羅茨風(fēng)機(jī)噪音模型優(yōu)化

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場(chǎng)好評(píng)和認(rèn)可。

羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且是擴(kuò)壓流動(dòng)，很易引起嚴(yán)重的分離流，同時(shí)又有動(dòng)、靜部件，不僅是不定常流，而且動(dòng)、靜部件間的間隙又產(chǎn)生二次流，所以風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的不定常三維流動(dòng)，數(shù)值模擬十分困難。限于目前計(jì)算條件，工程上對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值模擬均按準(zhǔn)定常計(jì)算，且多采用相對(duì)簡(jiǎn)單、但很流行的湍流模型計(jì)算，但模型只適合于小分離流，也不能正確定量流動(dòng)細(xì)節(jié)，但根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于氣動(dòng)力設(shè)計(jì)良好的羅茨風(fēng)機(jī)，在設(shè)計(jì)工況附近，用湍流模型和準(zhǔn)定常處理，對(duì)于風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能的數(shù)值預(yù)估是完全可以做到和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好。另一方面，由于有了很多的關(guān)于風(fēng)機(jī)三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過去按一維、二維理想流的工程設(shè)計(jì)中的一些重要的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（也可稱為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則），其中許多需要修改。以羅茨風(fēng)機(jī)而論，例如按Eck理論，最佳氣流進(jìn)口角為35.4°，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮有攻角，所以一般設(shè)計(jì)葉片幾何進(jìn)口角為37°～38°，實(shí)際上，按數(shù)值優(yōu)化結(jié)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(bǔ)救，但數(shù)值優(yōu)化結(jié)果是葉片幾何出口角到一定數(shù)值（如81°）后再增大，全壓反而會(huì)下降；又如Eck認(rèn)為進(jìn)口加速系數(shù)應(yīng)大于1，這樣葉輪進(jìn)口是加速流動(dòng)，可減少進(jìn)口分離，后來我們認(rèn)為減少葉輪進(jìn)口流動(dòng)速度能改善葉輪流動(dòng)，所以按經(jīng)驗(yàn)，建議可取0.7~0.8，實(shí)際上按數(shù)值優(yōu)化可小到0.6；其它還有一些準(zhǔn)則也應(yīng)該改變，這里不能一一而論。這些參數(shù)的變化，對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)力圖改變很大，對(duì)氣動(dòng)性能影響也很大，所以原有的工程方法需要改進(jìn)。當(dāng)然改進(jìn)內(nèi)容還應(yīng)包括葉片流道的流型選取和提出新的結(jié)構(gòu)等。如我們利用航空上吹氣邊界層控制原理，提出長(zhǎng)短葉片開縫結(jié)構(gòu)，縫隙大于10mm，可確保縫隙不會(huì)堵塞，這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展羅茨風(fēng)機(jī)工作的高效區(qū)，大大改善非設(shè)計(jì)工況性能。所有這些在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中稱為改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法。所以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法內(nèi)容是：首先根據(jù)改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法給出綜合性能較好的風(fēng)機(jī)通道型線；然后數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)整機(jī)（包括進(jìn)風(fēng)口－葉輪－蝸殼，且考慮間隙）三維粘性流動(dòng)，來分析比較其內(nèi)部流場(chǎng)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，好中選優(yōu)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的前提下，效率越高越好；最后通過樣機(jī)研制和現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)來檢驗(yàn)和修正設(shè)計(jì)方法并得到高性能產(chǎn)品。這里改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法是數(shù)值優(yōu)化計(jì)算和高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，數(shù)值模擬是關(guān)鍵，其難點(diǎn)是如何使它對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)估能和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)用來修正設(shè)計(jì)和改進(jìn)數(shù)值模擬方法。經(jīng)過這樣多次循環(huán)，最后獲得高性能的羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。由于數(shù)值模擬是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)，下面再專題敘述。應(yīng)該指出，這種方法目前只能優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)估羅茨風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能，不能預(yù)估噪聲，這是由于羅茨風(fēng)機(jī)還無法預(yù)估噪聲，而本方法中的改進(jìn)工程設(shè)計(jì)已考慮到低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，這樣，一般而言，高效率就意味著低噪聲。

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