阅读说明：本技术 一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机 (oil-free enclosed roots blower using water vapor ) 是由 孙属恺 邵星宇 李岱泽 钟绍东 陈红 廖小虎 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机,其齿轮和轴承采用自润滑材料制作,齿轮箱中可不加注润滑油。进气口设在齿轮箱,通过齿轮箱内合理的流道设计,使进气气流流经齿轮和轴承的摩擦部位,气流可以带走摩擦产生的热量,同时水蒸气中的液沫可以对摩擦副进行水润滑,改善在无油环境中的摩擦和温升对罗茨鼓风机可靠性的影响。气缸和齿轮箱之间为非接触式密封可摆脱动密封件对润滑油的需求。罗茨鼓风机主动轴驱动端采用非接触式联轴器,通过联轴器的隔离套来实现罗茨鼓风机壳体的封闭式静密封。本发明提供一种无油封闭式罗茨鼓风机,其特点是不污染工质,无动密封泄露,可靠性高。(The invention relates to an oil-free closed type water vapor roots blower, wherein gears and bearings are made of self-lubricating materials, lubricating oil can not be filled in a gear box, an air inlet is arranged in the gear box, through reasonable flow passage design in the gear box, air flow flows through friction parts of the gears and the bearings, the air flow can take away heat generated by friction, liquid foam in the water vapor can lubricate a friction pair with water, the influence of friction and temperature rise in an oil-free environment on the reliability of the roots blower is improved, non-contact type sealing is arranged between a cylinder and the gear box, the requirement of a dynamic sealing piece on the lubricating oil can be eliminated, a driving shaft of the roots blower adopts a non-contact type coupling, and the closed type static sealing of a shell of the roots blower is realized through an isolation sleeve of the coupling.)

一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机

技术领域

本发明涉及罗茨鼓风机技术领域，具体为一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机。

背景技术

水蒸气压缩机是利用机械式蒸汽再压缩技术进行物料浓缩和海水淡化的关键性部件之一，其从蒸发室吸入二次蒸汽，并通过自身的机械构造来提高二次蒸汽的压力和温度、从而提高二次蒸汽的能源品位，使排出的气体达到生产工艺所要求的生蒸汽的工艺参数，进而导入蒸发室加热盘管中作为加热蒸汽使用，从而降低生产系统对蒸汽源的依赖，减少设备投资。罗茨鼓风机由于其流量和压比适中，被广泛的作为水蒸气压缩机在中等规模化工、制药、食品、海水淡化领域得到广泛应用。

罗茨鼓风机作为一种双轴容积式气体输运加压机械，其两个工作轴一个是主动轴，与电机通过联轴器或皮带轮相连接，并被电机驱动；另一个轴为从动轴在同步齿轮的驱动下随主动轴转动。齿轮所处的齿轮箱有润滑油对齿轮和轴承进行润滑，同时也带走齿轮和轴承在运转过程的摩擦热。两个工作轴贯穿齿轮箱与工作腔(气缸)，主动轴还伸出在罗茨鼓风机外以连接电机。通常在这些部位采用动密封进行密封，由于动密封可靠性远远低于静密封，不可避免的有介质相互泄漏，如润滑油渗入到气缸中，压缩空气泄漏到齿轮箱或外界大气，在传统罗茨鼓风机工作范围内，工质对油气不敏感，同时渗到气缸中的油可在转子与气缸表面形成油膜，对气缸起到润滑和加强密封的作用。

但是对于机械式蒸汽再压缩工艺来说，工艺对水蒸气中含油和含气量十分敏感。首先，机械式蒸汽再压缩工艺往往采用真空蒸发，罗茨鼓风机内压力可低于外界大气压力，不可靠的密封会使空气泄漏入气缸，造成水蒸气带气，而水蒸气中每含有1％的空气会使水蒸气的在后续工艺冷凝传热系数降低10％，这会造成极大的浪费甚至生产流程的失效，而如参照冰箱压缩机将罗茨鼓风机的电机设计在罗茨鼓风机内部，则外泄的水蒸气会导致电机损坏。再次，气缸中的水蒸气沿着轴渗透到齿轮箱中并在齿轮箱中凝结，会造成齿轮箱中油的乳化，使润滑油失去润滑效果；最后，采用机械式蒸汽再压缩工艺的行业往往都是食品、生物、制药等行业，其对水蒸气工质的洁净度要求是很高的，而润滑油渗入气缸污染水蒸气往往导致后续工艺无法达到标准要求。

