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罗茨鼓风机_四叶罗茨风机
时间:21-01-01  来源:万豪原创

四叶罗茨风机:网络技术模拟下的四叶罗茨鼓风机非稳态流动

  原标题:网络技术模拟下的四叶罗茨鼓风机非稳态流动

  罗茨鼓风机属容积式风机,是一种典型的气体增压与输送机械产品,广泛应用于石油、化工、纺织、食品、造纸、水产养殖、电镀、建材、冶炼、矿山、电力等产业。

  在化工、石油行业中,罗茨鼓风机为作业中的物理过程和化学过程提供反应气体的作用,如氧化碳、氢气、氧气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷、煤气等。除此之外,罗茨鼓风机也属于真空设备,用于粉体谷物颗粒输送、集尘、力口工物吸着保持、浓缩空气干燥、脱水等领域。

  罗茨鼓风机主要有二叶和三叶风机二类,目前三叶罗茨鼓风机比较常用。在风机领域,市面上的四叶罗茨鼓风机比较少见,与二叶、三叶罗茨风机相比,四叶罗茨鼓风机更具稳定性、性能可靠、工作效率高、能耗低、噪音小等,因此国内不少风机生产厂家开始引进生产四叶罗茨鼓风机。

  随着互联网时代的高速发展,运用计算机对叶轮机械内部实际流动进行数据模拟其流动状况也成为一种新手段。运用动网格技术,采用气体流动控制方程方程和标准k一 e湍流模型,对四叶罗茨风机内部流场进行数值模拟。

  罗茨鼓风机两叶轮在旋转过程中相互啮合,致使风机内部的流动情况特别复杂。国内对于罗茨风机数值模拟很少,一般采用稳态的简化模型。罗茨鼓风机随着转子转动流体空间变化很大,这些简化方法无法满足实际要求,必须使用难度较大的动网格技术进行模拟。

  1气体流动的控制方程

  罗茨风机内气体视为可压缩理想气体,其工作过程属于流动与传热的耦合问题,满足下列的连续性方程、动量方程、能量方程及气体状态方程,湍流模型采用工程中最常用的标准k一嘴型。

  其中P为气体密度,运动粘性系数,为气体比热,X为分子导热系数,R为气体常数,Bi为体积力。

  2计算方法

  2.1研究对象及操作条件

  选取如下图所示的四叶罗茨风机作为研究对象。转子的转速n=1500rpm,则旋转周期为T=0.04s ,选取时间步长△t=0.0025T。设置进出口为压力边界条件,环境温度及固体边界温度设为恒温25°C。

  2.2物理模型的简化

  由于罗茨风机三维模型可以由二维模型轴向延伸得到,二维计算模型已能满足分析流场的需求。另外本文为非定常计算,花费的时间较长,划分的总体网格数大,所以计算中采用了二维模型。

  2. 3动网格的实现

  由于罗茨型风机进排气容积呈周期性变化,计算域与网格随时间的变形和位移十分显著,现有的cro技术只有动网格才能实现这种状况下的动态模拟。本文采用局部网格再生成和弹性光滑模型来实现动网格以适应实际流场的需要。选取图1中从进气口到排气口的流动空间作为计算域,采用三角形非结构化动网格。局部网格再生成模型用于确定时间步长改变后哪些 网格被重新划分。在进行下一个时间步迭代之前,重新检查网格的尺度和扭曲率,当网格的尺寸大于或小于设定尺寸,网格畸变率大于系统畸变率标准,则进行网格再生成。通过编制 或自定义函数(UDF)对转子的旋转运动参数进行定义,控制其运动大小方向。计算域的初始网格是比较规则均匀的网格(如图2(a)>随着时间的变化,网格因变形与重组也不断发生变 化,如图 2(a)( b) ( c) ( d)。

  2.4数值解法

  计算中采用有限体积法求解,压力项用PRESIO格式离散,扩散项用中心差分格式离散,其余项用二阶迎风格式离散,压力速度耦合方程采用PISO算法求解。

  3计算结果及分析

  3.1流量变化规律

  图3给出了四叶罗茨风机进气口质量流量随时间的变化曲线,排气口质量流量与进口完全对应。由图3可见,风机在经历了一段启动时间(约T/8 )后,气体质量流量(在0. 049?0. 053 kg/范围内)随时间作规则的周期变化,即流动进入了相对稳定的阶段。在一个转子旋转周期T内,流量随时间出现8次谐波变化,频率正好是罗茨风机叶片数的一倍,这是两个转子交互作用所产生的结果。与三叶罗茨风机相比,四叶罗茨风机流量变化显得较为平稳,波动幅度也有所减小。

