兩葉與三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵氣動(dòng)噪聲分析

1、兩葉與三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵氣動(dòng)噪聲分析 氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲組成，氣動(dòng)噪聲具有強(qiáng)度高、危害大的特點(diǎn)，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。應(yīng)用FLUENT 軟件動(dòng)態(tài)模擬泵的內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)兩葉、三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的氣動(dòng)噪聲開展比較，分析氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，為設(shè)計(jì)低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。同時(shí)對(duì)兩種轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲開展測(cè)試，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲明顯低于兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵。 氣冷式羅茨真空泵具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作可靠，能夠在高壓差和高壓縮比下正常運(yùn)行，縮短大容器的抽空時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于大型空間模擬裝置、汽輪機(jī)動(dòng)平衡裝置以及化工

2、等各行業(yè)，市場(chǎng)前景廣闊、經(jīng)濟(jì)效益顯著。但存在著噪聲大的缺點(diǎn)，不僅污染了環(huán)境，也惡化了工作條件，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用，因此氣冷式羅茨真空泵的噪聲研究得到了廣泛關(guān)注。真空技術(shù)網(wǎng)(http:/)認(rèn)為氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲構(gòu)成，氣動(dòng)噪聲具有強(qiáng)度高、危害大的特點(diǎn)，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。氣動(dòng)噪聲主要由氣體脈動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和紊流產(chǎn)生的渦流噪聲組成。 在中心距和外圓半徑相同的條件下，三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的容積利用系數(shù)比兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵高。目前國(guó)內(nèi)氣冷式羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子型線基本上是兩葉寬頭圓弧擺線，采用三葉圓弧擺線型線，可提高抽氣效率。本文應(yīng)用FLU

3、ENT 軟件數(shù)值模擬泵的內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子型線氣冷式羅茨真空泵的氣動(dòng)噪聲開展研究，分析氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，為設(shè)計(jì)低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。 1、計(jì)算模型 1.1、基本方程 (1) 連續(xù)性方程 (2) 運(yùn)動(dòng)方程 (3) 能量守恒方程 式中 是密度，t 是時(shí)間，ui 是速度矢量，u、v、w是速度矢量ui 在x、y、z 方向的分量。p 是流體微單元體上的壓力， 是動(dòng)力粘度，Su,Sv,Sw 是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)，cp 是比熱容，T 為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST 為粘性耗散項(xiàng)。 1.2、湍流模型 采用RNG k- 湍流模型。k 方程和 方程分別為： 式中Gk 是由于平均

4、速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。 1.3、數(shù)值解法 湍流模型采用RNG k- 模型，該模型考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況，能夠更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。采用有限體積法求解, 壓力速度耦合方程采用PISO算法求解，壓力項(xiàng)采用PRESTO! 格式離散, 其余項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)通過(guò)函數(shù)定義實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。壁面附近采用壁面函數(shù)法。 1.4、模型建立及網(wǎng)格劃分 根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的LQ300 氣冷式羅茨真空泵建立模型。主要參數(shù)有：抽氣速率為300 L/s，中心距180 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1490 rpm。由于模型的計(jì)算為非定常，計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格的尺

5、寸小，劃分的總體網(wǎng)格數(shù)大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，三維模型徑向截面流動(dòng)同二維的流動(dòng)情況基本相同，二維的計(jì)算模型已經(jīng)能夠滿足分析流場(chǎng)的需要，因此計(jì)算中采用了二維模型。圖1、圖2分別為兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型。 圖1 兩葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型 圖2 三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型 為便于計(jì)算以及盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)氣、排氣區(qū)域非旋轉(zhuǎn)區(qū)域因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中網(wǎng)格沒(méi)有變化，采用四邊形構(gòu)造化網(wǎng)格;旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)區(qū)域，網(wǎng)格隨時(shí)間變化，為減小不同時(shí)刻網(wǎng)格的扭曲率以及計(jì)算的收斂性，采用三角形網(wǎng)格，對(duì)于兩葉轉(zhuǎn)子，整個(gè)流場(chǎng)的初始網(wǎng)格數(shù)為168604，網(wǎng)格最大扭曲率為0.447306。對(duì)于三

6、葉轉(zhuǎn)子，整個(gè)流場(chǎng)的初始網(wǎng)格數(shù)為115340， 網(wǎng)格最大扭曲率為0.505867。 1.5、邊界條件及初始條件設(shè)置 邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)氣壓力為5000 Pa，進(jìn)氣溫度為20，排氣壓力為20000 Pa，排氣溫度為140。左右兩返冷氣壓力為20000 Pa，溫度為30。上述所采用的壓力均為絕對(duì)壓力值。流動(dòng)介質(zhì)采用空氣，按理想氣體設(shè)置屬性，初始化整個(gè)流場(chǎng)。 2、數(shù)值模擬結(jié)果及分析 2.1、進(jìn)氣噪聲 輸出兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周(0.04027S)的進(jìn)氣速率圖，如圖3、圖4 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線。不考慮泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定狀態(tài);泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)氣速率脈動(dòng)與轉(zhuǎn)子的構(gòu)造相一致。由于轉(zhuǎn)子旋

