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廠房降溫機械磁力油封在大型離心引風機上的應用內周葉片角對空調
機械磁力油封在大型離心引風機上的應用
肖述兵 / 中鋁青海分公司第一電解廠
摘要：通過對引風機常見軸承箱漏油原因的分析，提出了一種防止引風機漏油的新機械磁力油封結構。
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機 12 臺，型號 Y4-73-11 № 28D 、 功率 800kW 、 轉速 730r/min 、流量 Q ＝ 500000m3/h、全壓 3.842kPa、介質密度 0.745kg/m3、最高環境工作溫度60℃、潤滑油為32#機械油（結構見圖1）。 原軸承箱壓蓋和轉軸之間的密封結構為盤根密封，密封性能較差。由于轉軸轉速較高，在離心力的作用下，軸承箱內的潤滑油沿軸從端蓋甩出，漏油現象非常普遍。由此造成的軸承箱、聯軸器及周圍地面沾滿油污，給安全生產帶來隱患，同時還造成不必要的潤滑油浪費，又嚴重污染了生產環境，影響文明生產和企業的達標升級。如果操作員不能及時發現，還有可能因缺油造成引風機損壞。因此，改進原油封結構，用使用壽命長的新型油封結構取代原油封是非常必要的。
2 原密封結構存在的問題
引風機運行時油環下端浸入油池，把潤滑油攪起，使其沿壓蓋內表面流下，直接滴到旋轉軸上。軸上積油很多，被旋轉軸帶動，油沿軸流動，進入盤根與軸之間的間隙。由于盤根在安裝時間隙和預緊力不易掌握，安裝時就有可能已經造成盤根破損，運轉一段時間后盤根被磨損，使盤根與轉軸的間隙變大，因而潤滑油不斷沿軸向外甩出，即發生漏油（密封結構見圖2）。經分析可以得出，盤根結構存在的主要問題是盤根材質較差、安裝不易掌握，運轉一段時間后間隙又變大。起不到密封作用。
根據對 12 臺鍋爐引風機 24 個軸承座的 48 個動密封點 1 年內的泄漏情況統計， 70 ％的使用壽命在 1 個月左右，維修強度非常之大。統計情況見表 1 。
表 1 鍋爐引風機軸承座動密封泄漏情況統計表
時間 t/d
t ＜ 10
10 ＜ t ＜ 30
30 ＜ t ＜ 180
180 ＜ t ＜ 365
合計
泄漏點數/個
14
19
12
3
48
所占比例/％
29
40
25
6
100
3 磁力油封的選用
3.1 磁力油封的結構
機械磁力油封由兩部分組成（見圖3）：一部分為靜環，主要是一個由耐磨合金制成，遇熱穩定、光滑的靜密封面，通過一個不銹鋼結合蓋固定于軸承箱端蓋上，結合蓋與端蓋之間采用密封膠或“ O ”型圈進行密封；另一部分為內含磁性元件的動環，動密封面是由排熱性與耐磨性極佳的含碳復合材料制成，并且采用浮動式設計，可長期在靜環的吸引下與之保持貼合，為達到與靜環長期吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用在高溫及高速環境下都不會消磁的永磁材料，而且為了滿足浮動式設計的要求，動環采用特殊的氟橡膠“ O ”型圈固定在軸上，“ O ”型圈與軸的摩擦力大于動環之間磁力的剪切力。
整個機械磁力油封裝置在設計上均考慮到長壽命使用，設計上自身保護的特性與結構均采用特殊材料，使其在惡劣環境下及反復變化時可保持耐用。機械磁力油封可在干態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。適應于立式或臥式、低速或高速、干摩擦或潤滑狀況下的減速機、齒輪箱、風機、泵和電機等轉動設備。
3.2 磁力油封的選用
3.2.1 設備精度要求
徑向跳動：最大 0.5mm
軸向躥動：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，表針指在靜環表面，軸旋轉 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
靜環安裝處公差： H6
3.2.2 適用條件
工作參數：溫度 160 ℃；壓力 0.33MPa ，線速度 60m/s ，一般規格 20 ～ 320mm 。
