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罗茨风机降低噪声措施的探讨

摘要：介绍了罗茨风机的噪声源，主要分析了罗茨风机的气动噪声及其产生噪声的机 理。在综合各种应用实例的基础上提出了控制噪声的各种方法，并指出了这些方法在经济和节能方面的利弊。提出了降低罗茨风机噪声的根本途径是改 进风机的气动设计和进行风机的最佳选择、选用合适的安装及运行方式，同时指 出了今后关于罗茨风机降噪的研究方向 。
关键词：罗茨风机 噪声 产生机理 降噪 根本途径

罗茨风机是一种典型的容积式鼓风机，它依靠转子容积的改变，将原动机所加入的机械能转变为气体的压力和动能。与离心式鼓风机相比较，它具有压头高、流量受阻力影响小、供风稳定等优点，但在使用的过程中普遍存在着效率低、噪声高的缺点。罗茨风机在化工厂特别是中小型化工厂使用相当普遍，由于风机产生较大的噪声恶化了劳动条件，污染了生活环境，因而日益引起人们对风机噪声的重视，开展了有关风机噪声产生的机理和防治措施的研究工作。对于离心风机和轴流风机在这方面的研究已日趋完善，该文主要分析罗茨风机的气动噪声源及其产生的机理，在综合各种应用实例的基础上，提出了各种降低噪声的方法，并对降低罗茨风机噪声的根本途径进行了一定的探讨。
1 罗茨风机噪声产生的机理
1．1 罗茨风机的噪声源
罗茨风机含有多种噪声源，其辐射噪声的部位主要有：(1)进气口和出气口辐射的空气动力性噪声；(2)机壳及电动机、轴承等辐射的机械性噪声；(3)基础振动辐射的固体声。在这几部分噪声中，进、出口部位辐射的空气动力性噪声(简称气动噪声)最强，其它如机械噪声、电磁噪声等，在风机正常运行条件下都是次要的[1]。根据罗茨风机产生噪声的频谱分析，其特点为低频宽带。风机的气动噪声主要由两部分组成：即旋转噪声和涡流噪声。
1. 2 旋转噪声
旋转噪声是由于工作轮上均匀分布的叶片打击周围的气体介质，引起周围的气体压力脉动而产生的噪声 另外，当气流流过叶片时，在叶片表面形成附面层，特别是吸力边的附面层容易加厚，并产生很多涡。在叶片尾缘处，吸力边与压力边的附面层汇台形成所谓尾迹区。在尾迹区内，气流的压力与速度都大大低于主气流区的数值。因而，当工作轮旋转肘，叶片出口区内气流具有很大的不均匀性。这种不均匀性气流周期地作用于周围介质，产生压力脉动而形成噪声。气流的不均匀性愈强，噪声也愈大。
风机的噪声具有确定的频率，其旋转噪声的频率为：
fi=i(NZ／60) (1)
式中：N为风机工作轮每分钟转数(r／min)；z为叶片数；i为谐波序号(1，2，3，⋯⋯)。 i=l为基频，i=2，3，4，⋯⋯为高次谐音。从噪声强度来看，基频最强，其次高频谐音总的趋势是逐渐减弱的。典型罗茨风机的频率特性见图l、图2[2]
1．3 涡流噪声
涡流噪声又称旋涡噪声或紊流噪声。它主要是由于气流流经叶片时，产生紊流附面层及旋涡与旋涡分裂脱体。而引起叶片上压力的脉动所造成的。其产生有4个方面的原因：其一是物体表面上的气流形成紊流附面层后，附面层中气流紊乱的压力脉动作用于叶片、蜗壳内表面及局部表面等，产生了噪声；其二是气流流经物体时，由于附面层发展到一定程度会产生涡流脱落，脱离涡流将造成较大的脉动；其三是由于来流的紊流度引起叶片作用力的脉动造成噪声；其四是由于二次涡流形成的噪声。

图l 流量10m3/min与30m3/min的罗茨鼓 图2 流量120rn3/min与140rn3/min罗茨鼓
风机进口噪声频谱 风机进口噪声频谱
———— 室内进口轴向0.5m —————室内进口轴向1.Om
–––––室内连口轴向0.5m –––––室内进口轴向0.6m