7、轉(zhuǎn)過(guò)程中，進(jìn)排氣腔容積不斷發(fā)生由大變小、再由小變大的周期變化，氣體受到周期性擾動(dòng)，引起速率波動(dòng)。兩葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)四個(gè)完整的脈動(dòng)周期，三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)六個(gè)完整的脈動(dòng)周期，與理論預(yù)測(cè)結(jié)果相同。從圖3、圖4 中可以看出，兩葉轉(zhuǎn)子泵的最大進(jìn)氣瞬時(shí)速率為1400 L/s，最小進(jìn)氣瞬時(shí)速率為100 L/s，波動(dòng)幅度較大。三葉轉(zhuǎn)子泵的最大進(jìn)氣瞬時(shí)速率為1000 L/s，最小進(jìn)氣瞬時(shí)速率為100 L/s。兩者相比之下，兩葉轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣速率脈動(dòng)比三葉的大的多。脈動(dòng)越大，進(jìn)氣氣動(dòng)噪聲越大。 圖3 兩葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線 圖4 三葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線 2.2、排氣噪聲 圖5、圖6 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子排氣

8、速率脈動(dòng)曲線，從這兩圖中可看出，不管是兩葉還是三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵，與各自的進(jìn)氣速率脈動(dòng)相比，排氣脈動(dòng)小，排氣狀況較好。 圖5 兩葉轉(zhuǎn)子排氣速率脈動(dòng)曲線 圖6 三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子排氣速率脈動(dòng)曲線 相比之下，三葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動(dòng)比兩葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動(dòng)要大。這是由于兩葉轉(zhuǎn)子頭部有大圓弧密封，工作腔與返冷氣口相通時(shí)，與排氣腔是隔離的，如圖7。這樣，工作腔內(nèi)的氣體壓力與返冷氣均壓后基本到達(dá)返冷氣壓力(20000 Pa)時(shí)，再與排氣腔相通，因此排氣平緩。而三葉轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子頭部沒(méi)有大圓弧密封頭,如圖8，工作腔同時(shí)與返冷氣口、排氣腔相通，排氣腔的高壓氣體(壓力20000 Pa)向工作腔(壓力7000

9、Pa)快速返流，使氣流受到?jīng)_擊與壓縮形成脈動(dòng)，因此排氣速率脈動(dòng)較大。當(dāng)三葉轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度轉(zhuǎn)過(guò)返冷氣口的位置時(shí)，工作腔才與返冷氣口相通并與排氣腔隔離。工作腔內(nèi)氣體的壓力基本到達(dá)返冷氣口的壓力(如圖8 的左工作腔)，再與排氣腔相通，排氣較平緩。 圖7 兩葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通的壓力分布 圖8 三葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口、排氣腔相通的壓力分布 2.3、工作腔與返冷氣口相通均壓過(guò)程產(chǎn)生的噪聲 當(dāng)工作腔與返冷氣口相通時(shí)，高壓返冷氣體高速流入工作腔，與工作腔內(nèi)的低壓氣體混合，形成渦旋，實(shí)現(xiàn)工作腔內(nèi)的均壓，同時(shí)產(chǎn)生了渦 流噪聲。不考慮兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子與三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的容積利用系數(shù)差異的影響，兩

10、葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子在相同的中心距和圓弧外徑的條件下，三葉轉(zhuǎn)子V3 的封閉工作腔容積是兩葉轉(zhuǎn)子的封閉工作腔容積V2 的2/3，兩葉轉(zhuǎn)子的返冷氣進(jìn)入工作腔的速率大于三葉轉(zhuǎn)子的速率，并且兩葉轉(zhuǎn)子的均壓過(guò)程中產(chǎn)生的氣流沖擊及渦旋強(qiáng)度均大于三葉轉(zhuǎn)子，如圖9、圖10 所示。渦旋強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的渦流噪聲也越大。 圖9 兩葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時(shí)的速度分布 圖10 三葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時(shí)的速度分布 2.4、間隙泄漏產(chǎn)生的噪聲 兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子頭部有個(gè)大圓弧密封頭，而三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子由于構(gòu)造限制，轉(zhuǎn)子頭部不能設(shè)計(jì)成與兩葉轉(zhuǎn)子這樣的大圓弧密封頭，因此在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體內(nèi)壁間隙相同的情況下，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵更容易通過(guò)各種間隙從高壓區(qū)向低壓區(qū)返流，不僅產(chǎn)生較大的氣動(dòng)噪聲，而且降低泵的極限真空度。 3、結(jié)論 氣冷式羅茨真空泵的主要?dú)鈩?dòng)噪聲并非主要來(lái)自排氣腔處氣流的周期性脈動(dòng)，而是來(lái)自進(jìn)氣腔處氣流的周期性脈動(dòng)、工作腔與返冷氣口相通均壓過(guò)程及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。進(jìn)氣腔處氣流的周期性脈動(dòng)及工作腔與返冷氣口相通均壓過(guò)程產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅 茨真空泵要比三葉轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)噪聲要大;而排氣腔處氣流的周期性脈動(dòng)及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，雖然兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵比葉轉(zhuǎn)子的要小，但影響