3.3 磁力油封的安裝步驟
(1) 在清潔表面上將動靜環掰開，而非劃開，動環先放回盒內。
(2）在靜環外涂一層硅油，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（不要損壞靜環面）將靜環壓入殼體，直到平整地靠在臺階面上，再將粘在摩擦面上的膠和雜質擦干凈。
(4) 在動環“ O ”型圈內涂上潤滑油，將動環套在軸上推進，不要推到位。
(5) 將端蓋套軸上推進，與動、靜環接觸后，一起推到最終位置。
(6) 端蓋上緊后，使用附帶卡片作為一個工具將“ O ”型圈向內推入，以防止其在安裝時變形。
注意：如果靜環與端蓋配合過松，可加壓板，整個安裝過程中務必使摩擦副之間保持清潔。安裝方式見圖 4。
3.4 應用情況
經過改造的油封在 1# 風機上進行試運行后，又在 4# 、7# 上進行了安裝。經過1年多的運行，軸承箱壓蓋密封處無任何泄漏，完全滿足了設計要求。此前，原密封結構由于經常發生泄漏，凈化崗位操作員的工作量很大，每天巡檢時都要對軸承座潤滑油進行補充，而且還發生過一起因漏油造成的設備抱軸事故，導致電機燒毀，直接經濟損失數10萬元。由于漏油的普遍性也使現場衛生一直難以解決，給設備現場管理帶來了難度。改造后，在換油周期內潤滑油基本不需要補充，從而減輕了工人的勞動強度，現場狀況也明顯改觀，還為生產平穩運行創造了有利條件。
4 結論
機械磁力油封密封這種改進方法，只需改造軸承壓蓋與靜環之間的配合尺寸，對原結構改動很小，該種密封結構簡單，安裝方便，動力消耗少。運用磁力技術，采用機封理念全新設計的全浮動密封面結構，使動靜環結合面始終保持緊密接觸，即使在較大的軸跳動下，亦可實現有效密封。此外，通過調整結構參數，還將該油封成功地應用到其它軸承座轉軸密封上，同樣也取得了滿意的效果。因此，機械磁力油封是未來解決轉軸密封的發展方向，有極大的推廣價
摘要： 利用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發的“空調用貫流風機 參數化建模軟件” ，分別對內周葉片角為 80 °、 83 °、 85 °、 87 °、 90 ° 5 種情況 下的 貫流風機進行實體建模和網格劃分，并對內流場和氣動 噪聲 進行數值模擬，研究 內周葉片角變化 對貫流風機流量和噪聲的影響，優化設計參數，提高風機性能。
關鍵詞： 貫流風機； 內周葉片角 ； CFD
中圖分類號： TH43 文獻標識碼： B
文章編號： 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
貫流風機結構簡單、體積小、噪聲低，產生的氣流高速、平穩，是分體式家用空調器中的重要部件。貫流風機由多葉葉輪和蝸殼構成，內周 葉片角是一個 用來表征葉輪的結構參數，同時也是貫流風機優化設計中需要考慮的重要參數，其變化 對風機綜合性能具有直接影響 [1] 。目前，業內主要通過試驗的方法對其影響進行評估，而這必將 使得產品的研發費用增加，周期延長，很不經濟 [2] 。 本文利用 商用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發的“空調用貫流風機 參數化建模軟件” [3] ，對不同 內周 葉片角情況下的 貫流風機進行實體建模和網格劃分，并對內流場和氣動聲場進行數值模擬，研究內周 葉片角變化 對貫流風機流量和噪聲的影響，優化設計參數，提高風機性能。
1 研究對象
貫流風機葉輪結構如圖1 所示。具體參數：葉輪外徑為97mm ，直徑比為0.811，外周葉片角為 26°，內周葉片角為90°， 葉片數為35 ，每個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 ，葉輪轉速為1000r/min 。
2 計算方法
2.1 流場計算