一般认为，上述4种产生涡流噪声的原因，由附面层紊流压力脉动和二次涡流辐射的噪声功率相对小得多。此外，只要来流的紊流度不特别大，由于冲角脉动形成的噪声也不太明显。于是可以认为，风机的涡流噪声主要是由于第二种噪声，即涡流和涡流脱离引起叶片升力的脉动所造成的涡流噪声。
根据经验公式，涡流噪声的频率为：
Fi=i(SrW/L) (2)
式中：Sr为斯特罗啥尔数，Sr=0．14～0．20，一般可取0.185；W 为气体与叶片的相对速度；L为物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影；i为谐波序号(i=1，2，3，……)。
由公式(2)可知，风机的涡流噪声频率，主要与气流和叶轮的相对速度W 有关。W又与工作轮的圆周速度u有关。u是随着工作轮各点到转轴轴心距离而变化的。由内到外是连续变化的。因而风机旋转时所产生的涡流噪声是一种宽频带的连续谱。通过分析可知，风机的空气动力性噪声是由上述两种性质不同的噪声相互叠加的结果。旋转噪声和涡流噪声两种噪声源强弱取决于叶片的几何形状和运行工况。
2 罗茨风机噪声控制的一般方法
对于现场使用的风机可根据风机噪声的太小、现场条件和降噪要求选用不同的控制措施，一般可概括为安装消声器、加装隔声罩和改造风机房或进行管道包扎等措施。
2．1 机械噪声控制方法
对于罗茨风机的机械噪声，控制的方法主要是提高装配的精度；更换旧的滚珠轴承，或用滑动轴承来代替滚动轴承，使转子处于动态平衡；以弹性联轴节连接电动机和鼓风机；加强对设备的维修保养，以及加油润滑，拧紧连接的螺栓，更换损坏的零部件等等。这些对臧弱噪声均是有效的[3]
2．2 气动噪声的一般控制方法
2.2.1 安装消声器由于一般情况下，从风机进气口和排气口辐射的空气动力性噪声比从其他部位辐射的噪声要高10～20分贝(A) [4] ，因此，控制风机噪声时，首先应在进气和排气管道上安装适当的消声器，见图3。风机上采用消声器，目前国内外均趋向于采用阻性消声器,而体积较大、消声频道较窄的消声器已很少使用，当然消声器的选择、设计和安装应根据实际情况进行。

图3 在风机管道上安装消声器
2.2.2建立隔声罩采用隔声罩措施，就是将整个风机机组用密闭的厢声罩围包起来。其技术关键是采用怎样的冷却措施保证风机的正常运转。目前，国内外均以采用风冷方法为最普遍。主要的冷却形式有：自扇通风冷却法、负压吸风冷却法、罩内空气循环通风冷却法和外加机械通风冷却法等。具体的设计原理、制作和方法介绍见文献[5]。
2.2.3 改造风机房如果风机组有专门的风机房，则可以结合现场情况，采取将已有的风机房改造成隔声间的方法。即把风机封闭在风机房内使其噪声传不出去。主要技术措旋是采用隔声门、隔声窗、隔声屏和墙壁隔声，应用合适的吸声材料等。
2.2.4 管道包扎为了臧弱从风机风管上辐射出来的噪声，可以对管道旋行包扎，厢绝噪声由此传播的途径。管道包扎的方法见图4。

