低噪声罗茨鼓风机的一体化设计与制造*

熊维德

(四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000)

低噪声罗茨鼓风机的一体化设计与制造*

熊维德

(四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000)

针对罗茨鼓风机噪声大的缺陷，运用结构优化设计理论，提出将消声功能嵌入罗茨机壳体的理念。采用在噪声产生源头着手控制的方法，使旋转噪声、涡流噪声得到控制，结构噪声得到遏制，比现有同流量、同压力罗茨机噪声低15～25 dB(A)；比同等参数现有罗茨机系统缩小了体积，降低了安装受限条件。

旋转噪声；涡流噪声；结构噪声；嵌入壳体；一体化

0 引 言

罗茨鼓风机(下称罗茨机)输出流量大，升压高，当压力在允许范围内调节时流量变化甚微，压力选择范围宽，容易实现高速化，运转平稳，性能稳定，输送效率高，机械强度大，使用寿命长，越来越受用户青睐。但由于罗茨机结构的原因，噪声居各类鼓风机之首。为了降低噪声，工程师们在罗茨机进出风口处分别安装消声器。若把鼓风机和消声器看成一个系统，进出风口消声器的体积约占系统总体积的3/5；它不仅体积庞大，安装场地受限，而且成本高，降噪效果有限。

近年来，风机行业科学家们把罗茨机降噪作为行业内重中之重，全力以赴攻克噪声难关。如将二叶轮改成三叶轮，直叶轮改为扭叶轮，叶轮轮廓线改为园弧、摆线、渐开线的优化复合曲线；改变进出风口口径，改变几何形状，设置螺旋形气流接口，设置缓冲变径区间，添加回流槽等等。通过这些措施虽然噪声得到一定程度的缓解，但仍居各类鼓风机之首。据中国大陆各生产厂家、台湾及日本在大陆销售的厂家2011年书面销售资料，和网络查询其它国家销售资料介绍，罗茨机噪声为70～100 dB(A)(据输出流量和压力的不同而不同)，特大型机甚至达到120 dB(A)。

[3]我从现在开始努力生活当您们的好女儿吧，我还{CJX}年纪[B级]小{CC少}，经验也很少{CC泛}。

经多方咨询得知，各生产厂家产品说明书上标注的噪声数据均为安装消声器后的出厂数据。若不安装消声器，保守估计噪声还要增加30～40 dB(A)，故有人戏称罗茨机为“声老虎”。罗茨机降噪已成为风机行业当今世界难题之一。

1 罗茨机噪声产生的原因分析

罗茨机噪声有机械噪声(由机械转动和传动引起的噪声)、空气动力噪声(通过风管辐射的噪声)及结构噪声(机械振动沿固体构件传播的声音)。越是设计制造精良的罗茨机，空气动力噪声在全部噪声中占的比例越大；机械噪声通过多少代科学家的努力，该项技术已基本掌握；空气动力噪声是目前正在攻克的难关；结构噪声已引起学者们的高度关注。空气动力噪声可分解为流体动力部分和噪声部分。罗茨机就是利用流体动力所产生的动能来迫使空气流动，达到排风的目的。另一方面，空气在流动时与叶轮和壳体必然要冲击，产生摩擦接触，必然产生噪声，这是人们不得不接受的现实。罗茨机空气动力噪声主要有旋转噪声和涡流噪声[2]，这两种噪声和风机壳体结构有着密切的关系[3]。

罗茨机叶轮在旋转过程中,周期地拍击空气质点,气体受叶轮作用时,速度、方向、压力发生急剧的变化,不均匀气流作用于周围介质造成压力脉动。当风机叶轮逐个扫过进气口与排气口时，气体受到周期性扰动，引起压力脉动。对三叶轮罗茨机而言，叶轮每转动一周，两只叶轮进行三次吸气和排气，产生六次脉动。为避免叶轮工作时温度升高导致热膨胀，造成与壳体之间摩擦阻力增大乃至产生火花甚至卡壳(笔者现场见过因卡壳而导致叶轮被搅碎的罗茨机)，设计时叶轮与壳体内壁及两叶轮之间始终保持微小的间隙，现在工厂在出厂前要对两叶轮之间的间隙、叶轮与壳体内壁之间的间隙进行专项检验和调校。但这样它会使叶轮顶部到达排风口的一瞬间，排风侧的部分高压气体通过间隙向壳体内逆流，这些回流气体伴随着巨大的压强变化而产生脉动。以上几种原因形成的气动噪声统称为旋转噪声。