发明内容

本发明的目的在于针对罗茨鼓风机在机械式蒸汽再压缩工艺应用中存在的缺陷，提供一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机。该鼓风机采用无油化设计，避免水蒸气和润滑油之间的相互污染，同时通过合理的流道和密封设计，材料选择，消除缺少润滑油带来的齿轮、轴承及动密封件干摩擦及摩擦热无法散失等不利影响。此外通过采用磁力耦合联轴器实现对罗茨鼓风机整机的封闭，其密封为可靠静密封，从而杜绝了外界气体流入罗茨鼓风机或罗茨鼓风机内的高压蒸汽外泄伤人。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机，包括机壳、设于机壳内的主动轴和从动轴、墙板、齿轮箱侧板、法兰盘、由相互固定的齿轮箱侧板、机壳、法兰盘、墙板组成两个封闭的腔体——气缸和齿轮箱、设于齿轮箱侧面的进气管路；主动轴上设置的主动齿轮和从动轴上设置的从动齿轮相啮合，主动轴上设有主动轴主轴承和主动轴端部轴承，从动轴上设有从动轴主轴承和从动轴端部轴承；进气管路与齿轮箱连接部位设有气流分配盘；

机壳和齿轮箱侧板内设有进气主流道、进气侧流道、导气环、轴向导气槽、汇流道流道空间，这些流道空间环绕在主动轴端部轴承、从动轴端部轴承、主动轴主轴承、从动轴主轴承周边；在齿轮箱非进气端设有异形流道，连通齿轮箱和气缸的低压端；齿轮箱和气缸之间的轴封采用非接触式密封；在主动轴伸出端采用有隔离套的非接触式联轴器来辅助机壳封闭整个罗茨鼓风机。

所述的进气管路内部为梅花状贯穿孔，其一端为标准法兰圆形开口，可与上游蒸汽管路相连，另一端为梅花状，与罗茨机机壳上的气流分配盘上的进气流道相连接。

所述的气流分配盘中有环形突起将气流分配盘分为内环和外环，内环中设有进气主流道，正对主动齿轮和从动齿轮的啮合点，从进气管路来的水蒸气经气流分配盘分配后，内环中气体由进气主流道导向齿轮啮合处，带走齿轮高速啮合产生的摩擦热；外环中均匀分布有四个进气侧流道—第一进气侧流道、第二进气侧流道、第三进气侧流道和第四进气侧流道，外环中气体均匀流入四个进气侧流道；

进气侧流道连接气流分配盘和轴向导气槽。

所述汇流道连接轴向导气槽和齿轮箱或异形流道。

所述轴向导气槽是在安装轴承的阶梯孔中每隔90°开设的四个矩形槽，起到连通轴承两侧的导气环作用。其中处于水平位置的一个轴向导气槽与进气侧流道相连，另一个轴向导气槽与汇流道相连。

所述导气环分别设于主动轴端部轴承、从动轴端部轴承、主动轴主轴承、从动轴主轴承的两侧，导气环是在安装轴承的阶梯孔中，通过阶梯孔、轴承本身和轴承挡圈、轴、法兰盘部件在轴承两侧形成的两个与轴承侧面平行的环状气流通道。高速含液沫的水蒸气在由进气侧流道流入轴向导气槽中被分配到轴承两侧的导气环中，由于轴承两侧本身就是这两个导气环的组成部分，高速气流与轴承表面进行充分接触，在通过气流或气流带液蒸发带走产生的摩擦热的同时，气流夹带的液沫可以对陶瓷轴承进行水润滑，完成散热和润滑后，气流进入对面的轴向导气槽中并由汇流道流出。

