兩葉與三葉轉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械噪聲和氣動(dòng)噪聲組成，氣動(dòng)噪聲具有強度高、危害大的特點(diǎn)，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。應用FLUENT 軟件動(dòng)態(tài)模擬泵的內部流場(chǎng)，對兩葉、三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行比較，分析氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。同時(shí)對兩種轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進(jìn)行測試，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲明顯低于兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵。
氣冷式羅茨真空泵具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠，能夠在高壓差和高壓縮比下正常運行，縮短大容器的抽空時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應用于大型空間模擬裝置、汽輪機動(dòng)平衡裝置以及化工等各行業(yè)，市場(chǎng)前景廣闊、經(jīng)濟效益顯著(zhù)。但存在著(zhù)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://likelearn.cn/)認為氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲和機械噪聲構成，氣動(dòng)噪聲具有強度高、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(xiàn)轉子氣冷式羅茨真空泵的容積利用系數比兩葉圓弧擺線(xiàn)轉子氣冷式羅茨真空泵高。目前國內氣冷式羅茨真空泵的轉子型線(xiàn)基本上是兩葉寬頭圓弧擺線(xiàn)，采用三葉圓弧擺線(xiàn)型線(xiàn)，可提高抽氣效率。本文應用FLUENT 軟件數值模擬泵的內部流場(chǎng)，對兩葉、三葉圓弧擺線(xiàn)轉子型線(xiàn)氣冷式羅茨真空泵的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，分析氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。
1、計算模型
1.1、基本方程
(1) 連續性方程
(2) 運動(dòng)方程
(3) 能量守恒方程
式中ρ 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，μ 是動(dòng)力粘度，Su,Sv,Sw 是動(dòng)量守恒方程的廣義源項，cp 是比熱容，T 為溫度，k為流體的傳熱系數，ST 為粘性耗散項。
1.2、湍流模型
采用RNG k-ε 湍流模型。k 方程和ε 方程分別為：
式中Gk 是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項。
1.3、數值解法
湍流模型采用RNG k-ε 模型，該模型考慮了平均流動(dòng)中的旋轉及旋流流動(dòng)情況，能夠更好地處理高應變率及流線(xiàn)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，壓力項采用PRESTO! 格式離散, 其余項采用二階迎風(fēng)格式。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)通過(guò)函數定義實(shí)現轉子的轉動(dòng)。壁面附近采用壁面函數法。
1.4、模型建立及網(wǎng)格劃分
根據企業(yè)生產(chǎn)的兩葉、三葉圓弧擺線(xiàn)轉子的LQ300 氣冷式羅茨真空泵建立模型。主要參數有：抽氣速率為300 L/s，中心距180 mm，電機轉速為1490 rpm。由于模型的計算為非定常，計算區域劃分網(wǎng)格的尺寸小，劃分的總體網(wǎng)格數大，計算時(shí)間較長(cháng)，三維模型徑向截面流動(dòng)同二維的流動(dòng)情況基本相同，二維的計算模型已經(jīng)能夠滿(mǎn)足分析流場(chǎng)的需要，因此計算中采用了二維模型。圖1、圖2分別為兩葉、三葉圓弧擺線(xiàn)轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型。
圖1 兩葉轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型
圖2 三葉轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型
為便于計算以及盡量減少網(wǎng)格數量，進(jìn)氣、排氣區域非旋轉區域因為在計算過(guò)程中網(wǎng)格沒(méi)有變化，采用四邊形結構化網(wǎng)格;旋轉流場(chǎng)區域，網(wǎng)格隨時(shí)間變化，為減小不同時(shí)刻網(wǎng)格的扭曲率以及計算的收斂性，采用三角形網(wǎng)格，對于兩葉轉子，整個(gè)流場(chǎng)的初始網(wǎng)格數為168604，網(wǎng)格最大扭曲率為0.447306。對于三葉轉子，整個(gè)流場(chǎng)的初始網(wǎng)格數為115340， 網(wǎng)格最大扭曲率為0.505867。
1.5、邊界條件及初始條件設置
