機(jī)械磁力油封在大型離心引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

肖述兵 / 中鋁青海分公司第一電解廠

摘要：通過對引風(fēng)機(jī)常見軸承箱漏油原因的分析，提出了一種防止引風(fēng)機(jī)漏油的新機(jī)械磁力油封結(jié)構(gòu)。
Application of Mechanical Magnetic Oil Seal on Large Centrifugal Induced Draft Fan
Abstract: Trough analyzing the reason of oil leakage in bearing box of induced draft fan, a new kind of mechanical magnetic oil seal is put for ward to prevent oil leakage of induced draft fan.
1　引言

我分公司擁有鋁電解煙氣凈化鍋爐引風(fēng)機(jī) 12 臺(tái)，型號(hào) Y4-73-11 № 28D 、 功率 800kW 、 轉(zhuǎn)速 730r/min 、流量 Q ＝ 500000m3/h、全壓 3.842kPa、介質(zhì)密度 0.745kg/m3、最高環(huán)境工作溫度60℃、潤滑油為32#機(jī)械油（結(jié)構(gòu)見圖1）。 原軸承箱壓蓋和轉(zhuǎn)軸之間的密封結(jié)構(gòu)為盤根密封，密封性能較差。由于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較高，在離心力的作用下，軸承箱內(nèi)的潤滑油沿軸從端蓋甩出，漏油現(xiàn)象非常普遍。由此造成的軸承箱、聯(lián)軸器及周圍地面沾滿油污，給安全生產(chǎn)帶來隱患，同時(shí)還造成不必要的潤滑油浪費(fèi)，又嚴(yán)重污染了生產(chǎn)環(huán)境，影響文明生產(chǎn)和企業(yè)的達(dá)標(biāo)升級(jí)。如果操作員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還有可能因缺油造成引風(fēng)機(jī)損壞。因此，改進(jìn)原油封結(jié)構(gòu)，用使用壽命長的新型油封結(jié)構(gòu)取代原油封是非常必要的。

2　原密封結(jié)構(gòu)存在的問題

　　引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)油環(huán)下端浸入油池，把潤滑油攪起，使其沿壓蓋內(nèi)表面流下，直接滴到旋轉(zhuǎn)軸上。軸上積油很多，被旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)，油沿軸流動(dòng)，進(jìn)入盤根與軸之間的間隙。由于盤根在安裝時(shí)間隙和預(yù)緊力不易掌握，安裝時(shí)就有可能已經(jīng)造成盤根破損，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后盤根被磨損，使盤根與轉(zhuǎn)軸的間隙變大，因而潤滑油不斷沿軸向外甩出，即發(fā)生漏油（密封結(jié)構(gòu)見圖2）。經(jīng)分析可以得出，盤根結(jié)構(gòu)存在的主要問題是盤根材質(zhì)較差、安裝不易掌握，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后間隙又變大。起不到密封作用。
　 根據(jù)對 12 臺(tái)鍋爐引風(fēng)機(jī) 24 個(gè)軸承座的 48 個(gè)動(dòng)密封點(diǎn) 1 年內(nèi)的泄漏情況統(tǒng)計(jì)， 70 ％的使用壽命在 1 個(gè)月左右，維修強(qiáng)度非常之大。統(tǒng)計(jì)情況見表 1 。
　　　　　　　　 　　　表 1 鍋爐引風(fēng)機(jī)軸承座動(dòng)密封泄漏情況統(tǒng)計(jì)表

時(shí)間 t/d

t ＜ 10

10 ＜ t ＜ 30

30 ＜ t ＜ 180

180 ＜ t ＜ 365

合計(jì)

泄漏點(diǎn)數(shù)/個(gè)

14

19

12

3

48

所占比例/％

29

40

25

6

100

3 磁力油封的選用
3.1 磁力油封的結(jié)構(gòu)
　　機(jī)械磁力油封由兩部分組成（見圖3）：一部分為靜環(huán)，主要是一個(gè)由耐磨合金制成，遇熱穩(wěn)定、光滑的靜密封面，通過一個(gè)不銹鋼結(jié)合蓋固定于軸承箱端蓋上，結(jié)合蓋與端蓋之間采用密封膠或“ O ”型圈進(jìn)行密封；另一部分為內(nèi)含磁性元件的動(dòng)環(huán)，動(dòng)密封面是由排熱性與耐磨性極佳的含碳復(fù)合材料制成，并且采用浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，可長期在靜環(huán)的吸引下與之保持貼合，為達(dá)到與靜環(huán)長期吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用在高溫及高速環(huán)境下都不會(huì)消磁的永磁材料，而且為了滿足浮動(dòng)式設(shè)計(jì)的要求，動(dòng)環(huán)采用特殊的氟橡膠“ O ”型圈固定在軸上，“ O ”型圈與軸的摩擦力大于動(dòng)環(huán)之間磁力的剪切力。