所述异形流道连通气缸和齿轮箱，将齿轮箱和汇流道中的水蒸气导入罗茨鼓风机气缸内的低压端。该异形流道在罗茨鼓风机由齿轮箱至气缸呈现出渐缩状，可稳定齿轮箱中的气流，减少吸气脉动。采用异形流道的原因是在有限的体积内尽可能增加流道截面积，降低流动阻力损失。

所述的齿轮箱中两齿轮之一采用高强度自润滑工程塑料制造，另一为耐锈蚀金属材料。

所述主动轴主轴承、主动轴端部轴承、从动轴主轴承和从动轴端部轴承均为陶瓷轴承。

所述非接触式密封为迷宫密封，在从动轴与上法兰盘、主动轴与下法兰盘之间设置迷宫密封，迷宫密封由迷宫密封静环和迷宫密封动环组成。

所述非接触式联轴器为磁性联轴器。该联轴器分为三个组件磁力联轴器内圈、磁力联轴器外圈、磁力联轴器隔离套。磁力联轴器内圈与罗茨鼓风机主动轴伸出端安装在一起，磁力联轴器隔离套与机壳连接在一起，磁力联轴器外圈与驱动电机轴连接在一起，这三个组件彼此之间不接触，当外圈随电机转动时，由于磁力耦合作用，内圈随外圈转动并驱动主动转子运转，但内外圈之间的隔离套不转动，因此隔离套与机壳之间为静密封，其密封可靠性极高，避免的水蒸气外泄和外界空气进入。

齿轮箱中的齿轮采用自润滑材料制造，轴承采用可水润滑的陶瓷轴承，在润滑上摆脱对润滑油的依赖。齿轮箱和气缸之间采用非接触式密封，摆脱密封对润滑油的依赖，进气管路设在齿轮箱侧面，通过气流分配盘和机壳齿轮箱内设有进气主流道、进气侧流道，导气环，轴向导气槽，汇流道使水蒸气能够流入、流经、流出齿轮的啮合点、轴承等有相对运动的接触部位，由于流入鼓风机的水蒸气不可避免的夹带有液沫，通过高速气流和液沫蒸发带走上述部位相对运动摩擦产生的热量，摆脱冷却上对润滑油的依赖。同时气流带液在一定程度上对齿轮和轴承进行水润滑。在齿轮箱和气缸间设有异形流道，带走摩擦热的水蒸气经由汇流道在齿轮箱中汇集后由异形流道通到罗茨鼓风机的气缸内，随后在罗茨鼓风机的基本运行原理作用下升压由排气口流出，完成升温升压的工作过程与工艺要求。在气缸和齿轮箱之间轴部密封采用非接触式密封，来避免接触式密封对润滑油的需求。最后采用非接触式联轴器，通过中间的隔离套在罗茨鼓风机伸出轴端形成可靠的静密封，来防止外界气体流入罗茨鼓风机或罗茨鼓风机内的高压蒸汽外泄伤人。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

齿轮和轴承采用自润滑或水润滑材料制作，使罗茨鼓风机工作腔内无油，避免了传统罗茨鼓风机在压缩输运水蒸气时，润滑油乳化失效或者水蒸气被润滑油污染。通过对进气流道进行优化设计，使罗茨鼓风机在吸气的时候流过齿轮和轴承等大量产生摩擦热的部件，带走热量，降低零件温度，提高罗茨鼓风机在无油工作状态的可靠性。此外由于饱和水蒸气在输运过程中由于热量的散失，不可避免的有水蒸气冷凝形成液沫，利用这些液沫可对运动部件进行水润滑，避免了干摩擦，降低磨损量，同样提高了罗茨鼓风机的可靠性。由于采用了无油设计，气缸和齿轮箱之间的轴封可采用非接触式密封，降低轴摩擦功率损失的同时也提高了可靠性。主动轴伸出端采用非接触式联轴器，其中联轴器隔离套与机壳之间无相对运动，形成一个完整的封闭体，避免了水蒸气外泄伤人或接触电机造成短路，同时在真空条件下也可以防止空气渗入水蒸气中，影响下一工序的换热。

