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面向降噪的罗茨风机设计
1 罗茨风机每次吸入、排出的风量很大并有突变现象,从而产生较大的噪声,被称之为机械产品的“声老虎”,罗茨风机特别是在高压的情况下尤甚,且风量越大、压力越高、转速越快,则噪声就越大,而现代化大生产又希望罗茨风机能提供更高的压力和更大的风量。从噪声源着手,在设计与制造方面提出降低噪声的一些方法。
2 噪声分析
罗茨风机噪声主要包括机械噪声和气动噪声,而气动噪声又包括旋转噪声和涡流噪声。机械噪声主要有齿轮噪声、轴承噪声及管路振动噪声等。旋转噪声是在旋转的叶轮掠过较窄的通道出口处时,沿周向的气动压力与气流速度都有很大的变化,使得周期性吸、排气以及瞬时等容压缩而形成的气流速度与压力脉动,产生的很大气体动力噪声 。涡流噪声又称紊流噪声,是由于紊流边界层及其脱离引起气流压力脉动造成的。一方面,叶轮旋转时,表面形成涡流,这些涡流在表面分裂时产生了涡流噪声;另一方面,高压气体通过间隙向低压区泄漏并通过孔口、弯道时也会产生涡流噪声。这些噪声再加上风机进气容积的亥姆霍兹共鸣,就使罗茨鼓风机的噪声达到了令人难以忍受的程度。
罗茨风机结构设计
3.1 罗茨风机设计回流孔
在机壳出风端未过转子中心处开一定的U形条孔,可以减轻出风口端的压力爆发,在叶轮与机壳、墙板所形成的容腔即将进入密闭状态时,罗茨风机使出风口的高压气体有少量部分能回流入容腔,并使容腔与出风口气室形成一定的压力平衡。同时,当叶轮继续旋转时,容腔体积变小,压力增加,又可使得密闭容腔在大量排出气体前能通过回流孔预排,这样既可减少“死角”气体的涡流噪声,又可减少排气时由于压力过于释放造成的冲击噪声 。罗茨风机这也是目前国内正在不断研制的“逆流冷却”技术。进气回流孔的孔道应与“死角”相连,且出口方向应与排气方向一致；孔的尺寸也不宜过大,一般取10～15mm ,且夹角δ也应小于20°,否则会由于内泄过大而造成风量不能满足要求。
3.2 设计异形进出风口
传统罗茨风机的进出风口为矩形口,吸气时,整个叶轮外圆同时进入密封区,使气体突然关闭,排气时叶轮外圆又同时打开,则高压气体突然释放,罗茨风机使得吸入和排出气体时都会产生高噪声并伴有较大振动。将进出风口设计成异形口,吸入时的密封和排出时的打开基于开口面积由最大到零和由零到最大,均为渐变,罗茨风机从而延缓了进排气口气体压差的变化率,起到削减周期性排气冲击噪声的作用,因此使噪声低而平稳。异形口的形式很多,从制造方便的角度出发,最常用的是菱形口或斜口,孔口的斜度与风口尺寸及机壳长度有关。通常,罗茨风机风口大、机壳短,则斜度可大,宜设计斜口,制造简单;反之,宜设计菱形口。
3.3 转子串接设计法
叶轮一般作为一个整体与轴联接,若将罗茨风机叶轮沿轴向分成几段,则构成串接转子。每段叶轮具有相同的叶型、直径,甚至相同的长度。串接时,相邻两段叶轮周向错开一定的角度(两叶错开90°,三叶错开60°) ,并在机壳内或叶轮段间设置隔板,罗茨风机将其隔成相应的段,每一段的工作情况都与单台鼓风机相似。由于各段叶轮的工作过程有一定的时间差,使气流脉冲减少,与同长度的单一叶轮相比总排气流量不变而脉动变得更加平稳,噪声也相对较低。
3.4 设计扭曲叶轮
罗茨鼓机叶轮轮齿一般与轴线平行,即直齿状,这样加工、检测就比较方便,但随着加工技术的发展,还是应设计成扭曲叶轮,即斜齿状,因为这样可以增加啮合线长度。扭叶罗茨鼓风机工作平稳、输气脉动小、噪声低,而且工作时具有内压缩过程,与直叶罗茨鼓风机相比效率高、能耗低,是罗茨鼓风机传统的替代产品。
3.5 叶轮曲线的CAD 设计法
叶轮作为罗茨风机的心脏零件,表面形状至关重要,气体是通过两个叶轮表面的啮合,来进行吸气与排气的。为了使这对叶轮能正常啮合,叶轮曲线一般都设计成渐开线、摆线或圆包络线。罗茨风机基于设计及制造工艺,传统叶轮一般设计成单一型线,通过数学方法计算出各种参数,包括中心距、基圆、压力角、起始啮合角等。随着计算机及数控技术的发展,CAD 设计软件和数控编程软件功能也越来越强大,应充分利用软件资源,对叶轮曲线进行分段、组合设计,改掉以往的单一曲线,通过CAD 进行模拟、仿真,保证叶轮在任何情况下啮合时均可有相对固定的间隙。因为这种组合曲线在现代的数控机床上编程、加工已不是难事。均匀的叶轮间隙不仅能大大提高平稳性、降低噪声,而且还能保证风量、振动、寿命等重要的机械性能。
4 制造精度
精度的提高意味着产品成本的增加,罗茨风机但为了满足所需性能,又不得不提高相应方面的精度。下面就为满足低噪性能方面提出应提高的精度。
4.1 叶轮表面质量及平衡
叶轮表面质量主要取决于材质及加工质量。罗茨风机对于小叶轮,一般选择铸钢或球墨铸铁,并与轴铸成一体,大叶轮选择HT200 ,粗糙度为Ra3. 2 ,罗茨风机在数控机床上加工,取较小的走刀量,可获得较低的粗糙度;转子平衡至少应保证G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
4.2 轴承精度
轴承作为易损件,一般的企业都不愿提高其精度使产品成本增加,这样往往得不偿失。因为低精度轴承产生较大的振动和摩擦,且其作为整个机器的装配基准,对整机性能及其它零部件的寿命都有至关重要的影响。国外罗茨风机的轴承精度一般至少相当于我国的C 级标准。
4.3 齿轮精度
齿轮间隙、运动准确性、齿向精度等直接决定着叶轮啮合的均匀性及平稳性,齿面粗糙度又是摩擦噪声的主要来源之一。因此,罗茨风机按国标要求齿轮精度应保证在7 级以上,而一般机械加工厂的齿轮加工、检测手段往往不强,使精度不能满足要求。所以齿轮加工最好是与专业的齿轮加工厂协作。
4.4 风道质量
光滑的风道表面能让气流顺利通过,不仅有利于减少损失,而且能大大减少因气流流动受阻而带来的啸叫声,因此,罗茨风机管道内壁应尽量降低粗糙度,减少弯道数量;进出风口不宜处于急变流场,应由方变圆光滑过渡。若系统中有多个管件,如弯头、支管等,则它们之间的距离应拉开5～10 倍管径。
5 采用消声、隔声、隔振等措施
罗茨风机除了在结构及制造精度方面控制噪声外,在轴承、齿轮、密封处应使用优质的润滑油,进出风口配设消声器,整机及配套设备外围设计隔声罩,有条件的地方可将风机置于地下室工作或选择水下罗茨鼓风机进行隔声、隔振等。
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