影響羅茨風(fēng)機(jī)性能的參數(shù)研究

魏勝男

（同煤集團(tuán)建材有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

羅茨風(fēng)機(jī)作為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中主要的氣體增壓和輸送的機(jī)械設(shè)備，由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單且安裝方向相對(duì)靈活被廣泛應(yīng)用。此外，羅茨風(fēng)機(jī)在使用過程中不需內(nèi)部潤滑，具有較高的容積效率。但是，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中由于其具有較高的排氣溫度和較大的氣體泄漏量，應(yīng)用安全性低；且羅茨風(fēng)機(jī)在應(yīng)用過程中具有較高的噪聲，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的身心健康[1]。故，為進(jìn)一步擴(kuò)大羅茨泵的應(yīng)用范圍和效果，需從減小排氣溫度、降低氣體泄漏量以及降低運(yùn)行噪聲等三方面對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文將從影響羅茨風(fēng)機(jī)性能參數(shù)研究的方面著手，為其性能優(yōu)化找準(zhǔn)切入點(diǎn)，達(dá)到高效提升羅茨風(fēng)機(jī)性能的目的。

1 羅茨風(fēng)機(jī)的概述

基于對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理的分析可知，其在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間所形成的容積大小是周期性變化的，進(jìn)而導(dǎo)致其在氣流壓力和流量兩個(gè)維度出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象，最終產(chǎn)生較大的動(dòng)力性噪聲。因此，可從羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)殼的形狀及結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度提升風(fēng)機(jī)的性能[2]。

1.1 轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的形狀和結(jié)構(gòu)在很大程度上是由其型線所決定。根據(jù)不同的葉輪頭數(shù)和形狀可將轉(zhuǎn)子形狀分為兩葉直葉型、三葉直葉型以及三葉扭葉性三種。轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)需遵循如下原則：

1）所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子型線能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)提供較優(yōu)的氣流密封效果；

2）要求葉型形狀為光滑的；

3）要求所設(shè)計(jì)的型線能夠?yàn)榍粌?nèi)提供盡可能高的面積利用系數(shù)，增大風(fēng)機(jī)的流量；

4）應(yīng)盡可能降低風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的噪聲。

經(jīng)驗(yàn)表明，三葉羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的波動(dòng)率小于兩葉羅茨風(fēng)機(jī)，其在運(yùn)行過程中的噪聲更小。因此，三葉葉型為羅茨風(fēng)機(jī)型線的首選，本文將分析三葉圓弧線葉型和三葉漸開線對(duì)提升羅茨風(fēng)機(jī)性能單位影響，最終確定羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子型線。

1.2 羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

以往羅茨風(fēng)機(jī)的機(jī)殼上均設(shè)計(jì)有兩個(gè)矩形風(fēng)口，分別用于風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣。上述結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基元容積與排氣口相通的一瞬間使得高壓氣體迅速回流，從而增大基元容積內(nèi)的氣體壓力，最終形成了強(qiáng)大的氣流沖擊產(chǎn)生較大的噪聲。

為解決上述問題，本文提出設(shè)計(jì)帶漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼。帶漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼原理在于能夠確保排氣縫隙開啟時(shí)使得內(nèi)部壓力預(yù)先與排氣壓力相平衡，進(jìn)而減小氣體回流的沖擊強(qiáng)度，進(jìn)而降低噪聲，提升羅茨風(fēng)機(jī)的性能。

本文將分析帶漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼是否確實(shí)能夠降低運(yùn)行過程中的噪聲。

2 轉(zhuǎn)子型線對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理的研究

本文將對(duì)比分析圓弧型轉(zhuǎn)子型線和漸開線轉(zhuǎn)子型線兩種不同轉(zhuǎn)子型線對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理。兩種轉(zhuǎn)子型線的輪廓如圖1 所示。

圖1 圓弧型和漸開線型轉(zhuǎn)子型線輪廓示意圖

羅茨風(fēng)機(jī)的具體工作參數(shù)如下：羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣壓力為101 kPa；排氣壓力為150 kPa；進(jìn)氣溫度為293 K；排氣溫度為338 K；風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。

為充分對(duì)比不同轉(zhuǎn)子型線對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理，本文分別對(duì)兩種不同轉(zhuǎn)子型線下不同葉輪開啟角下風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場壓強(qiáng)的變化情況進(jìn)行分析，開啟角度分別為15°、23°以及30°。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：兩種轉(zhuǎn)子型線羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的變化情況隨葉輪開啟角度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為：