　　整個(gè)機(jī)械磁力油封裝置在設(shè)計(jì)上均考慮到長壽命使用，設(shè)計(jì)上自身保護(hù)的特性與結(jié)構(gòu)均采用特殊材料，使其在惡劣環(huán)境下及反復(fù)變化時(shí)可保持耐用。機(jī)械磁力油封可在干態(tài)下或存在潤滑的工況下工作，在有水侵蝕的情況下也無所謂。適應(yīng)于立式或臥式、低速或高速、干摩擦或潤滑狀況下的減速機(jī)、齒輪箱、風(fēng)機(jī)、泵和電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。

3.2 磁力油封的選用
3.2.1 設(shè)備精度要求
徑向跳動(dòng)：最大 0.5mm
軸向躥動(dòng)：最大 0.35mm
垂直度：最大 0.05%× 軸徑（如：直徑 50mm 的軸，垂直度要求 0.025mm 。表座吸在軸上，表針指在靜環(huán)表面，軸旋轉(zhuǎn) 1 周的最大公差）
軸的公差：最大 ±0.04mm ，建議 ±0.025mm
軸粗糙度：最大 6.3 Ra ，建議 3.2 Ra
靜環(huán)安裝處公差： H6
3.2.2 適用條件
工作參數(shù)：溫度 160 ℃；壓力 0.33MPa ，線速度 60m/s ，一般規(guī)格 20 ～ 320mm 。

3.3 磁力油封的安裝步驟
(1) 在清潔表面上將動(dòng)靜環(huán)掰開，而非劃開，動(dòng)環(huán)先放回盒內(nèi)。
(2）在靜環(huán)外涂一層硅油，油脂不要與密封面接觸，且在端蓋后階面上均勻地抹一層密封膠。
(3)）用木棒或紫銅棒（不要損壞靜環(huán)面）將靜環(huán)壓入殼體，直到平整地靠在臺(tái)階面上，再將粘在摩擦面上的膠和雜質(zhì)擦干凈。
(4) 在動(dòng)環(huán)“ O ”型圈內(nèi)涂上潤滑油，將動(dòng)環(huán)套在軸上推進(jìn)，不要推到位。
(5) 將端蓋套軸上推進(jìn)，與動(dòng)、靜環(huán)接觸后，一起推到最終位置。
(6) 端蓋上緊后，使用附帶卡片作為一個(gè)工具將“ O ”型圈向內(nèi)推入，以防止其在安裝時(shí)變形。
注意：如果靜環(huán)與端蓋配合過松，可加壓板，整個(gè)安裝過程中務(wù)必使摩擦副之間保持清潔。安裝方式見圖 4。

3.4 應(yīng)用情況

　　經(jīng)過改造的油封在 1# 風(fēng)機(jī)上進(jìn)行試運(yùn)行后，又在 4# 、7# 上進(jìn)行了安裝。經(jīng)過1年多的運(yùn)行，軸承箱壓蓋密封處無任何泄漏，完全滿足了設(shè)計(jì)要求。此前，原密封結(jié)構(gòu)由于經(jīng)常發(fā)生泄漏，凈化崗位操作員的工作量很大，每天巡檢時(shí)都要對軸承座潤滑油進(jìn)行補(bǔ)充，而且還發(fā)生過一起因漏油造成的設(shè)備抱軸事故，導(dǎo)致電機(jī)燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)10萬元。由于漏油的普遍性也使現(xiàn)場衛(wèi)生一直難以解決，給設(shè)備現(xiàn)場管理帶來了難度。改造后，在換油周期內(nèi)潤滑油基本不需要補(bǔ)充，從而減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場狀況也明顯改觀，還為生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

　　機(jī)械磁力油封密封這種改進(jìn)方法，只需改造軸承壓蓋與靜環(huán)之間的配合尺寸，對原結(jié)構(gòu)改動(dòng)很小，該種密封結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，動(dòng)力消耗少。運(yùn)用磁力技術(shù)，采用機(jī)封理念全新設(shè)計(jì)的全浮動(dòng)密封面結(jié)構(gòu)，使動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面始終保持緊密接觸，即使在較大的軸跳動(dòng)下，亦可實(shí)現(xiàn)有效密封。此外，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，還將該油封成功地應(yīng)用到其它軸承座轉(zhuǎn)軸密封上，同樣也取得了滿意的效果。因此，機(jī)械磁力油封是未來解決轉(zhuǎn)軸密封的發(fā)展方向，有極大的推廣價(jià)