  3. 2流场分布

  图4给出四叶罗茨风机流场分布随时间的变化,流速在0? 20 m/范围内变化,其中θ表示左侧转子的转角位置。图4的4 个流场分别对应于图3的4个典型时刻。由图3、图4可见,θ=0°和θ=45°商个时刻,进排气口流量最小,整个风机内流速较低。θ=22.5°和θ=6.75°商个时刻,进排气口流量达到最大值,整个风机内流速较高。流量流场变化周期为T/S相位角为45°。

  3. 3静压场分布

  图5给出四叶罗茨风机静压场分布随时间的变化,4个静压场分别对应于图3的4个典型时刻,压力在0?1000P内变化。从计算得到的静压分布值随时间的变化规律看,进气口位置的平均压力与流量值成反比,当风机流量达到最大值时,进气口的平均压力达到最小值;反之,当流量达到最小值时,进气口的平均压力达到最大值。

  通过对四叶罗茨风机进排气过程的非稳态流动进行数值模拟,得出四叶罗茨风机质量流量、流速场、压力场随时间变化的一般规律。四叶罗茨风机结构上有较好的对称性,其流动性能显得较为平稳、可靠。相信,未来的风机行业四叶罗茨鼓风机会引领发展,大绽光彩的。

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四叶罗茨风机:罗茨鼓风机转子技术的发展及研究现状

  罗茨鼓风机转子技术的发展及研究现状罗茨风机采用四叶转子,不仅能增加叶片泵的紧密性,增大输出流量、降低噪音,还能有效延长叶片泵的使用寿命。但是随着叶片数的增加,其加工的复杂性增加,加工效率大大降低.

  三叶罗茨风机

  罗茨鼓风机的转子都是两叶的,近年来,为降低流量脉动和冲击噪声,国内外相继发展推出了三叶-直叶型、三叶-扭叶型罗茨鼓风机。在转速相同的情况下,二叶罗茨风机均压过程的压力脉动剧烈强度大于三叶罗茨风机。三叶转子罗茨鼓风机特别是扭叶型的由于噪声和动平衡性能较好。在汽车机械增压上的应用越来越多。

  四叶罗茨风机的研究

  随着罗茨鼓风机的发展,国外和国内相继出现了四叶转子的研究,用一个简单的设计方法增加罗茨风机旋转叶片泵的使用寿命。这种方法就是增加罗茨风机转子的翼数,即增加叶片数。该研究指出罗茨风机采用四叶转子,不仅能增加叶片泵的紧密性,增大输出流量、降低噪音,还能有效延长叶片泵的使用寿命。但是随着叶片数的增加,其加工的复杂性增加,加工效率大大降低,从综合成本上来说,四叶转子不如三叶转子性价比高。

  风机转子型线

  罗茨鼓风机转子型线可使用圆弧、渐开线、摆线及其组合作为理论型线。罗茨鼓风机的叶型设计目前仍处在研究和发展之中,已有许多文献有过相关报道,比如:罗茨真空泵的转子型线可用“圆弧-摆线-渐开线”型代替“圆弧-渐开线”型。改变之后,抽气效率提高了,转子顶部抗腐蚀性增强了,工艺性能更好了。传统的渐开线型转子存在型线干涉及面积利用系数降低等问题,因此,可以对其进行改造,以克服型线干涉及提高面积利用系数。也可以利用CAD、CAM技术对三叶渐开线转子型线进行修正。将转子的压力角适当减小,齿顶半径适当增大,对型线进行这种修正的目的是为了增大面积利用系数。可以根据研究渐开线齿轮的方法来研究渐开线转子。

  如何对渐开线线型部分建模也是国外研究的重点。一种新方法就是对共轭齿轮齿型渐开线部分中的齿轮齿面进行离散化。将实际的齿面看作是由较小的局部渐开线组成的。由于其简单性,这种方法的速度超过了标准理论,并且可以应用到齿型几何的迭代计算,比如齿轮的优化。

  渐开线型齿轮与摆线型相比,其优势在于中心距的变化不会引起传输误差。但是在实际设计和轴承接触与传输误差的测试中显示需要对渐开线齿轮进行修正,特别是渐开线斜齿轮,因此提出了修正渐开线齿轮计算机设计、生成以及应力分析的有限元方法应用的新方法。圆弧是罗茨风机转子设计中大量应用的曲线元。一段圆弧+圆弧包络线型罗茨转子型线的容积利用系数在0.311-0.585之间。两段圆弧+圆弧包络线型罗茨转子型线的容积利用系数随峰顶系数的变化有所不同,在同一形状系数下,峰顶系数越小,容积利用系数越大,当其值为0.1时,其容积利用系数在0.321-0.656之间。

  罗茨鼓风机转子技术的发展及研究现状山东锦工重工机械有限公司专业生产制造各类罗茨风机、罗茨真空泵、MVR蒸汽压缩机、回转风机等设备,承接气力输送系统工程,生产旋转供料器、仓泵、料封泵、旋转阀等各类气力输送设备,综合以上所讲如有遗漏或问题欢迎咨询锦工客服或来电咨询。

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