附图说明

图1为本发明罗茨鼓风机的纵向剖视图；

图2为本发明罗茨鼓风机的横向剖视图；

图3为罗茨鼓风机机壳示意图

图4为本发明部分区域俯视剖视图

图5为图1的A-A剖视图

图6为图2的B-B旋转阶梯剖视图

图7为进气管路示意图

附图中：1-主动轴端部轴承；2-第三轴承挡圈；3-从动轴端部轴承；4-第四轴承挡圈；5-齿轮箱侧板；6-机壳；7-主动齿轮；8-从动齿轮；9-从动轴轴套；10-从动轴主轴承；11-迷宫密封动环；12-从动转子；13-从动轴；14-迷宫密封静环；15-上法兰盘；16-下法兰盘；17-垫圈；18-主动轴；19-主动转子；20-O型圈；21-主动轴主轴承；22-主动轴轴套；23-异形流道；24-梅花状贯穿孔；25-进气管路；26-墙板；27-进气主流道；28-第一进气侧流道；29-第二进气侧流道；30-第三进气侧流道；31-第四进气侧流道；32-键；33-齿轮箱；34-气缸；35-排气口；36-圆螺母；37-圆螺母止动垫圈；38-磁力联轴器内圈；39-磁力联轴器外圈；40-磁力联轴器隔离套；601-气流分配盘；602-环形突起；603-内环；604-外环；611-第一导气环；612-第二导气环；613-第三导气环；614-第四导气环；615-第五导气环；616-第六导气环；617-第七导气环；618-第八导气环；621-第一阶梯孔；622-第一轴向导气槽；623-第二阶梯孔；624-第二轴向导气槽；625-第三阶梯孔；626-第三轴向导气槽；627-第四阶梯孔；628-第四轴向导气槽；631-第一轴承挡圈；632-第二轴承挡圈；71-第一汇流道；72-第二汇流道；73-第三汇流道；74-第四汇流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参见图1，一种无油封闭式水蒸气罗茨鼓风机，包括机壳6、设于机壳内的主动轴18和从动轴13、墙板26、齿轮箱侧板5、法兰盘、由相互固定的齿轮箱侧板、机壳、法兰盘、墙板组成两个封闭的腔体——气缸34和齿轮箱33、设于齿轮箱侧面的进气管路25；主动轴上设置的主动齿轮7和从动轴上设置的从动齿轮8相啮合，主动轴上设有主动轴主轴承21和主动轴端部轴承1，从动轴上设有从动轴主轴承10和从动轴端部轴承3；进气管路与齿轮箱连接部位设有气流分配盘601。

机壳6和齿轮箱侧板5内设有进气主流道27、进气侧流道、导气环、轴向导气槽、汇流道流道空间，这些流道空间环绕在主动轴端部轴承1、从动轴端部轴承3、主动轴主轴承21和从动轴主轴承10周边；在齿轮箱33非进气端设有异形流道23，连通齿轮箱和气缸的低压端；齿轮箱和气缸之间的轴封采用非接触式密封；在主动轴伸出端采用有隔离套的非接触式联轴器来辅助机壳封闭整个罗茨鼓风机。

参见图3，图7，进气管路25一端敞开，以便与工艺上游蒸汽管路相连，另一端与罗茨机机壳6联接在一起。所述进气管路25内部开有渐缩梅花状贯穿孔24，该梅花状贯穿孔251与罗茨机机壳6上气流分配盘601相对应，气流分配盘601中有环形突起602将气流分配盘601分为内环603和外环604，内环603中设有进气主流道27，外环604中均匀依次分布四个进气侧流道——第一进气侧流道28、第二进气侧流道29、第三进气侧流道30、第四进气侧流道31。从上游蒸汽管路中通入的带液水蒸气经由进气管路25中梅花状贯穿孔251导流流至气流分配盘601，在环形突起602分割的作用下一部分由内环603中的进气主流道27流入齿轮箱33中，另外一部分沿外环604流入第一进气侧流道28、第二进气侧流道29、第三进气侧流道30和第四进气侧流道31中。