旋转噪声是以偶极子[4]声辐射为特征，频带较窄，具有很强的周期性。它由N次谐波叠加而成,频率由式(1)计算。

(1)

式中:n为主轴转速，r/ min；z为叶轮的叶数；i=1,2,3……为谐波次数；fs1为基频,……,fsi为第i次谐波……。

不考虑蒸汽侧流量偏差，造成过热汽温偏差的主要原因包括烟气流速不均和烟气温度不均。对于四角切圆锅炉，炉膛出口普遍存在“烟气残余旋转”，A厂锅炉燃烧器假想切圆方向为顺时针，炉膛上部水平烟道A侧烟气残余旋转方向与引风机吸力方向一致，烟气流速较快；B侧的烟气旋转方向与引风机吸力方向相反，烟气流速低且紊流程度大，由此在烟道A、B两侧形成较大的速度偏差。

旋转噪声频谱特性如图1所示。由图1可看出，旋转噪声的声压级在频率域上为离散[5]的线状谱；基频Fs1声压级最大,谐波声压级随谐波次数的增加而逐渐降低。

图1 旋转噪声频谱特性示意图

罗茨机涡流噪声主要是由于气流流经叶轮时,产生紊流附面层及旋涡与旋涡分裂脱体,而引起压力脉动造成的。因气流流经障碍物时,由于空气分子粘滞摩擦力影响,具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用,就在障碍物下游区域形成带有涡旋的气流,这些涡旋不断形成又不断脱落,每个涡旋中心的压强低于周围介质的压强,每当一个涡旋脱落时,湍动气流中就出现一次压强跳变。这些跳变的压强通过四周介质向外传播,并作用于障碍物。当湍动气流压强脉动的频率在20 Hz～20 kHz,且响度级在人耳听力阈值0 Phon以上时,则能听到所辐射的噪声。涡流噪声是以四极子[6]声辐射为特征，其频率为:

(2)

式中:k为斯特劳哈系数,它在0.14～0.20之间,常取0.185；v为气体与转子的相对速度，m/s；t为物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影,m；i=1,2,3……为谐波次数。

由式(2) 可知,鼓风机的涡流噪声频率主要与气流和转子的相对速度v有关,而v又与转子的圆周速度有关,由于圆周速度是随着叶轮各点到转轴轴心距离而连续变化的，因此，鼓风机涡流噪声是一种宽频带的连续谱，各频率点对应的声压级脉动变化不大。如图2所示。

图2 涡流噪声频谱特性示意图

罗茨机壳体内部空间较小，壳体与噪声源的耦合作用相当强。若壳体设计不当，由于声源强耦合到达壳体，这时壳体成了新的噪声源，反而会向壳体外部周围辐射更多的噪声，使壳体的插入损失成为负值[7]。因壳体一般由匀质、密实的铸铁构成，硬度较大，对声波几乎没有吸收作用，并且能约束声波使它在有限的空间内传播。结构声通过壳体表面的振动会辐射出再生的空气声，与原始的空气声相比，结构声形成的再生噪声更难控制。

图3中的阴影部分，即在金属穿孔板DIJ弧和壳体表面HKL弧之间的空腔，填充多孔吸声材料玻璃棉或岩棉。

2 罗茨机噪声的解决方案

笔者运用结构优化设计理论，提出并设计了低噪声一体化罗茨机，从噪声产生的源头出发，把消声功能嵌入壳体中，结构如图3所示。图3中左右两边完全对称，故以下只叙述左边部分，右边部分不赘述。

在壳体内壁，图3中ABD弧为金属薄板(以下简称薄板)，壳体外表面EFH弧和隔板BF、CG、DH同为铸铁浇铸，薄板ABD弧固定在隔板BF、CG、DH上。隔板BF、CG、DH起龙骨的支撑作用，它使薄板和壳体外表面之间形成吸声空腔。保证叶轮顶部在叶轮转动过程中，每个不同位置与薄板间有微小的等间距的限位作用。作为内肋条，起到加强筋的作用，用以提高刚度，减小动态形变，减少吻合效应影响的作用。减小大空腔造成的轴向波效应。MN和NO等结构起到改善应力分布，增大机械强度的作用。

