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车间负压风机机械磁力油封在大型离心引风机上的应用内周叶片角对
机械磁力油封在大型离心引风机上的应用
肖述兵 / 中铝青海分公司第一电解厂
摘要：通过对引风机常见轴承箱漏油原因的分析，提出了一种防止引风机漏油的新机械磁力油封结构。
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
我分公司拥有铝电解烟气净化锅炉引风机 12 台，型号 Y4-73-11 № 28D 、 功率 800kW 、 转速 730r/min 、流量 Q ＝ 500000m3/h、全压 3.842kPa、介质密度 0.745kg/m3、最高环境工作温度60℃、润滑油为32#机械油（结构见图1）。 原轴承箱压盖和转轴之间的密封结构为盘根密封，密封性能较差。由于转轴转速较高，在离心力的作用下，轴承箱内的润滑油沿轴从端盖甩出，漏油现象非常普遍。由此造成的轴承箱、联轴器及周围地面沾满油污，给安全生产带来隐患，同时还造成不必要的润滑油浪费，又严重污染了生产环境，影响文明生产和企业的达标升级。如果操作员不能及时发现，还有可能因缺油造成引风机损坏。因此，改进原油封结构，用使用寿命长的新型油封结构取代原油封是非常必要的。
2 原密封结构存在的问题
引风机运行时油环下端浸入油池，把润滑油搅起，使其沿压盖内表面流下，直接滴到旋转轴上。轴上积油很多，被旋转轴带动，油沿轴流动，进入盘根与轴之间的间隙。由于盘根在安装时间隙和预紧力不易掌握，安装时就有可能已经造成盘根破损，运转一段时间后盘根被磨损，使盘根与转轴的间隙变大，因而润滑油不断沿轴向外甩出，即发生漏油（密封结构见图2）。经分析可以得出，盘根结构存在的主要问题是盘根材质较差、安装不易掌握，运转一段时间后间隙又变大。起不到密封作用。
根据对 12 台锅炉引风机 24 个轴承座的 48 个动密封点 1 年内的泄漏情况统计， 70 ％的使用寿命在 1 个月左右，维修强度非常之大。统计情况见表 1 。
表 1 锅炉引风机轴承座动密封泄漏情况统计表
时间 t/d
t ＜ 10
10 ＜ t ＜ 30
30 ＜ t ＜ 180
180 ＜ t ＜ 365
合计
泄漏点数/个
14
19
12
3
48
所占比例/％
29
40
25
6
100
3 磁力油封的选用
3.1 磁力油封的结构
机械磁力油封由两部分组成（见图3）：一部分为静环，主要是一个由耐磨合金制成，遇热稳定、光滑的静密封面，通过一个不锈钢结合盖固定于轴承箱端盖上，结合盖与端盖之间采用密封胶或“ O ”型圈进行密封；另一部分为内含磁性元件的动环，动密封面是由排热性与耐磨性极佳的含碳复合材料制成，并且采用浮动式设计，可长期在静环的吸引下与之保持贴合，为达到与静环长期吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用在高温及高速环境下都不会消磁的永磁材料，而且为了满足浮动式设计的要求，动环采用特殊的氟橡胶“ O ”型圈固定在轴上，“ O ”型圈与轴的摩擦力大于动环之间磁力的剪切力。
整个机械磁力油封装置在设计上均考虑到长寿命使用，设计上自身保护的特性与结构均采用特殊材料，使其在恶劣环境下及反复变化时可保持耐用。机械磁力油封可在干态下或存在润滑的工况下工作，在有水侵蚀的情况下也无所谓。适应于立式或卧式、低速或高速、干摩擦或润滑状况下的减速机、齿轮箱、风机、泵和电机等转动设备。
3.2 磁力油封的选用
3.2.1 设备精度要求
径向跳动：最大 0.5mm
轴向蹿动：最大 0.35mm
垂直度：最大 0.05%× 轴径（如：直径 50mm 的轴，垂直度要求 0.025mm 。表座吸在轴上，表针指在静环表面，轴旋转 1 周的最大公差）
轴的公差：最大 ±0.04mm ，建议 ±0.025mm
轴粗糙度：最大 6.3 Ra ，建议 3.2 Ra
静环安装处公差： H6
3.2.2 适用条件