摘要： 利用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī) 參數(shù)化建模軟件” ，分別對內(nèi)周葉片角為 80 °、 83 °、 85 °、 87 °、 90 ° 5 種情況 下的 貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，并對內(nèi)流場和氣動(dòng) 噪聲 進(jìn)行數(shù)值模擬，研究 內(nèi)周葉片角變化 對貫流風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高風(fēng)機(jī)性能。

關(guān)鍵詞： 貫流風(fēng)機(jī)； 內(nèi)周葉片角 ； CFD

中圖分類號(hào)： TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

文章編號(hào)： 1006 - 8155 （ 2008 ） 01-0016-04

In fl uence of Internal Blade Angle on Cross- fl ow Fan Performance and Noise for Air -conditioning

Abstract: By the CFD software FL UENT 6.2 and the parameterized mode lin g program of cross- fl ow fan for air -conditioning, the entity mode lin g and grid division for cross- fl ow fan are carried out on the condition of different internal blade angles, such as 80 ° , 83 ° , 85 ° , 87 ° and 90 ° . Furthermore, the internal fl ow field and aeroacoustic noise are simulated, and the in fl uence on capacity and noise from the change of internal blade angle is investigated the result is that design parameter is optimized and fan performance is improved.

Key words: cross- fl ow fan; internal blade angle; CFD

0 引言

　　貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低，產(chǎn)生的氣流高速、平穩(wěn)，是分體式家用空調(diào)器中的重要部件。貫流風(fēng)機(jī)由多葉葉輪和蝸殼構(gòu)成，內(nèi)周 葉片角是一個(gè) 用來表征葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)也是貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)，其變化 對風(fēng)機(jī)綜合性能具有直接影響 [1] 。目前，業(yè)內(nèi)主要通過試驗(yàn)的方法對其影響進(jìn)行評(píng)估，而這必將 使得產(chǎn)品的研發(fā)費(fèi)用增加，周期延長，很不經(jīng)濟(jì) [2] 。 本文利用 商用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī) 參數(shù)化建模軟件” [3] ，對不同 內(nèi)周 葉片角情況下的 貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，并對內(nèi)流場和氣動(dòng)聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究內(nèi)周 葉片角變化 對貫流風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高風(fēng)機(jī)性能。

1 　研究對象

　　貫流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示。具體參數(shù)：葉輪外徑為97mm ，直徑比為0.811，外周葉片角為 26°，內(nèi)周葉片角為90°， 葉片數(shù)為35 ，每個(gè)葉片不但沿圓周變角分布，而且還沿軸向扭曲分布，在軸向上每毫米葉片沿圓周方向的扭曲角度為0.08°/mm ，葉輪轉(zhuǎn)速為1000r/min 。

2 計(jì)算方法

2.1 流場計(jì)算

　　采用大渦模擬輸運(yùn)方程 (LES) 計(jì)算貫流風(fēng)機(jī)的非穩(wěn)態(tài)流場，獲得可用于后續(xù)氣動(dòng)聲學(xué)計(jì)算中需要的壓力脈動(dòng)�？紤]到流道形狀的復(fù)雜性，全部選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。葉輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，動(dòng)靜區(qū)域間采用滑移網(wǎng)格。壓力—速度耦合采用 PISO 算法，壓力項(xiàng)離散格式采用 PRESTO! ，其余項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長設(shè)為 0.0002s ，葉輪旋轉(zhuǎn) 8~10 圈后，流動(dòng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。邊界條件采用壓力進(jìn)口和壓力出口，計(jì)算模型見圖2 。

2.2 氣動(dòng)噪聲計(jì)算

　　通過大渦模擬輸運(yùn)方程 (LES) 計(jì)算獲得非穩(wěn)態(tài)流場后，采用基于 Lighthill 聲學(xué)類比理論的 FW-H 方程來模擬氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播，并通過快速 Fourier 變換 (FFT) 計(jì)算獲得各種聲壓頻譜 [4-5] 。

　　