图3 低噪声一体化罗茨鼓风机壳体示意图

当鼓风机工作时，空气流动形成动力噪声，噪声的本质是振动，和空气紧密接触的薄板ABD弧在噪声的作用下也随之振动，使声能转变为动能。此时薄板的动能T为：

其实，沈侯对喜欢的功课学得挺好，比如线性代数、微积分就考得不错，七八十分，在全院是中游，可他憎恶死记硬背，碰上经济法这种全都要靠背的课，就会很惨。

(3)

语言的学习在最开始的阶段，经常会通过歌谣的形式来让学生更好地掌握语言。在我们小时候学习汉语时，也接触到了很多的歌谣，这些歌谣朗朗上口，让我们熟记于心，不知不觉就掌握了很多语言的语法内容。在英语的学习中也是如此，英语国家也有很多的歌谣，教师可以将这些歌谣融合到课堂教学中来。同时，为了更好地学习语法，教师也可以自己创编歌谣，通过一些韵律感强的歌，让学生掌握语法的知识，起到更强的学习效果。所以，教师在平时要善于收集整理，将英语国家非常流行的一些英文歌谣，纳入到自己的课程体系中来，并且对学生进行科学的讲解，让他们掌握这些歌谣的内涵，同时让他们在课下的时间记忆和背诵，这样就可以很好的提升教学的效果。

(4)

由图2a可知：3417.82 cm-1νOH、3076.8 cm-1ν=C-H、1633.69 cm-1νC=C、1273.00 cm-1ν=C-O，表明20%vol酒的致浊物中可能含有酚类化合物；2939.48 cm-1νasC-H、2864.26 cm-1νsC-H和1423.45 cm-1δCH吸收峰以及在波数高于1633.69 cm-1处吸收峰与其重叠致使1633.69 cm-1不对称峰形表明，致浊物中可能含有蛋白质类和高级脂肪酸酯类化合物。结果表明，低度酒的致浊物可能是蛋白质与酚类化合物缔合[28]，并混有少量高级脂肪酸酯类化合物。

根据能量转换与守恒定律，此热能源于声能，故起到消耗声能，达到吸收声能的作用。由金属薄板的刚度、密度等物理特性可知，低频声波比高频声波更容易激发起薄板振动，因此其主要吸声频带在低频。在现有鼓风机噪声控制中，恰恰是低频最难控制，这正是我们梦寐以求的。薄板ABD弧和壳体外表面EFH弧之间的空腔充满了空气，薄板ABD弧振动时会使紧密接触的空腔中的空气受迫振动。当薄板上作用角频率为ω的简谐激励力F(x,y)时,空腔中的空气接收到薄板的声辐射功率[8]W为:

2.1 ABD弧段薄板共振吸声结构

(5)

式中:ρ0为空气密度，kg/m3；c为空气中的声速，m/s；ρA为薄板的面密度，kg/m2；D为薄板后空腔的深度，m；K为结构的刚度因素，kg/m2·s2。

(6)

式中:E为薄板材料的弹性模量，N/m2；μ为泊松比。

式中:c为空气中的声速，m/s；D为穿孔板后空腔的深度，m；t为穿孔板厚度，m；δ为孔颈颈口末段修正量，m；P为穿孔率，即穿孔面积与穿孔板的总面积之比。调节穿孔板厚度和穿孔率孔径可调节吸声频率。

(7)

共振时系统振幅达到最大，吸声系数达到最大，吸声量达到最大。在峰值点两旁吸声系数逐渐降低，吸声能力逐渐减弱。薄板共振吸声结构的吸声特性如图4所示。

图4 薄板共振吸声结构的吸声特性示意图

式中:αnm为薄板面积；ωnm为薄板在不同媒质中的特征频率；mp是薄板的面密度；αnm为模态位移系数(各个模态的广义坐标)；Fnm为简谐激励力按模态振型函数展开后模态简谐激励力系数。由于空气的粘滞阻力和空气分子的摩擦，声能转化为热能而被消耗，达到吸声的目的。

结构刚度因素K与板的弹性、龙骨的布置情况有关。对于边长为a和b，厚度为h的矩形简单支称薄板，K可写成为:

(8)

板材在一般构造条件下，通常K为1×106～3×106kg/(m2·s2)。当薄板的刚度因素K较小，而且空腔深度D与声波频率所对应的波长相比很小时，式(5)根号内第2项比第1项小得多，这时可近似得到：