工作参数：温度 160 ℃；压力 0.33MPa ，线速度 60m/s ，一般规格 20 ～ 320mm 。
3.3 磁力油封的安装步骤
(1) 在清洁表面上将动静环掰开，而非划开，动环先放回盒内。
(2）在静环外涂一层硅油，油脂不要与密封面接触，且在端盖后阶面上均匀地抹一层密封胶。
(3)）用木棒或紫铜棒（不要损坏静环面）将静环压入壳体，直到平整地靠在台阶面上，再将粘在摩擦面上的胶和杂质擦干净。
(4) 在动环“ O ”型圈内涂上润滑油，将动环套在轴上推进，不要推到位。
(5) 将端盖套轴上推进，与动、静环接触后，一起推到最终位置。
(6) 端盖上紧后，使用附带卡片作为一个工具将“ O ”型圈向内推入，以防止其在安装时变形。
注意：如果静环与端盖配合过松，可加压板，整个安装过程中务必使摩擦副之间保持清洁。安装方式见图 4。
3.4 应用情况
经过改造的油封在 1# 风机上进行试运行后，又在 4# 、7# 上进行了安装。经过1年多的运行，轴承箱压盖密封处无任何泄漏，完全满足了设计要求。此前，原密封结构由于经常发生泄漏，净化岗位操作员的工作量很大，每天巡检时都要对轴承座润滑油进行补充，而且还发生过一起因漏油造成的设备抱轴事故，导致电机烧毁，直接经济损失数10万元。由于漏油的普遍性也使现场卫生一直难以解决，给设备现场管理带来了难度。改造后，在换油周期内润滑油基本不需要补充，从而减轻了工人的劳动强度，现场状况也明显改观，还为生产平稳运行创造了有利条件。
4 结论
机械磁力油封密封这种改进方法，只需改造轴承压盖与静环之间的配合尺寸，对原结构改动很小，该种密封结构简单，安装方便，动力消耗少。运用磁力技术，采用机封理念全新设计的全浮动密封面结构，使动静环结合面始终保持紧密接触，即使在较大的轴跳动下，亦可实现有效密封。此外，通过调整结构参数，还将该油封成功地应用到其它轴承座转轴密封上，同样也取得了满意的效果。因此，机械磁力油封是未来解决转轴密封的发展方向，有极大的推广价
摘要： 利用 CFD 软件 FL UENT6.2 和 自行 研发的“空调用贯流风机 参数化建模软件” ，分别对内周叶片角为 80 °、 83 °、 85 °、 87 °、 90 ° 5 种情况 下的 贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动 噪声 进行数值模拟，研究 内周叶片角变化 对贯流风机流量和噪声的影响，优化设计参数，提高风机性能。
关键词： 贯流风机； 内周叶片角 ； CFD
中图分类号： TH43 文献标识码： B
文章编号： 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
贯流风机结构简单、体积小、噪声低，产生的气流高速、平稳，是分体式家用空调器中的重要部件。贯流风机由多叶叶轮和蜗壳构成，内周 叶片角是一个 用来表征叶轮的结构参数，同时也是贯流风机优化设计中需要考虑的重要参数，其变化 对风机综合性能具有直接影响 [1] 。目前，业内主要通过试验的方法对其影响进行评估，而这必将 使得产品的研发费用增加，周期延长，很不经济 [2] 。 本文利用 商用 CFD 软件 FL UENT6.2 和 自行 研发的“空调用贯流风机 参数化建模软件” [3] ，对不同 内周 叶片角情况下的 贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，研究内周 叶片角变化 对贯流风机流量和噪声的影响，优化设计参数，提高风机性能。
1 研究对象
贯流风机叶轮结构如图1 所示。具体参数：叶轮外径为97mm ，直径比为0.811，外周叶片角为 26°，内周叶片角为90°， 叶片数为35 ，每个叶片不但沿圆周变角分布，而且还沿轴向扭曲分布，在轴向上每毫米叶片沿圆周方向的扭曲角度为0.08°/mm ，叶轮转速为1000r/min 。
2 计算方法
2.1 流场计算