参见图2，进气主流道27正对齿轮箱33中主动齿轮7与从动齿轮8的啮合点，主动齿轮7和从动齿轮8之一的制造材质为高强度自润滑工程塑料，另一个为耐锈蚀金属材料，基于自润滑材料的特性，在罗茨鼓风机工作的时候齿轮箱33中高速啮合旋转的主动齿轮7和从动齿轮8可在无油非高温的情况下稳定工作。从进气主流道27流入的带液蒸汽高速流经主动齿轮7和从动齿轮8的表面和两个齿轮的啮合点，高速流动的气流可以带走齿轮上产生的摩擦热，此外，气流带来的液沫亦可吸收齿轮的摩擦热而蒸发，如此不但可以降低水蒸气气流的含液量，提高工作效率，同时可以使齿轮7、8的温度始终处于水的沸点之下，使主动齿轮7和从动齿轮8的工作温度保持在自润滑材料的合理工作范围之内。

参见图1、图6，在罗茨机机壳6中部设置有第一阶梯孔621用于安放从动轴主轴承10，第一阶梯孔621外侧设置有第一轴承挡圈631。第一阶梯孔621、从动轴主轴承10、第一轴承挡圈631与从动齿轮8围成一个环形空间为第一导气环611，第一阶梯孔621另一端与上法兰盘15、从动轴主轴承10、从动轴13围成第二导气环612。第一阶梯孔621周向间隔90°开有第一轴向导气槽622(a)、(b)、(c)、(d)，第一轴向导气槽与第一导气环611和第二导气环612相通。处于水平位置的两个第一轴向导气槽622其一622(a)与第一进气侧流道28相通，另一个622(c)与第一汇流道71相通，第一汇流道71连通第一轴向导气槽622(c)和异形流道23。从第一进气侧流道28流入的带液气体先流入第一轴向导气槽622(a)，随后流入与之相通的第一导气环611、第二导气环612，随后气体从动轴主轴承10两侧沿第一导气环611、第二导气环612流动，由于第一导气环611、第二导气环612在第一进气侧流道28进气方向上分布不完全对称，则必有气流通过第一轴向导气槽622(b)、622(d)和从动轴主轴承10内部固有孔隙以平衡第一导气环611、第二导气环612的压差。在此过程中蒸汽带走从动轴主轴承10高速运转时产生的摩擦热。从动轴主轴承10为陶瓷轴承，在蒸汽通过的同时蒸汽中的液沫可对陶瓷轴承实现水润滑，减少摩擦和磨损。最后第一导气环611与第二导气环612中的气流在第一轴向导气槽622(c)会合并流入第一汇流道71。同理在罗茨机机壳6中部设置有第二阶梯孔623用于安放主动轴主轴承21，第二阶梯孔623外侧设置有第二轴承挡圈632。第二阶梯孔623、主动轴主轴承21、第二轴承挡圈632与主动齿轮7围成一个环形空间为第三导气环613，第二阶梯孔623另一端与下法兰盘16、主动轴主轴承21、主动轴18围成第四导气环614。第二阶梯孔623周向间隔90°开有第二轴向导气槽624(a)、(b)、(c)、(d)，第二轴向导气槽与第三导气环613和第四导气环614相通。处于水平位置的两个第二轴向导气槽624其一624(a)与第二进气侧流道29相通，另一个624(c)经第二汇流道72与异形流道23相通。工作原理同上。