图4 管道包扎方法示意图
2.2.5隔振综合考虑安全、稳定和维护方便等因素，设计选用适当的隔振器，以便消除机器与机组之间的刚性连接，从而达到降低固体振动噪声的目的。也可以挖舫振沟来代替基础隔振，可取得一定的效果[6]。
3 罗茨风机降低噪声的根本途径
噪声的控制方法是尽力避免和减少噪声源产生的噪声辐射，即尽力减少脉冲力。上述所采用的噪声控制方法，不仅增强了投资，而且在风机运行过程中会由于消声器等的压力损失而造成能量损失，这对于节约能量是很不利的，因此用改进风机的气动设计和风机的最佳选择、合适的安装及运行方式来降低罗茨风机的噪声是最根本的途径。从现有文献资料来看[2、7] ，对于离心式和轴流式风机，从结构本身的改进来降低噪声的报导已有很多，并取得了较大的成效，但对罗菠风机报导却很少见，为此，现对罗茨风机降低噪声的根本途径作一些探讨。
3．1 改进风机的气动和结构设计
3.1.1 将叶轮做成扭叶叶轮由前述风机噪声产生的机理分析可知，当工作轮旋转时，叶片出口区内气流具有很大的不均匀性，这种不均匀性气流周期地作用于周围介质，产生压力脉动而形成噪声。且气流的不均匀性愈强，噪声愈大。将罗茨风机转子直叶叶轮改为扭叶叶轮，能改善排气的不均匀性，因而能降低噪声。
3.1.2 把机壳内圆周面出风I；3做成与叶轮顶端素线成一定大小的夹角 气流沿工作轮出口圆周方向的不均匀性，产生了随时间变化的压力脉动，反过来，它又影响叶轮中气流的脉动，产生噪声。把机壳内圆周面出风口做成与叶轮顶端素线成一定大小的夹角，能改善气流的不均匀性，从而降低罗茨风机的噪声。此
办法对于二叶叶轮因几何尺寸大小会受到限制，而对于三叶叶轮则完全可以办到。
3.1.3 将二叶叶轮改为三叶叶轮[8] 将二叶叶轮改为三叶叶轮，增加了罗茨风机转子的头数，同样能改善风机排气的不均匀性，因此可以降低噪声。将二叶叶轮改为三叶叶轮，其关键是确定三叶叶轮渐开线叶轮的径距比(K=D/A，其中D为叶轮直径，A为两叶轮中心距)。经过改造后的罗茨风机具有气流脉动小，噪声低等优良性能，目前巳为各罗茨鼓风机厂家所关注。
3．2 控制风机选型、安装和运行噪声
罗茨风机的噪声不仅靠改进设计来完成，而且对于给定的任务，可以用优化风机型式和尺寸，以及合理安装和运行来降低风机的噪声。
3.2.1 风机的选择、运行方式和安装布置在实际管网系统中，为了保证低的噪声，应选择最佳的风机型式和尺寸，进行正确的安装，保持合理的运行。大多数风机的最小声功率和最佳效率所对应的工况点是吻合的，这样，合理的风机选择无论从噪声还是从经济上都会得到收益；叶轮顶端圆周速度应尽可能地低；
尽可能地保证风机进I；3处气流的均匀；风机与管网的匹配不仅要从气动的观点，而且也要从声学的观点来考虑，通过合理选择风机直径、速度及叶片数，使叶片通过频率噪声的辐射效率最小。
3.2.2正确地安装风机的声功率级或A声级，随着流量和压力的增大而增大，安装时应尽量减少不必要的阻力损失。在流道中及叶轮前尽力避免障碍物产生的尾迹吸人到叶轮中而产生噪声。消声器的安装应与叶轮留有一定的安装长度，以避免对叶轮产生影响。
3.2.3 选用合理的调节方式由于多数是在变工况下运行，风机的风量和风压都要根据管网的需要进行调节，因而调节方式应尽力采用变转速等高效调节系统(如变频调速)。因这些高效调节方法，也是产生附加噪声最小的方法。
4 结论
4.1 采用消声、隔声、吸声、隔振等方法，虽能取得一定的噪声综台治理成效，但只是从传播途径上采取
了措施，增加了投资，对于节约能源也不利。
4.2 为了使噪声得到更有效的控制，需从声源上根本解决问题，即选择最佳设计，提高制造精度和装配质量，选用台理的调节方式，井采取有效的减振措施，才能取得令人满意的降噪效果。
4.3 将罗茨风机的叶轮做成扭叶叶轮、把机壳内圆周面出风口做成与叶轮顶端素线成一定大小的夹角以及将二叶叶轮改为三叶叶轮等，均可以降低罗茨风机的噪声。
4.4 今后将要继续进行罗茨风机噪声的理论研究，较精确地预估噪声级，把风机的气流和结构参数与气动噪声级之间建立起数学关系式。这样，在风机的设计阶段可以利用这些关系式，与气动计算一起进行寻找最小噪声和最佳气动性能的方案，从而在根本上降低风机本身的噪声。
4.5 进行风机噪声的测量，建立起相应的数据库，利用这些数据库，产生经验性设计准则和预示风机噪声的数学模型，并估算风机的平均性能，从而在满足用户的流量、压力要求的情况下，能从噪声的角度合理地选择风机。

参考文献
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