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