采用大涡模拟输运方程 (LES) 计算贯流风机的非稳态流场，获得可用于后续气动声学计算中需要的压力脉动。考虑到流道形状的复杂性，全部选用非结构化四面体网格。叶轮区域设为旋转区域，动静区域间采用滑移网格。压力—速度耦合采用 PISO 算法，压力项离散格式采用 PRESTO! ，其余项均采用二阶迎风格式。非稳态计算的时间步长设为 0.0002s ，叶轮旋转 8~10 圈后，流动达到准稳态。边界条件采用压力进口和压力出口，计算模型见图2 。
2.2 气动噪声计算
通过大涡模拟输运方程 (LES) 计算获得非稳态流场后，采用基于 Lighthill 声学类比理论的 FW-H 方程来模拟气动噪声的产生和传播，并通过快速 Fourier 变换 (FFT) 计算获得各种声压频谱 [4-5] 。
图3 为涡度分布图，由图看出：在叶轮进、出口，以及蜗舌处存在较大涡度。这表明旋转叶轮与静止壳体之间相互干涉及对气流周期性加速而产生的压力脉动是小 马赫数贯流风机 噪声的重要来源， 因此选取叶轮和蜗舌作为声源曲面来计算 贯流风机的气动 噪声。
3 结果分析
在大部分对贯流风机的研究中，内周叶片角对贯流风机性能的影响都没有被考虑，原因是根据速度三角形，当叶栅进口安装角为 90°时，气流在理论上是完全无冲击地两次流经叶栅，即无预旋。根据动量方程，只有进口和出口才是整个叶栅总能量传递的决定因素，在无预旋的径向进口的情况下，叶片角度的改变不会引起压力的变化，然而，由于叶轮与气体的旋转效应存在，速度场已经发生变化。
利用 商用 CFD 软件 FL UENT6.2 和 自行 研发的“空调用贯流风机 参数化建模软件”， 对内周叶片角分别为80°、83°、85°、87°、90°5 种情况下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，研究内周叶片角变化 对风机流量和噪声的影响 。
表 1 不同内周叶片角下的风机流量
内周叶片角 /( ° )
80
83
85
87
90
计算流量 /(m 3 /h)
446.99
441.70
462.86
476.08
468.15
表1 和图4 给出了不同内周叶片角下的风机流量。从中看出，随着内周叶片角的减小，风机流量增加，但随着内周叶片角的继续减小，叶片对流体的做功能力减弱，从而使风机流量减小。
图5 为不同内周叶片角下的风机噪声频谱图。从中看出， 5 种情况在基频处的噪声水平相差不大，都没有明显的波峰。但在二次谐波处，内周叶片角为 80 °、 83 °和 85 °时均有明显的尖峰，且峰值较高，内周叶片角为80 °时的峰值相对较小，内周叶片角为 87 °和 90 °时的峰值则更加不明显，虽然存在，但相对影响较小。
图6为不同内周叶片角的贯流风机 A 声级频谱图。从中看出，在基频处，内周叶片角为80°时风机 A 声级最低，其它 4 种情况相差不大，内周叶片角为 90 °时的 A 声级偏高。在二次谐波处，内周叶片角为90°的 A 声级最低，随着内周叶片角减小，二次谐波处的 A 声级逐渐增大，但增加的幅度不大。另外，二次谐波处的 A 声级总体水平比基频处高。
综合考虑流量和噪声，内周叶片角为90 °时风机性能相对最优。
4 结论
通过利用商用CFD软件FL UENT6.2 和自行研发的“空调用贯流风机参数化建模软件”，对不同内周叶片角下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，可以获得内周叶片角变化对风机流量和噪声的影响，有利于优化设计参数，提高风机性能。
参 考 文 献
[1] 游斌，区颖达 . 影响横流风机性能的各几何因素 [J]. 风机技术， 1997,(6): 22-25.
[2] 区颖达，吴克启 . 横流风机特征参数的实验研究及统计分析 [J]. 流体机械， 2000 , 18(12): 5-6.
[3] 张师帅，罗亮 . 空调用贯流风机叶轮几何建模的参数化 [J]. 风机技术， 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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