邊界條件設置如下：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壓力值。流動(dòng)介質(zhì)采用空氣，按理想氣體設置屬性，初始化整個(gè)流場(chǎng)。
2、數值模擬結果及分析
2.1、進(jìn)氣噪聲
輸出兩葉轉子、三葉轉子旋轉一周(0.04027S)的進(jìn)氣速率圖，如圖3、圖4 為兩葉轉子、三葉轉子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)。不考慮泵開(kāi)始運轉的不穩定狀態(tài);泵正常運轉后，進(jìn)氣速率脈動(dòng)與轉子的結構相一致。由于轉子旋轉過(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)。兩葉轉子旋轉一周出現四個(gè)完整的脈動(dòng)周期，三葉轉子旋轉一周出現六個(gè)完整的脈動(dòng)周期，與理論預測結果相同。從圖3、圖4 中可以看出，兩葉轉子泵的最大進(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 兩葉轉子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)
圖4 三葉轉子進(jìn)氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)
2.2、排氣噪聲
圖5、圖6 為兩葉轉子、三葉轉子排氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)，從這兩圖中可看出，不論是兩葉還是三葉轉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 兩葉轉子排氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)
圖6 三葉圓弧擺線(xiàn)轉子排氣速率脈動(dòng)曲線(xiàn)
相比之下，三葉轉子的排氣速率脈動(dòng)比兩葉轉子的排氣速率脈動(dòng)要大。這是由于兩葉轉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，工作腔內的氣體壓力與返冷氣均壓后基本達到返冷氣壓力(20000 Pa)時(shí)，再與排氣腔相通，因此排氣平緩。而三葉轉子由于轉子頭部沒(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 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。當三葉轉子繼續轉動(dòng)一定角度轉過(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。工作腔內氣體的壓力基本達到返冷氣口的壓力(如圖8 的左工作腔)，再與排氣腔相通，排氣較平緩。
圖7 兩葉轉子右工作腔與返冷氣口相通的壓力分布
圖8 三葉轉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，與工作腔內的低壓氣體混合，形成渦旋，實(shí)現工作腔內的均壓，同時(shí)產(chǎn)生了渦
流噪聲。不考慮兩葉圓弧擺線(xiàn)轉子與三葉圓弧擺線(xiàn)轉子的容積利用系數差異的影響，兩葉轉子和三葉轉子在相同的中心距和圓弧外徑的條件下，三葉轉子V3 的封閉工作腔容積是兩葉轉子的封閉工作腔容積V2 的2/3，兩葉轉子的返冷氣進(jìn)入工作腔的速率大于三葉轉子的速率，并且兩葉轉子的均壓過(guò)程中產(chǎn)生的氣流沖擊及渦旋強度均大于三葉轉子，如圖9、圖10 所示。渦旋強度越大，產(chǎn)生的渦流噪聲也越大。
圖9 兩葉轉子右工作腔與返冷氣口相通時(shí)的速度分布
圖10 三葉轉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(xiàn)轉子頭部有個(gè)大圓弧密封頭，而三葉圓弧擺線(xiàn)轉子由于結構限制，轉子頭部不能設計成與兩葉轉子這樣的大圓弧密封頭，因此在轉子與轉子、轉子與泵體內壁間隙相同的情況下，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵更容易通過(guò)各種間隙從高壓區向低壓區返流，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、結論
氣冷式羅茨真空泵的主要氣動(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，兩葉轉子的氣冷式羅
茨真空泵要比三葉轉子的氣動(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，雖然兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵比葉轉子的要小，但影響不大。因此，從模擬結果上看，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲比兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的氣動(dòng)噪聲要小。根據真空泵測試標準對抽速為300 L/s三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進(jìn)行測試，測得的噪聲平均值為98.6 dB，而在同樣的測試條件下兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲為104.4 dB，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的降噪效果明顯。
