逆流冷却技术在罗茨鼓风机中的应用

逆流冷却技术在罗茨鼓风机中的应用 
 
一、前言
　　罗茨鼓风机是一种容积式压缩机械，其内部不对气体产生压缩，依靠系统的高压气体瞬时回流产生升压。因此，它具有强制排气的特性，加之输送的介质不受油污染，结构简单，维护方便，广泛应用于国民经济各部门。　　罗茨鼓风机的工作原理决定了本身具有较高的排气温度，且随排气压力的升高而升高。过高的排气温度会加大叶轮和机壳的热膨胀，缩小叶轮与叶轮、叶轮与机壳、叶轮与前后墙板的工作间隙，影响罗茨鼓风机的安全运行。另外，通过传热将使润滑油、轴承和齿轮温度上升，降低罗茨鼓风机运行的可靠性。因此，罗茨鼓风机的升压往往受到排气温度的限制。采用逆流冷却技术可有效降低罗茨鼓风机的排气温度，提高排气压力(在强度、刚度允许范围内)，扩大单级罗茨鼓风机的应用范围。同时，也可降低罗茨鼓风机的噪声。
二、理论分析
　　逆流冷却是从罗茨鼓风机排出的高温度压气体中引出部分气体，经过冷却器冷却后，通过机壳的回流槽进入由机壳、叶轮、前后墙板组成的封闭腔，使该腔内的气体压力瞬时达到或接近排气压力，避免气腔与出口系统接通时高温高压气体瞬时回流产生冲击，从而降低罗茨鼓风机排气温度和脉动噪声。其原理如图1所示。
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图1　逆流冷却罗茨鼓风机工作原理图
　　在位置(a)，进口状态(压力po、温度To、质量流量mo)下的气体随罗茨鼓风机运转进入风机吸气腔，其压力下降至ps，由于吸、排气腔存在一定的压差，极少量高温气体(温度Td、质量流量md)泄漏至吸气腔，与其相混合。　　在位置(b)，吸气过程完成，其温度上升至Ts，此时的气体状态参数为：压力ps、温度Ts、质量流量 mo+md。　　在位置(c)，吸气腔与逆流通道(机壳回流槽)，接通，冷却后的高压气体(压力pd、温度Tr、质量流量mr)通过机壳回流槽，使该封闭腔内的气体压力上升至pd(或接近pd)温度上升至Td。此时的气体状态参数：压力pd、温度Td、质量流量mo+md+mr。　　在位置(d)，闭腔与排气腔接通，气体随罗茨鼓风机运转被推至排气口，进入输送系统。　　罗茨鼓风机采用逆流冷却技术的主要目的是降低排气温度，提高排气压力。
    其排气温度计算公式推导如下：
　　假设罗茨鼓风机运转过程存在下述条件：
　　(1)风机与外界无热交换；
　　(2)气体回流瞬时完成。
　　其过程状态方程为：
　　PoVt=mtRTo
 　 (1)CpmoTo+CpmdTd=Cp(mo+md)Ts
 　　(2)PsVt=(mo+md)RTs
 　　(3)Cv(mo+md)Td+CpmrTr=Cv(mo+md+mr)Ts
 　　(4)PdVt=(mo+md+mr)RTd
 　　(5)ηv=mo/mt
 　　(6)式中　ηv——容积效率mt——理论质量流量　　由(1)～(6)可导出风机理论排气温度公式为：　　Td=(ηv+ε-1)kTo/〔kηv+(ε-1)To/Tr〕
 　　(7) 式中　ε=Pd/Po，k——绝热指数　　罗茨鼓风机无逆流冷却时理论排气温度公式为：　　Td′=(ε-1)(k-1)To/(kηv)+To
 　　(8) 以我厂的RD—125风机为例，设其转速为1750r/min，进口状态为标准吸气状态，气体逆流冷却后的温度为40℃，进行理论排气温度比较(见图2)，可得出在相同升压下采用逆流冷却技术时的理论排气温度(曲线Ⅰ)比无逆流冷却时的理论排气温度(曲线Ⅱ)要低，升压越高越明显。
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图2　升压与理论温度曲线图
三、设计要点
　　当罗茨鼓风机升压受到排气温度限制，而强度、刚度及轴承寿命又允许其升压进一步提高时，即可采用逆流冷却技术降低排气温度，提高升压。其设计步骤简要介绍如下。　　1.计算轴和叶轮的强度、刚度及轴承、齿轮寿命，确定其允许升压范围。　　2.设定逆流气体经冷却后的温度，根据公式(7)计算各升压点下的排气温度，再结合强度、刚度和轴承、齿轮寿命允许的升压，综合确定其最高升压。　　3.计算逆流气体