羅茨風機噪音模型優化

羅茨風機噪音模型優化

山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。

羅茨風機結構簡單，但流道結構復雜，且是擴壓流動，很易引起嚴重的分離流，同時又有動、靜部件，不僅是不定常流，而且動、靜部件間的間隙又產生二次流，所以風機內部流動是復雜的不定常三維流動，數值模擬十分困難。限于目前計算條件，工程上對羅茨風機流場的數值模擬均按準定常計算，且多采用相對簡單、但很流行的湍流模型計算，但模型只適合于小分離流，也不能正確定量流動細節，但根據文獻調研和我們的經驗，對于氣動力設計良好的羅茨風機，在設計工況附近，用湍流模型和準定常處理，對于風機的氣動性能的數值預估是完全可以做到和實測結果吻合很好。另一方面，由于有了很多的關于風機三維粘性流動數值模擬結果，發現過去按一維、二維理想流的工程設計中的一些重要的經驗數據（也可稱為設計準則），其中許多需要修改。以羅茨風機而論，例如按Eck理論，最佳氣流進口角為35.4°，設計時還應考慮有攻角，所以一般設計葉片幾何進口角為37°～38°，實際上，按數值優化結果，可以小到27°；又如按工程方法，如全壓不夠，可增大葉片幾何出口角來補救，但數值優化結果是葉片幾何出口角到一定數值（如81°）后再增大，全壓反而會下降；又如Eck認為進口加速系數應大于1，這樣葉輪進口是加速流動，可減少進口分離，后來我們認為減少葉輪進口流動速度能改善葉輪流動，所以按經驗，建議可取0.7~0.8，實際上按數值優化可小到0.6；其它還有一些準則也應該改變，這里不能一一而論。這些參數的變化，對羅茨風機的氣動力圖改變很大，對氣動性能影響也很大，所以原有的工程方法需要改進。當然改進內容還應包括葉片流道的流型選取和提出新的結構等。如我們利用航空上吹氣邊界層控制原理，提出長短葉片開縫結構，縫隙大于10mm，可確保縫隙不會堵塞，這種結構可擴展羅茨風機工作的高效區，大大改善非設計工況性能。所有這些在現代設計方法中稱為改進的工程設計方法。所以現代設計方法內容是：首先根據改進的工程設計方法給出綜合性能較好的風機通道型線；然后數值模擬風機整機（包括進風口－葉輪－蝸殼，且考慮間隙）三維粘性流動，來分析比較其內部流場，為改進設計提供依據，同時進行優化計算，好中選優，優化目標是在滿足風量和風壓的前提下，效率越高越好；最后通過樣機研制和現場性能試驗來檢驗和修正設計方法并得到高性能產品。這里改進的工程設計方法是數值優化計算和高性能產品設計的基礎，數值模擬是關鍵，其難點是如何使它對風機氣動性能預估能和實測結果吻合。現場性能試驗用來修正設計和改進數值模擬方法。經過這樣多次循環，最后獲得高性能的羅茨風機產品。由于數值模擬是現代設計方法的關鍵和難點，下面再專題敘述。應該指出，這種方法目前只能優化設計和預估羅茨風機氣動性能，不能預估噪聲，這是由于羅茨風機還無法預估噪聲，而本方法中的改進工程設計已考慮到低噪聲風機設計要求，這樣，一般而言，高效率就意味著低噪聲。

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