面向降噪的羅茨鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

 　1 羅茨鼓風(fēng)機(jī)每次吸入、排出的風(fēng)量很大并有突變現(xiàn)象,從而產(chǎn)生較大的噪聲,被稱(chēng)之為機(jī)械產(chǎn)品的“聲老虎”,特別是在高壓的情況下尤甚,且風(fēng)量越大、壓力越高、轉(zhuǎn)速越快,則噪聲就越大,而現(xiàn)代化大生產(chǎn)又希望羅茨鼓風(fēng)機(jī)能提供更高的壓力和更大的風(fēng)量。從噪聲源著手,在設(shè)計(jì)與制造方面提出降低噪聲的一些方法。

　　2 　噪聲分析

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲主要包括機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲,而氣動(dòng)噪聲又包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。機(jī)械噪聲主要有齒輪噪聲、軸承噪聲及管路振動(dòng)噪聲等。旋轉(zhuǎn)噪聲是在旋轉(zhuǎn)的葉輪掠過(guò)較窄的通道出口處時(shí),沿周向的氣動(dòng)壓力與氣流速度都有很大的變化,使得周期性吸、排氣以及瞬時(shí)等容壓縮而形成的氣流速度與壓力脈動(dòng),產(chǎn)生的很大氣體動(dòng)力噪聲 。渦流噪聲又稱(chēng)紊流噪聲,是由于紊流邊界層及其脫離引起氣流壓力脈動(dòng)造成的。一方面,葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),表面形成渦流,這些渦流在表面分裂時(shí)產(chǎn)生了渦流噪聲;另一方面,高壓氣體通過(guò)間隙向低壓區(qū)泄漏并通過(guò)孔口、彎道時(shí)也會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲。這些噪聲再加上風(fēng)機(jī)進(jìn)氣容積的亥姆霍茲共鳴,就使羅茨鼓風(fēng)機(jī)的噪聲達(dá)到了令人難以忍受的程度。

　　3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　3.1 設(shè)計(jì)回流孔

　　在機(jī)殼出風(fēng)端未過(guò)轉(zhuǎn)子中心處開(kāi)一定的U形條孔,可以減輕出風(fēng)口端的壓力爆發(fā),在葉輪與機(jī)殼、墻板所形成的容腔即將進(jìn)入密閉狀態(tài)時(shí),使出風(fēng)口的高壓氣體有少量部分能回流入容腔,并使容腔與出風(fēng)口氣室形成一定的壓力平衡。同時(shí),當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),容腔體積變小,壓力增加,又可使得密閉容腔在大量排出氣體前能通過(guò)回流孔預(yù)排,這樣既可減少“死角”氣體的渦流噪聲,又可減少排氣時(shí)由于壓力過(guò)于釋放造成的沖擊噪聲 。這也是目前國(guó)內(nèi)正在不斷研制的“逆流冷卻”技術(shù)。進(jìn)氣回流孔的孔道應(yīng)與“死角”相連,且出口方向應(yīng)與排氣方向一致；孔的尺寸也不宜過(guò)大,一般取10～15mm ,且?jiàn)A角δ也應(yīng)小于20°,否則會(huì)由于內(nèi)泄過(guò)大而造成風(fēng)量不能滿足要求。

　　3.2 設(shè)計(jì)異形進(jìn)出風(fēng)口

　　傳統(tǒng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)口為矩形口,吸氣時(shí),整個(gè)葉輪外圓同時(shí)進(jìn)入密封區(qū),使氣體突然關(guān)閉,排氣時(shí)葉輪外圓又同時(shí)打開(kāi),則高壓氣體突然釋放,使得吸入和排出氣體時(shí)都會(huì)產(chǎn)生高噪聲并伴有較大振動(dòng)。將進(jìn)出風(fēng)口設(shè)計(jì)成異形口,吸入時(shí)的密封和排出時(shí)的打開(kāi)基于開(kāi)口面積由最大到零和由零到最大,均為漸變,從而延緩了進(jìn)排氣口氣體壓差的變化率,起到削減周期性排氣沖擊噪聲的作用,因此使噪聲低而平穩(wěn)。異形口的形式很多,從制造方便的角度出發(fā),最常用的是菱形口或斜口,孔口的斜度與風(fēng)口尺寸及機(jī)殼長(zhǎng)度有關(guān)。通常,風(fēng)口大、機(jī)殼短,則斜度可大,宜設(shè)計(jì)斜口,制造簡(jiǎn)單;反之,宜設(shè)計(jì)菱形口。

　　3.3 轉(zhuǎn)子串接設(shè)計(jì)法

　　葉輪一般作為一個(gè)整體與軸聯(lián)接,若將葉輪沿軸向分成幾段,則構(gòu)成串接轉(zhuǎn)子。每段葉輪具有相同的葉型、直徑,甚至相同的長(zhǎng)度。串接時(shí),相鄰兩段葉輪周向錯(cuò)開(kāi)一定的角度(兩葉錯(cuò)開(kāi)90°,三葉錯(cuò)開(kāi)60°) ,并在機(jī)殼內(nèi)或葉輪段間設(shè)置隔板,將其隔成相應(yīng)的段,每一段的工作情況都與單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)相似。由于各段葉輪的工作過(guò)程有一定的時(shí)間差,使氣流脈沖減少,與同長(zhǎng)度的單一葉輪相比總排氣流量不變而脈動(dòng)變得更加平穩(wěn),噪聲也相對(duì)較低。

　　3.4 設(shè)計(jì)扭曲葉輪

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪輪齒一般與軸線平行,即直齒狀,這樣加工、檢測(cè)就比較方便,但隨著加工技術(shù)的發(fā)展,還是應(yīng)設(shè)計(jì)成扭曲葉輪,即斜齒狀,因?yàn)檫@樣可以增加嚙合線長(zhǎng)度。扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)、輸氣脈動(dòng)小、噪聲低,而且工作時(shí)具有內(nèi)壓縮過(guò)程,與直葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)相比效率高、能耗低,是羅茨鼓風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的替代產(chǎn)品。

　　3.5 葉輪曲線的CAD 設(shè)計(jì)法

　　葉輪作為羅茨鼓風(fēng)機(jī)的心臟零件,表面形狀至關(guān)重要,氣體是通過(guò)兩個(gè)葉輪表面的嚙合,來(lái)進(jìn)行吸氣與排氣的。為了使這對(duì)葉輪能正常嚙合,葉輪曲線一般都設(shè)計(jì)成漸開(kāi)線、擺線或圓包絡(luò)線?；谠O(shè)計(jì)及制造工藝,傳統(tǒng)葉輪一般設(shè)計(jì)成單一型線,通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算出各種參數(shù),包括中心距、基圓、壓力角、起始嚙合角等。隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,CAD 設(shè)計(jì)軟件和數(shù)控編程軟件功能也越來(lái)越強(qiáng)大,應(yīng)充分利用軟件資源,對(duì)葉輪曲線進(jìn)行分段、組合設(shè)計(jì),改掉以往的單一曲線,通過(guò)CAD 進(jìn)行模擬、仿真,保證葉輪在任何情況下嚙合時(shí)均可有相對(duì)固定的間隙。因?yàn)檫@種組合曲線在現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床上編程、加工已不是難事。均勻的葉輪間隙不僅能大大提高平穩(wěn)性、降低噪聲,而且還能保證風(fēng)量、振動(dòng)、壽命等重要的機(jī)械性能。