采用大渦模擬輸運方程 (LES) 計算貫流風機的非穩態流場，獲得可用于后續氣動聲學計算中需要的壓力脈動�？紤]到流道形狀的復雜性，全部選用非結構化四面體網格。葉輪區域設為旋轉區域，動靜區域間采用滑移網格。壓力—速度耦合采用 PISO 算法，壓力項離散格式采用 PRESTO! ，其余項均采用二階迎風格式。非穩態計算的時間步長設為 0.0002s ，葉輪旋轉 8~10 圈后，流動達到準穩態。邊界條件采用壓力進口和壓力出口，計算模型見圖2 。
2.2 氣動噪聲計算
通過大渦模擬輸運方程 (LES) 計算獲得非穩態流場后，采用基于 Lighthill 聲學類比理論的 FW-H 方程來模擬氣動噪聲的產生和傳播，并通過快速 Fourier 變換 (FFT) 計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、出口，以及蝸舌處存在較大渦度。這表明旋轉葉輪與靜止殼體之間相互干涉及對氣流周期性加速而產生的壓力脈動是小 馬赫數貫流風機 噪聲的重要來源， 因此選取葉輪和蝸舌作為聲源曲面來計算 貫流風機的氣動 噪聲。
3 結果分析
在大部分對貫流風機的研究中，內周葉片角對貫流風機性能的影響都沒有被考慮，原因是根據速度三角形，當葉柵進口安裝角為 90°時，氣流在理論上是完全無沖擊地兩次流經葉柵，即無預旋。根據動量方程，只有進口和出口才是整個葉柵總能量傳遞的決定因素，在無預旋的徑向進口的情況下，葉片角度的改變不會引起壓力的變化，然而，由于葉輪與氣體的旋轉效應存在，速度場已經發生變化。
利用 商用 CFD 軟件 FL UENT6.2 和 自行 研發的“空調用貫流風機 參數化建模軟件”， 對內周葉片角分別為80°、83°、85°、87°、90°5 種情況下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，并對內流場和氣動聲場進行數值模擬，研究內周葉片角變化 對風機流量和噪聲的影響 。
表 1 不同內周葉片角下的風機流量
內周葉片角 /( ° )
80
83
85
87
90
計算流量 /(m 3 /h)
446.99
441.70
462.86
476.08
468.15
表1 和圖4 給出了不同內周葉片角下的風機流量。從中看出，隨著內周葉片角的減小，風機流量增加，但隨著內周葉片角的繼續減小，葉片對流體的做功能力減弱，從而使風機流量減小。
圖5 為不同內周葉片角下的風機噪聲頻譜圖。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，內周葉片角為 80 °、 83 °和 85 °時均有明顯的尖峰，且峰值較高，內周葉片角為80 °時的峰值相對較小，內周葉片角為 87 °和 90 °時的峰值則更加不明顯，雖然存在，但相對影響較小。
圖6為不同內周葉片角的貫流風機 A 聲級頻譜圖。從中看出，在基頻處，內周葉片角為80°時風機 A 聲級最低，其它 4 種情況相差不大，內周葉片角為 90 °時的 A 聲級偏高。在二次諧波處，內周葉片角為90°的 A 聲級最低，隨著內周葉片角減小，二次諧波處的 A 聲級逐漸增大，但增加的幅度不大。另外，二次諧波處的 A 聲級總體水平比基頻處高。
綜合考慮流量和噪聲，內周葉片角為90 °時風機性能相對最優。
4 結論
通過利用商用CFD軟件FL UENT6.2 和自行研發的“空調用貫流風機參數化建模軟件”，對不同內周葉片角下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，并對內流場和氣動聲場進行數值模擬，可以獲得內周葉片角變化對風機流量和噪聲的影響，有利于優化設計參數，提高風機性能。
參 考 文 獻
[1] 游斌，區穎達 . 影響橫流風機性能的各幾何因素 [J]. 風機技術， 1997,(6): 22-25.
[2] 區穎達，吳克啟 . 橫流風機特征參數的實驗研究及統計分析 [J]. 流體機械， 2000 , 18(12): 5-6.
[3] 張師帥，羅亮 . 空調用貫流風機葉輪幾何建模的參數化 [J]. 風機技術， 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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