application of countercurrent cooling technique on roots blower
abstract:theoretical analysis is carried out for application of countercurrent cooling technique used on roots blower.calculating formula of discharge temperature is derived design method of roots blower with countercurrent cooling is introduced.data of contrast-test is analyzed.
key words:roots blower air flow cooling application
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。
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。
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.计算逆流气体的流量和气体有效通流面积，并在机壳适当位置设计回流槽。
4.根据逆流气体的流量和设定的逆流气体经冷却后的温度及气体排气温度，设计逆流气体冷却器。
5.系统设计。将罗茨鼓风机、冷却器、消声器进行系统布置。
四、试验
近几年，我厂运用逆流冷却技术，先后基于普通机型开发了多种单级高压罗茨鼓风机，在相同进口状态条件下其压比(最高达2.7)远高于普通单级罗茨鼓风机。这不仅满足了市场需要，同时也拓宽了单级罗茨鼓风机的应用范围。为便于分析，在同一台单级罗茨鼓风机基础上，对采用逆流冷却技术和不采用逆流冷却技术(关闭气体逆流通道)的两种情况进行了对比试验。试验用罗茨鼓风机型号为rd—100ct，其转速为1480r/min，进口压力为101.32kpa，进气温度为27℃，有关试验数据如下。
1.排气温度(℃)
表1和图3，分别给出了接通气体逆流冷却通道和关闭气体逆流冷却通道两种试验情况，在各不同升压下的排气温度及排气温度随升压变化曲线。可以看出在相同升压下罗茨鼓风机接通气体逆流冷却通道比关闭气体逆流冷却通道的排气温度要低，接通气体逆流冷却通道时升压可达147.0kpa，其排气温度比关闭气体逆流冷却通道时升压为98.0kpa的排气温度还要低。
表1
| 升压值(kpa) | 58.8 | 68.6 | 78.4 | 88.2 | 98.0 | 107.8 | 117.6 | 127.4 | 137.2 | 147.0 | | 排气温度(℃) | ⅰ | 80 | 85 | 88.0 | 95.0 | 103 | 109 | 115 | 121 | 126 | 131 | | ⅱ | 83 | 95 | 108 | 122 | 135 |
注：ⅰ表示接通逆流冷却通道；ⅱ表示关闭逆流冷却通道
图3 升压与实际排气温度曲线图
2.噪声
在罗茨鼓风机进口处未装消声器的条件下，离机侧1米处分别对接通气体逆流冷却通道和关闭气体逆流冷却通道两种情况进行了噪声测量，其数据列于表2，可以看出在相同升压下，接通气体逆流冷却通道比关闭气体逆流冷却通道的噪声低。另外在上述两种情况下，对升压均为98.0kpa时测量了噪声频谱，从图4中看出接通气体逆流冷却通道的噪声频谱(图4a)比关闭气体逆流冷却通道的噪声频谱(图4b)在频率100～500hz之间少了两个峰值，其噪声基值也较低。
表2
| 升压值(kpa) | 49.0 | 58.8 | 68.6 | 78.4 | 88.2 | 98.0 | 107.8 | 117.6 | 127.4 | 137.2 | | 噪声(db(a) | 1 | 89.0 | 90.4 | 91.0 | 92.0 | 93.3 | 93.0 | 92.8 | 92.6 | 92.9 | 93.1 | | 2 | 94.0 | 95.0 | 96.0 | 97.0 | 98.0 | 98.0 | — | — | — |
注：1表示逆流冷却通道接通；2表示逆流冷却通道关闭。
图4 噪声频谱图
3.轴功率
表3给出了罗茨鼓风机接通气体逆流冷却通道和关闭气体逆流冷却通道两种情况的功率测量值。在相同升压下，其功率基本接近。显然，运用逆流冷却技术和未运用逆流冷却技术两种情况的功率变化不大。
表3
| 升压值(kpa) | 58.8 | 68.6 | 78.4 | 88.2 | 98.0 | 107.8 | 117.6 | 127.4 | 137.2 | 137.2 | | 轴功率(kw) | 1 | 18.4 | 21.5 | 24.2 | 26.7 | 29.5 | 32.3 | 35.1 | 37.8 | 40.8 | 43.7 | | 2 | 18.7 | 21.6 | 24.4 | 26.8 | 30.0 | — | — | — | — |
注：1表示逆流冷却通道接通；2表示逆流冷却通道关闭。
五、结论
通过上述对罗茨鼓风机运用逆流冷却技术和未运用逆流冷却技术两种情况的理论分析和对比试验，可以得出：
1.采用逆流冷却技术，可降低罗茨鼓风机的排气温度，从而提高罗茨鼓风机的排气压力，扩大罗茨鼓风机的应用范围。
2.采用逆流冷却技术，可减小罗茨鼓风机的气流脉动噪声，有利于环境噪声的治理。
3.相对双级罗茨鼓风机，采用逆流冷却技术的单级罗茨鼓风机具有占地面积小，设备成本低，维护简单等优势，但消耗的轴功率要比双级罗茨鼓风机高。因此，在设备选型时可综合予以考虑。
田国光（长沙鼓风机厂 长沙市 410014） |
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