回流槽结构对罗茨泵内部流动及噪声特性影响研究

作     者：邢文帅 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张帆

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：罗茨泵 回流槽 压力脉动 涡流 气动噪声 

摘      要：罗茨泵是一种双转子容积式泵,具有结构简单、易损件少、动力平衡性好、高转速运行、容积效率高、以及强制输送等特征。因此,罗茨泵广泛应用于电力、冶炼、石油、化工等领域大抽速工作场合。此外,由于罗茨泵真空度大的特点,可以用于大抽速工作场合,因此罗茨泵可作为救援车上的核心抽吸动力装备。但罗茨泵存在转子设计建模流程繁琐、排气口压力脉动大、噪声高等问题。据此,本文针对转子型线建模、压力脉动、噪声等问题进行了相关研究工作,主要内容如下:(1)通过MATLAB软件基于罗茨转子型线方程对常用转子型线进行参数化集成,将传统的测绘或三维软件手动输入参数方程简化为模块计算并对转子的啮合情况进行分析,提高转子型线建模、优化的速度和准确性。输出的点文件可在UG等三维软件对转子进行快速建模。基于Workbench平台对生成的罗茨转子进行模态分析和临界转速计算,对转子特性进行研究。分析了对转子前六阶的固有频率、振动形态和振幅,计算所得转子的一阶固有频率为144.97Hz,远高于其基频80Hz,在工况转速下不会发生低频振动;计算转子的临界转速为9375r/min,远远大于工作转速,符合动力学设计要求。(2)采用Pumplinx对罗茨泵进行全流场数值计算,分别探究了矩形槽和弧形槽结构对罗茨泵内部流场的影响,尤其对出口压力脉动和流量的影响;其中,矩形槽控制角度和厚度两个参数,弧形槽控制贝塞尔曲线关键点坐标。结果表明不同回流槽结构均对进口一侧流态改善效果不明显,但可以很好地降低排气压力脉动、流量脉动以及排气段涡流。矩形槽对压力及流量脉动优化效果优于弧形槽,但流量损失高于弧形槽。(3)通过Tecplot软件对比了Q准则和Omega准则在表征罗茨泵内流场涡结构时的利弊,对于罗茨泵而言,Omega准则对强弱涡的获取更完整、清晰、连续。本文研究结果可为研究罗茨泵气流脉动、涡流分析和壳体结构设计优化提供依据。在罗茨泵中,使用Omega准则时,ε取0.001时获取涡流的效果较好,获取得到的罗茨泵涡流产生部位主要在于转子边缘以及出口段;添加回流槽后,在出口侧大型涡的数量减少,但在回流槽处,小型涡流增加,整体而言,涡情况有较大改善。(4)通过Actran软件对罗茨泵气动噪声进行分析,从管道气动噪声和气动噪声远场辐射两个方面进行研究,并与优化模型进行对比。发现罗茨泵气动噪声具有明显的偶极子特性,噪声峰值在基频和倍频处,低频呈现离散性,中高频存在宽谱性;回流槽结构对气动噪声的优化效果在中高频处更好,主要改善涡流噪声。(5)通过搭建试验平台对罗茨泵进行性能测试,主要对罗茨泵的流量、排气温度、进气压力、轴功率、振动和噪声等参数进行了监测。其中对排气温度、轴功率的数值模拟,理论计算和试验测试数据进行对比分析,误差范围不大,验证了模拟的准确性。对噪声、振动数据进行采集并进行分析,对比了不同转速下,不同真空度对振动强度的影响。