　　圖3 為渦度分布圖，由圖看出：在葉輪進(jìn)、出口，以及蝸舌處存在較大渦度。這表明旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止殼體之間相互干涉及對氣流周期性加速而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是小 馬赫數(shù)貫流風(fēng)機(jī) 噪聲的重要來源， 因此選取葉輪和蝸舌作為聲源曲面來計(jì)算 貫流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng) 噪聲。

3 　結(jié)果分析

　　在大部分對貫流風(fēng)機(jī)的研究中，內(nèi)周葉片角對貫流風(fēng)機(jī)性能的影響都沒有被考慮，原因是根據(jù)速度三角形，當(dāng)葉柵進(jìn)口安裝角為 90°時(shí)，氣流在理論上是完全無沖擊地兩次流經(jīng)葉柵，即無預(yù)旋。根據(jù)動(dòng)量方程，只有進(jìn)口和出口才是整個(gè)葉柵總能量傳遞的決定因素，在無預(yù)旋的徑向進(jìn)口的情況下，葉片角度的改變不會(huì)引起壓力的變化，然而，由于葉輪與氣體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)存在，速度場已經(jīng)發(fā)生變化。

　　利用 商用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī) 參數(shù)化建模軟件”， 對內(nèi)周葉片角分別為80°、83°、85°、87°、90°5 種情況下的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，并對內(nèi)流場和氣動(dòng)聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究內(nèi)周葉片角變化 對風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響 。

表 1 　不同內(nèi)周葉片角下的風(fēng)機(jī)流量

內(nèi)周葉片角 /( ° )

80

83

85

87

90

計(jì)算流量 /(m 3 /h)

446.99

441.70

462.86

476.08

468.15

　　表1 和圖4 給出了不同內(nèi)周葉片角下的風(fēng)機(jī)流量。從中看出，隨著內(nèi)周葉片角的減小，風(fēng)機(jī)流量增加，但隨著內(nèi)周葉片角的繼續(xù)減小，葉片對流體的做功能力減弱，從而使風(fēng)機(jī)流量減小。

　　圖5 為不同內(nèi)周葉片角下的風(fēng)機(jī)噪聲頻譜圖。從中看出， 5 種情況在基頻處的噪聲水平相差不大，都沒有明顯的波峰。但在二次諧波處，內(nèi)周葉片角為 80 °、 83 °和 85 °時(shí)均有明顯的尖峰，且峰值較高，內(nèi)周葉片角為80 °時(shí)的峰值相對較小，內(nèi)周葉片角為 87 °和 90 °時(shí)的峰值則更加不明顯，雖然存在，但相對影響較小。

　
　　圖6為不同內(nèi)周葉片角的貫流風(fēng)機(jī) A 聲級(jí)頻譜圖。從中看出，在基頻處，內(nèi)周葉片角為80°時(shí)風(fēng)機(jī) A 聲級(jí)最低，其它 4 種情況相差不大，內(nèi)周葉片角為 90 °時(shí)的 A 聲級(jí)偏高。在二次諧波處，內(nèi)周葉片角為90°的 A 聲級(jí)最低，隨著內(nèi)周葉片角減小，二次諧波處的 A 聲級(jí)逐漸增大，但增加的幅度不大。另外，二次諧波處的 A 聲級(jí)總體水平比基頻處高。

　　綜合考慮流量和噪聲，內(nèi)周葉片角為90 °時(shí)風(fēng)機(jī)性能相對最優(yōu)。

4 　結(jié)論

　　通過利用商用CFD軟件FL UENT6.2 和自行研發(fā)的“空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)化建模軟件”，對不同內(nèi)周葉片角下的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，并對內(nèi)流場和氣動(dòng)聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以獲得內(nèi)周葉片角變化對風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高風(fēng)機(jī)性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 游斌，區(qū)穎達(dá) . 影響橫流風(fēng)機(jī)性能的各幾何因素 [J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù)， 1997,(6): 22-25.

[2] 區(qū)穎達(dá)，吳克啟 . 橫流風(fēng)機(jī)特征參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及統(tǒng)計(jì)分析 [J]. 流體機(jī)械， 2000 , 18(12): 5-6.

[3] 張師帥，羅亮 . 空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)葉輪幾何建模的參數(shù)化 [J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù)， 2006 (5): 14-16.

[4] Young J Moon, Yong Cho, Hyun-Sik Nam, Computation of unsteady viscous fl ow and aeroacoustic noise of cross- fl ow fans. Computers- Fl uids, 2003 , Vol.32 (3):995- 1015 .

[5] Hayashi T, Kobayashi Y. Low-n

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