综上所述，在罗茨机壳体内部若没有消声措施，壳体的隔声作用甚微，隔声效果大打折扣，这是现有罗茨机噪声大的重要原因。因此，笔者提出罗茨机壳体不仅是个隔声体，更需要的是一个消声体。

2.2 DIJ弧段阻抗复合吸声系统

对多孔吸声材料，空气流阻过大过小都不能获得最佳吸声性能。孔隙率、材料厚度、材料密度对吸声性能也有较大影响。

空腔内填充的多孔吸声材料和抗性吸声结构一起构成一个阻抗复合吸声系统。多孔吸声材料主要吸收中高频噪声，抗性结构主要吸收低中频噪声，这样可优势互补，达到展宽吸收噪声频带的目的，阻抗复合吸声系统的吸声特性如图5所示。

图5 阻抗复合吸声系统的吸声特性示意图

在阻抗复合吸声系统中，穿孔率的选取至关重要。若穿孔率大于20%，穿孔板变成了护面板，此时抗性功能不能有效发挥，阻性占主导地位，阻抗吸声变成了近阻性吸声。若穿孔率过低，高频声阻较大，阻性功能不能有效发挥，高频吸声量降低，阻抗吸声变成了近抗性吸声。因此，穿孔率选取应两者兼顾，使其达到最佳效果。多孔吸声材料和共振吸声结构之间一定要阻抗匹配，否则，不能达到最大吸声量。

(二)社会化。唯物辩证法告诉我们：矛盾无处不在，无时不有。我国现阶段的主要矛盾是人民内部矛盾，涉及经济社会生活各方面和改革发展稳定各领域。正确处理人民内部矛盾是我国政治生活中的一件大事。“枫桥经验”诞生于农村，发源于公安，肇始于化解矛盾，并在化解矛盾的实践中不断得到坚持和发展。其源于公安工作却跨越到综合治理、维护稳定，源于农村却拓展到城市、企业、学校等各个层面，源于化解阶级矛盾却发展成为正确处理社会各领域矛盾的经验。预防、化解矛盾这个“枫桥经验”的基本精神始终没有改变，在当前及今后相当长时间内仍具有普遍的指导意义。

由ABD弧段薄板共振吸声结构和DIJ弧段阻抗复合吸声系统组成罗茨机壳体内并联吸声大系统，薄板共振吸声结构主要吸收特低频，阻抗复合吸声系统主要吸收低中高频，这使整个音频范围内噪声都能得到有效控制。

3 结 论

笔者提出并设计的低噪声一体化罗茨机的特点如下：

当地优势资源容易得到充分挖掘。农村当地优势资源主要是基础性生产要素，如独具特色的地质地貌、历史人物、宗教圣地、传统工艺及民俗风情等自然资源与文人资源，农民工返乡创业集群通过有形和无形的合约推动技术进步、金融互助、生产销售和服务联合等，实现优势资源的有效整合，打造集群的竞争优势，从而以点带面带动整个区域产业集群全面发展。

正说着，布莱德先生回来了。他说：“很抱歉，但是没有办法。南希去世了，就在刚才。我到了她的床边，她很平静。”

(2) 若把鼓风机和消声器看作一个系统，在噪声、流量、压力等参数相同的前提下，它比现有罗茨机系统缩小了体积，节约了空间，降低了安装受限条件，节约了成本，提高了效益。

[1] 毛东兴，洪宗辉.环境噪声控制工程[M].第二版.北京：高等教育出版社,2010.

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Integrated Design and Manufacture for Low Noise Roots Blower

XIONG Wei-de

(CollegeofPhysicsandElectromechanicalEngineering,SichuanUniversityofArtsandScience,DazhouSichuan635000,China)

For the big noise defects in roots blower, it is proposed to integrate noise-elimination function into the blower according to the design theory of structural optimization. It adopts the controlling method when the noises are caused at an early stage, which makes the rotating noise, vortex noises controlled, and the structural noise diminished. Only in terms of blower, the noise is 15～25dB(A) and is lower than the current ones, which are the same flow, the same pressure. It reduced the volume of blower system which are the same specifications and lowered the restricting condition of installation.

rotating noise; vortex noise; structural noise; inserting into the shell; integration

2014-02-21

四川省教育厅自然科学基金资助项目(编号：2008ZA134)

熊维德(1955-)，男，四川邻水人，高级实验师，主要从事电声学、噪声与振动控制的教学与研究方面的工作。

TS914.51

A

1007-4414(2014)02-0132-04