1）當(dāng)葉輪開啟角度為15°時(shí)，盡管不同轉(zhuǎn)子型線羅茨風(fēng)機(jī)左側(cè)基元容積內(nèi)部壓強(qiáng)在回流沖擊的作用下迅速升高，但此時(shí)的風(fēng)機(jī)內(nèi)部最大壓強(qiáng)小于排氣壓力；

2）當(dāng)葉輪開啟角度為23°時(shí)，不同轉(zhuǎn)子型線羅茨風(fēng)機(jī)左側(cè)基元容積內(nèi)部壓強(qiáng)相接近，但此時(shí)的風(fēng)機(jī)內(nèi)部最大壓強(qiáng)仍未達(dá)到排氣壓力；

3）當(dāng)葉輪開啟角度為30°時(shí)，不同轉(zhuǎn)子型線羅茨風(fēng)機(jī)左側(cè)基元容積內(nèi)部壓強(qiáng)增大并大于排氣壓力。

兩種轉(zhuǎn)子型線羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的變化情況隨葉輪開啟角度的變化在細(xì)節(jié)存在差異，具體表現(xiàn)為：由于轉(zhuǎn)子型線的不同，排氣縫隙開啟后呈現(xiàn)回流均壓的現(xiàn)象，不同的是漸開線轉(zhuǎn)子羅茨風(fēng)機(jī)回流均壓速度要快于圓弧轉(zhuǎn)子羅茨風(fēng)機(jī)[3]。因此，應(yīng)將羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)為漸開線轉(zhuǎn)子型線。

3 漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的分析

羅茨風(fēng)機(jī)在工作時(shí)所產(chǎn)生的噪聲是由于周期性的吸氣、排氣以及瞬時(shí)等壓縮的特點(diǎn)造成的氣流脈動(dòng)所引起的。漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)羅茨風(fēng)機(jī)理論上改進(jìn)了傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)的機(jī)殼結(jié)構(gòu)，但是其具體參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)化，本文將分析不同葉輪開啟角度下風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場情況[4]。經(jīng)仿真分析可得：

1）當(dāng)葉輪開啟角度為0°時(shí)，隨著葉輪對(duì)基元容積內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)做功，且在漸擴(kuò)縫隙的作用下進(jìn)一步加速了氣流，最終在機(jī)殼表面上形成渦流；

2）隨著葉輪開啟角度的進(jìn)一步增大，即隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在漸擴(kuò)縫隙預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的作用下在羅茨風(fēng)機(jī)排氣口的位置處并未像傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)殼一樣形成渦流。

具體仿真結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

如圖2 所示，帶漸擴(kuò)縫隙羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的最大脈動(dòng)為1.2 m3/s，普通羅茨風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場的最大脈動(dòng)為1.8 m3/s。在整個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，帶漸擴(kuò)縫隙羅茨風(fēng)機(jī)的脈動(dòng)幅度明顯減小，進(jìn)而達(dá)到削弱了由于瞬時(shí)等容壓縮和回流沖擊所產(chǎn)生的動(dòng)力性噪聲。

綜上所述，帶漸擴(kuò)縫隙羅茨風(fēng)機(jī)能夠減緩排氣口附近高壓氣體的回流情況，進(jìn)而降低其在工作過程中的噪聲。

圖2 不同羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場脈動(dòng)情況

4 結(jié)語

羅茨風(fēng)機(jī)由于其在工作過程中不需內(nèi)部潤滑、容積效率高、結(jié)構(gòu)簡單以及安裝方便等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是，羅茨風(fēng)機(jī)在應(yīng)用中還存在安全系數(shù)低、噪聲大等問題。為進(jìn)一步提升羅茨風(fēng)機(jī)的應(yīng)用范圍，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并改進(jìn)。轉(zhuǎn)子型線以及風(fēng)機(jī)機(jī)殼形狀為風(fēng)機(jī)的核心部件，通過仿真分析及內(nèi)部數(shù)值計(jì)算得知，漸開線轉(zhuǎn)子羅茨風(fēng)機(jī)回流均壓速度要快于圓弧轉(zhuǎn)子羅茨風(fēng)機(jī)，且?guī)u擴(kuò)縫隙機(jī)殼能夠減緩排氣口附近高壓氣體的回流情況。綜合上述結(jié)果得出結(jié)論，可通過采用漸開線型線和帶漸擴(kuò)縫隙機(jī)殼進(jìn)氣降低其在工作過程中的噪聲，提升其安全系數(shù)。