山東華東風(fēng)機(jī)有限公司

          面向降噪的羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)
 1羅茨風(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，被稱之為機(jī)械產(chǎn)品的“聲老虎”，羅茨風(fēng)機(jī)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，高壓氣體通過間隙向低壓區(qū)泄漏并通過孔口、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。
   羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)回流孔
在機(jī)殼出風(fēng)端未過轉(zhuǎn)子中心處開一定的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)，羅茨風(fēng)機(jī)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)由于壓力過于釋放造成的沖擊噪聲。羅茨風(fēng)機(jī)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；孔的尺寸也不宜過大，一般取10～15mm，且夾角δ也應(yīng)小于20°，否則會(huì)由于內(nèi)泄過大而造成風(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，則高壓氣體突然釋放，羅茨風(fēng)機(jī)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)的打開基于開口面積由最大到零和由零到最大，均為漸變，羅茨風(fēng)機(jī)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，羅茨風(fēng)機(jī)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，若將羅茨風(fēng)機(jī)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)開一定的角度(兩葉錯(cuò)開90°，三葉錯(cuò)開60°)，并在機(jī)殼內(nèi)或葉輪段間設(shè)置隔板，羅茨風(fēng)機(jī)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
葉輪作為羅茨風(fēng)機(jī)的心臟零件，表面形狀至關(guān)重要，氣體是通過兩個(gè)葉輪表面的嚙合，來進(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)成漸開線、擺線或圓包絡(luò)線。羅茨風(fēng)機(jī)基于設(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。
4制造精度
精度的提高意味著產(chǎn)品成本的增加，羅茨風(fēng)機(jī)但為了滿足所需性能，又不得不提高相應(yīng)方面的精度。下面就為滿足低噪性能方面提出應(yīng)提高的精度。
4.1葉輪表面質(zhì)量及平衡
葉輪表面質(zhì)量主要取決于材質(zhì)及加工質(zhì)量。羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)于小葉輪，一般選擇鑄鋼或球墨鑄鐵，并與軸鑄成一體，大葉輪選擇HT200，粗糙度為Ra3.2，羅茨風(fēng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床上加工，取較小的走刀量，可獲得較低的粗糙度轉(zhuǎn)子平衡至少應(yīng)保證G6.3，最好提高到G5.6。
4.2軸承精度
軸承作為易損件，一般的企業(yè)都不愿提高其精度使產(chǎn)品成本增加，這樣往往得不償失。因?yàn)榈途容S承產(chǎn)生較大的振動(dòng)和摩擦，且其作為整個(gè)機(jī)器的裝配基準(zhǔn)，對(duì)整機(jī)性能及其它零部件的壽命都有至關(guān)重要的影響。國(guó)外羅茨風(fēng)機(jī)的軸承精度一般至少相當(dāng)于我國(guó)的C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
4.3齒輪精度
齒輪間隙、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性、齒向精度等直接決定著葉輪嚙合的均勻性及平穩(wěn)性，齒面粗糙度又是摩擦噪聲的主要來源之一。因此，羅茨風(fēng)機(jī)按國(guó)標(biāo)要求齒輪精度應(yīng)保證在7級(jí)以上，而一般機(jī)械加工廠的齒輪加工、檢測(cè)手段往往不強(qiáng)，使精度不能滿足要求。所以齒輪加工最好是與專業(yè)的齒輪加工廠協(xié)作。
4.4風(fēng)道質(zhì)量
光滑的風(fēng)道表面能讓氣流順利通過，不僅有利于減少損失，而且能大大減少因氣流流動(dòng)受阻而帶來的嘯叫聲，因此，羅茨風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壁應(yīng)盡量降低粗糙度，減少?gòu)澋罃?shù)量進(jìn)出風(fēng)口不宜處于急變流場(chǎng)，應(yīng)由方變圓光滑過渡。若系統(tǒng)中有多個(gè)管件，如彎頭、支管等，則它們之間的距離應(yīng)拉開5～10倍管徑。