对原始鼓风机的磁性液体密封。四件密封件的结构相同,区别在于齿端的两件密封件的外壳和螺纹压盖的轴向长度比驱动端的两件长1 mm。其中靠近齿端墙板处的磁性液体密封件与滚动轴承之间设有骨架油封,防止齿轮油箱中的油与磁性液体接触。

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图4 密封结构方案

  2、结论

  (1) 运用已有的磁性液体密封理论对醇制油用罗茨鼓风机的磁性液体密封进行设计分析,并进行了多次现场实验,其中实验时罗茨鼓风机的最大耐压值为0.320 MPa 与理论计算出的0.327 MPa 非常将近,理论与实验证明密封件的设计符合鼓风机的耐压要求。

  (2) 当罗茨鼓风机输运的是烃类气体时,磁性液体密封能够满足罗茨鼓风机耐压和工作温度条件的要求。

  (3) 通过磁性液体密封相关理论的分析和罗茨鼓风机现场试车的实验结果表明: 磁性液体密封可以在罗茨鼓风机上使用,其具体寿命有待实验进一步验证和观察。

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