参见图1，图4、图6在齿轮箱侧板5上部设置有第三阶梯孔625用于安放从动轴端部轴承3，第三阶梯孔625外侧设置有第三轴承挡圈2。第三阶梯孔625、从动轴端部轴承3、第三轴承挡圈2与从动轴轴套9围成一个环形空间为第五导气环615，第三阶梯孔625另一端与齿轮箱侧板5、从动轴端部轴承3、从动轴13围成第六导气环616。第三阶梯孔625周向间隔90°开有第三轴向导气槽626(a)、(b)、(c)、(d)，第三轴向导气槽与第五导气环615和第六导气环616相通。处于水平位置的两个第三轴向导气槽626其一626(a)与第三进气侧流道30相通，另一个626(c)与第三汇流道73相通。同样在齿轮箱侧板5下部设置有第四阶梯孔627用于安放主动轴端部轴承1，第四阶梯孔627外侧设置有第四轴承挡圈4。第四阶梯孔627、主动轴端部轴承1、第四轴承挡圈4与主动轴轴套22围成一个环形空间为第七导气环617，第四阶梯孔627另一端与齿轮箱侧板5、主动轴端部轴承1、主动轴18围成第八导气环618。第四阶梯孔627周向间隔90°开有第四轴向导气槽628(a)、(b)、(c)、(d)，第四轴向导气槽与第七导气环617和第八导气环618相通。处于水平位置的两个第四轴向导气槽628其一628(a)与第四进气侧流道31相通，另一个628(c)与第四汇流道74相通。第三汇流道73和第四汇流道74另一端与齿轮箱33相通。从第三进气侧流道30、第四进气侧流道31流入的带液气体分别先流入第三轴向导气槽613(a)和第四轴向导气槽614(a)，随后流入与之相通的第五导气环615、第六导气环616和第七导气环617、第八导气环618，随后气体从动轴端部轴承3、主动轴端部轴承1两侧沿上述导气环流动，由于导气环在第三进气侧流道30或第四进气侧流道31进气方向上分布不完全对称，则必有气流通过第三轴向导气槽626(b)、626(d)和从动轴端部轴承3内部固有孔隙或第四轴向导气槽628(b)、628(d)和主动轴端部轴承1以平衡不对称造成的导气环间的压差。在此过程中蒸汽带走从动轴端部轴承3和主动轴端部轴承1上因高速运转时产生的摩擦热。最后第五导气环615、第六导气环616中的气流在第三轴向导气槽626(c)会合并流入第三汇流道73，第七导气环617、第八导气环618中的气流在第四轴向导气槽628(c)会合并流入第四汇流道74。随后流入齿轮箱33中。

主动轴主轴承21、从主动轴主轴承10、从动轴端部轴承3和主动轴端部轴承1均为陶瓷轴承，在蒸汽通过的同时蒸汽中的液沫可对陶瓷轴承实现水润滑，减少摩擦和磨损。

参见图2，7，在罗茨机机壳6中设有连通齿轮箱33和气缸34的异形流道23，异形流道23呈渐缩设计，可起到一定稳流作用。由进气主流道27进入齿轮箱33中冷却齿轮7、8的气流和从第三汇流道73、第四汇流道74导出的冷却轴承后的气流经过异形流道23由齿轮箱33流入气缸34，由第一汇流道71和第二汇流道72导出的气体直接经异形流道23流入气缸34。随后随着从动转子12、主动转子19的旋转被压缩输运到排气口35，在此过程中，由于罗茨鼓风机自身工作特性，蒸汽的温度和压力都得到了提高，达到了下游工艺的要求。

参见图1，在从动轴13与上法兰盘15、主动轴18与下法兰盘16之间设有迷宫密封，迷宫密封由迷宫密封静环14和迷宫密封动环11组成，防止排气口35处的高压高温气体通过从动轴13与上法兰盘15、主动轴18与下法兰盘16之间的间隙泄漏到齿轮箱33处。通过迷宫密封动环11与迷宫密封静环14之间为非接触式动密封，既能避免无密封件导致泄漏造成的效率低下，又避免了接触式动密封带来的额外的阻力损失以及对润滑油的需求，使罗茨鼓风机能够长时间工作在无油环境。

参见图1，在主动轴18的电机端采用磁力联轴器组件与驱动电机相连，其包括磁力联轴器外圈39、磁力联轴器内圈38、磁力联轴器隔离套40。其中磁力联轴器内圈38套在主动轴18上，通过键32防止磁力联轴器内圈38与主动轴18的周向滑动，通过圆螺母36和圆螺母止动垫圈37来防止轴向滑动。磁力联轴器外圈39与电机轴相连。磁力联轴器外圈39随电机转动，通过耦合的磁力驱动磁力联轴器内圈38进而带动罗茨鼓风机运转，磁力联轴器内圈38和磁力联轴器外圈39不接触，磁力联轴器隔离套40在磁力联轴器内圈38和磁力联轴器外圈39中间，起到隔离密封作用，如此罗茨鼓风机壳体处所有的密封均为静密封，可有效防止气体外泄或外界空气进入罗茨鼓风机。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。