影响罗茨风机性能的参数研究

魏胜男

（同煤集团建材有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

罗茨风机作为当前工业生产中主要的气体增压和输送的机械设备，由于其机械结构简单且安装方向相对灵活被广泛应用。此外，罗茨风机在使用过程中不需内部润滑，具有较高的容积效率。但是，在实际工业应用中由于其具有较高的排气温度和较大的气体泄漏量，应用安全性低；且罗茨风机在应用过程中具有较高的噪声，严重威胁作业人员的身心健康[1]。故，为进一步扩大罗茨泵的应用范围和效果，需从减小排气温度、降低气体泄漏量以及降低运行噪声等三方面对其结构进行优化设计。本文将从影响罗茨风机性能参数研究的方面着手，为其性能优化找准切入点，达到高效提升罗茨风机性能的目的。

1 罗茨风机的概述

基于对罗茨风机运行原理的分析可知，其在运行过程中转子与机壳之间所形成的容积大小是周期性变化的，进而导致其在气流压力和流量两个维度出现脉动现象，最终产生较大的动力性噪声。因此，可从罗茨风机转子和机壳的形状及结构两个角度提升风机的性能[2]。

1.1 转子型线的设计

转子的形状和结构在很大程度上是由其型线所决定。根据不同的叶轮头数和形状可将转子形状分为两叶直叶型、三叶直叶型以及三叶扭叶性三种。转子型线设计需遵循如下原则：

1）所设计的转子型线能够为风机提供较优的气流密封效果；

2）要求叶型形状为光滑的；

3）要求所设计的型线能够为腔内提供尽可能高的面积利用系数，增大风机的流量；

4）应尽可能降低风机在运行过程中的噪声。

经验表明，三叶罗茨风机风量的波动率小于两叶罗茨风机，其在运行过程中的噪声更小。因此，三叶叶型为罗茨风机型线的首选，本文将分析三叶圆弧线叶型和三叶渐开线对提升罗茨风机性能单位影响，最终确定罗茨风机的转子型线。

1.2 罗茨风机机壳结构的设计

以往罗茨风机的机壳上均设计有两个矩形风口，分别用于风机的进气和排气。上述结构导致基元容积与排气口相通的一瞬间使得高压气体迅速回流，从而增大基元容积内的气体压力，最终形成了强大的气流冲击产生较大的噪声。

为解决上述问题，本文提出设计带渐扩缝隙预进气结构的罗茨风机机壳。带渐扩缝隙预进气结构的罗茨风机机壳原理在于能够确保排气缝隙开启时使得内部压力预先与排气压力相平衡，进而减小气体回流的冲击强度，进而降低噪声，提升罗茨风机的性能。

本文将分析带渐扩缝隙预进气结构的罗茨风机机壳是否确实能够降低运行过程中的噪声。

2 转子型线对罗茨风机性能的影响机理的研究

本文将对比分析圆弧型转子型线和渐开线转子型线两种不同转子型线对罗茨风机性能的影响机理。两种转子型线的轮廓如图1 所示。

图1 圆弧型和渐开线型转子型线轮廓示意图

罗茨风机的具体工作参数如下：罗茨风机的进气压力为101 kPa；排气压力为150 kPa；进气温度为293 K；排气温度为338 K；风机叶轮的转速为1 450 r/min。

为充分对比不同转子型线对罗茨风机性能的影响机理，本文分别对两种不同转子型线下不同叶轮开启角下风机内部流场压强的变化情况进行分析，开启角度分别为15°、23°以及30°。经仿真分析得出如下结论：两种转子型线罗茨风机内部流场的变化情况随叶轮开启角度呈现相似的变化规律，具体表现为：

1）当叶轮开启角度为15°时，尽管不同转子型线罗茨风机左侧基元容积内部压强在回流冲击的作用下迅速升高，但此时的风机内部最大压强小于排气压力；

2）当叶轮开启角度为23°时，不同转子型线罗茨风机左侧基元容积内部压强相接近，但此时的风机内部最大压强仍未达到排气压力；

3）当叶轮开启角度为30°时，不同转子型线罗茨风机左侧基元容积内部压强增大并大于排气压力。

两种转子型线罗茨风机内部流场的变化情况随叶轮开启角度的变化在细节存在差异，具体表现为：由于转子型线的不同，排气缝隙开启后呈现回流均压的现象，不同的是渐开线转子罗茨风机回流均压速度要快于圆弧转子罗茨风机[3]。因此，应将罗茨风机的转子型线设计为渐开线转子型线。

3 渐扩缝隙预进气结构罗茨风机内部流场的分析

罗茨风机在工作时所产生的噪声是由于周期性的吸气、排气以及瞬时等压缩的特点造成的气流脉动所引起的。渐扩缝隙预进气结构罗茨风机理论上改进了传统罗茨风机的机壳结构，但是其具体参数还需进一步优化，本文将分析不同叶轮开启角度下风机的内部流场情况[4]。经仿真分析可得：

1）当叶轮开启角度为0°时，随着叶轮对基元容积内气流旋转做功，且在渐扩缝隙的作用下进一步加速了气流，最终在机壳表面上形成涡流；

2）随着叶轮开启角度的进一步增大，即随着叶轮的旋转，在渐扩缝隙预进气结构的作用下在罗茨风机排气口的位置处并未像传统罗茨风机机壳一样形成涡流。

具体仿真结构如图2 所示。

如图2 所示，带渐扩缝隙罗茨风机内部流场的最大脉动为1.2 m3/s，普通罗茨风机的内部流场的最大脉动为1.8 m3/s。在整个脉动周期内，带渐扩缝隙罗茨风机的脉动幅度明显减小，进而达到削弱了由于瞬时等容压缩和回流冲击所产生的动力性噪声。

综上所述，带渐扩缝隙罗茨风机能够减缓排气口附近高压气体的回流情况，进而降低其在工作过程中的噪声。

图2 不同罗茨风机内部流场脉动情况

4 结语

罗茨风机由于其在工作过程中不需内部润滑、容积效率高、结构简单以及安装方便等优势被广泛应用于工业生产中。但是，罗茨风机在应用中还存在安全系数低、噪声大等问题。为进一步提升罗茨风机的应用范围，需对其结构进行优化并改进。转子型线以及风机机壳形状为风机的核心部件，通过仿真分析及内部数值计算得知，渐开线转子罗茨风机回流均压速度要快于圆弧转子罗茨风机，且带渐扩缝隙机壳能够减缓排气口附近高压气体的回流情况。综合上述结果得出结论，可通过采用渐开线型线和带渐扩缝隙机壳进气降低其在工作过程中的噪声，提升其安全系数。