影響羅茨風機性能的參數研究

魏勝男

（同煤集團建材有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

羅茨風機作為當前工業生產中主要的氣體增壓和輸送的機械設備，由于其機械結構簡單且安裝方向相對靈活被廣泛應用。此外，羅茨風機在使用過程中不需內部潤滑，具有較高的容積效率。但是，在實際工業應用中由于其具有較高的排氣溫度和較大的氣體泄漏量，應用安全性低；且羅茨風機在應用過程中具有較高的噪聲，嚴重威脅作業人員的身心健康[1]。故，為進一步擴大羅茨泵的應用范圍和效果，需從減小排氣溫度、降低氣體泄漏量以及降低運行噪聲等三方面對其結構進行優化設計。本文將從影響羅茨風機性能參數研究的方面著手，為其性能優化找準切入點，達到高效提升羅茨風機性能的目的。

1 羅茨風機的概述

基于對羅茨風機運行原理的分析可知，其在運行過程中轉子與機殼之間所形成的容積大小是周期性變化的，進而導致其在氣流壓力和流量兩個維度出現脈動現象，最終產生較大的動力性噪聲。因此，可從羅茨風機轉子和機殼的形狀及結構兩個角度提升風機的性能[2]。

1.1 轉子型線的設計

轉子的形狀和結構在很大程度上是由其型線所決定。根據不同的葉輪頭數和形狀可將轉子形狀分為兩葉直葉型、三葉直葉型以及三葉扭葉性三種。轉子型線設計需遵循如下原則：

1）所設計的轉子型線能夠為風機提供較優的氣流密封效果；

2）要求葉型形狀為光滑的；

3）要求所設計的型線能夠為腔內提供盡可能高的面積利用系數，增大風機的流量；

4）應盡可能降低風機在運行過程中的噪聲。

經驗表明，三葉羅茨風機風量的波動率小于兩葉羅茨風機，其在運行過程中的噪聲更小。因此，三葉葉型為羅茨風機型線的首選，本文將分析三葉圓弧線葉型和三葉漸開線對提升羅茨風機性能單位影響，最終確定羅茨風機的轉子型線。

1.2 羅茨風機機殼結構的設計

以往羅茨風機的機殼上均設計有兩個矩形風口，分別用于風機的進氣和排氣。上述結構導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的氣體壓力，最終形成了強大的氣流沖擊產生較大的噪聲。

為解決上述問題，本文提出設計帶漸擴縫隙預進氣結構的羅茨風機機殼。帶漸擴縫隙預進氣結構的羅茨風機機殼原理在于能夠確保排氣縫隙開啟時使得內部壓力預先與排氣壓力相平衡，進而減小氣體回流的沖擊強度，進而降低噪聲，提升羅茨風機的性能。

本文將分析帶漸擴縫隙預進氣結構的羅茨風機機殼是否確實能夠降低運行過程中的噪聲。

2 轉子型線對羅茨風機性能的影響機理的研究

本文將對比分析圓弧型轉子型線和漸開線轉子型線兩種不同轉子型線對羅茨風機性能的影響機理。兩種轉子型線的輪廓如圖1 所示。

圖1 圓弧型和漸開線型轉子型線輪廓示意圖

羅茨風機的具體工作參數如下：羅茨風機的進氣壓力為101 kPa；排氣壓力為150 kPa；進氣溫度為293 K；排氣溫度為338 K；風機葉輪的轉速為1 450 r/min。

為充分對比不同轉子型線對羅茨風機性能的影響機理，本文分別對兩種不同轉子型線下不同葉輪開啟角下風機內部流場壓強的變化情況進行分析，開啟角度分別為15°、23°以及30°。經仿真分析得出如下結論：兩種轉子型線羅茨風機內部流場的變化情況隨葉輪開啟角度呈現相似的變化規律，具體表現為：

1）當葉輪開啟角度為15°時，盡管不同轉子型線羅茨風機左側基元容積內部壓強在回流沖擊的作用下迅速升高，但此時的風機內部最大壓強小于排氣壓力；

2）當葉輪開啟角度為23°時，不同轉子型線羅茨風機左側基元容積內部壓強相接近，但此時的風機內部最大壓強仍未達到排氣壓力；

3）當葉輪開啟角度為30°時，不同轉子型線羅茨風機左側基元容積內部壓強增大并大于排氣壓力。

兩種轉子型線羅茨風機內部流場的變化情況隨葉輪開啟角度的變化在細節存在差異，具體表現為：由于轉子型線的不同，排氣縫隙開啟后呈現回流均壓的現象，不同的是漸開線轉子羅茨風機回流均壓速度要快于圓弧轉子羅茨風機[3]。因此，應將羅茨風機的轉子型線設計為漸開線轉子型線。

3 漸擴縫隙預進氣結構羅茨風機內部流場的分析

羅茨風機在工作時所產生的噪聲是由于周期性的吸氣、排氣以及瞬時等壓縮的特點造成的氣流脈動所引起的。漸擴縫隙預進氣結構羅茨風機理論上改進了傳統羅茨風機的機殼結構，但是其具體參數還需進一步優化，本文將分析不同葉輪開啟角度下風機的內部流場情況[4]。經仿真分析可得：

1）當葉輪開啟角度為0°時，隨著葉輪對基元容積內氣流旋轉做功，且在漸擴縫隙的作用下進一步加速了氣流，最終在機殼表面上形成渦流；

2）隨著葉輪開啟角度的進一步增大，即隨著葉輪的旋轉，在漸擴縫隙預進氣結構的作用下在羅茨風機排氣口的位置處并未像傳統羅茨風機機殼一樣形成渦流。

具體仿真結構如圖2 所示。

如圖2 所示，帶漸擴縫隙羅茨風機內部流場的最大脈動為1.2 m3/s，普通羅茨風機的內部流場的最大脈動為1.8 m3/s。在整個脈動周期內，帶漸擴縫隙羅茨風機的脈動幅度明顯減小，進而達到削弱了由于瞬時等容壓縮和回流沖擊所產生的動力性噪聲。

綜上所述，帶漸擴縫隙羅茨風機能夠減緩排氣口附近高壓氣體的回流情況，進而降低其在工作過程中的噪聲。

圖2 不同羅茨風機內部流場脈動情況

4 結語

羅茨風機由于其在工作過程中不需內部潤滑、容積效率高、結構簡單以及安裝方便等優勢被廣泛應用于工業生產中。但是，羅茨風機在應用中還存在安全系數低、噪聲大等問題。為進一步提升羅茨風機的應用范圍，需對其結構進行優化并改進。轉子型線以及風機機殼形狀為風機的核心部件，通過仿真分析及內部數值計算得知，漸開線轉子羅茨風機回流均壓速度要快于圓弧轉子羅茨風機，且帶漸擴縫隙機殼能夠減緩排氣口附近高壓氣體的回流情況。綜合上述結果得出結論，可通過采用漸開線型線和帶漸擴縫隙機殼進氣降低其在工作過程中的噪聲，提升其安全系數。