氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由機(jī)械噪聲和氣動噪聲組成，氣動噪聲具有強(qiáng)度高、危害大的特點(diǎn)，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。應(yīng)用FLUENT 軟件動態(tài)模擬泵的內(nèi)部流場，對兩葉、三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進(jìn)行比較，分析氣動噪聲產(chǎn)生的來源，為設(shè)計(jì)低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。同時對兩種轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進(jìn)行測試，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲明顯低于兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵。

　　氣冷式羅茨真空泵具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，能夠在高壓差和高壓縮比下正常運(yùn)行，縮短大容器的抽空時間等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于大型空間模擬裝置、汽輪機(jī)動平衡裝置以及化工等各行業(yè)，市場前景廣闊、經(jīng)濟(jì)效益顯著。但存在著噪聲大的缺點(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(yīng)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://m.mp99x.cn/)認(rèn)為氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由氣動噪聲和機(jī)械噪聲構(gòu)成，氣動噪聲具有強(qiáng)度高、危害大的特點(diǎn)，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。氣動噪聲主要由氣體脈動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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，三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的容積利用系數(shù)比兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵高。目前國內(nèi)氣冷式羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子型線基本上是兩葉寬頭圓弧擺線，采用三葉圓弧擺線型線，可提高抽氣效率。本文應(yīng)用FLUENT 軟件數(shù)值模擬泵的內(nèi)部流場，對兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子型線氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進(jìn)行研究，分析氣動噪聲產(chǎn)生的來源，為設(shè)計(jì)低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。

1、計(jì)算模型

　　1.1、基本方程

　　(1) 連續(xù)性方程

　　(2) 運(yùn)動方程

　　(3) 能量守恒方程

　　式中ρ 是密度，t 是時間，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 是動力粘度，Su,Sv,Sw 是動量守恒方程的廣義源項(xiàng)，cp 是比熱容，T 為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST 為粘性耗散項(xiàng)。

　　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能k的產(chǎn)生項(xiàng)。

　　1.3、數(shù)值解法

　　湍流模型采用RNG k-ε 模型，該模型考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，能夠更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。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(xiàng)采用PRESTO! 格式離散, 其余項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。采用動網(wǎng)格技術(shù)通過函數(shù)定義實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。壁面附近采用壁面函數(shù)法。

　　1.4、模型建立及網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的LQ300 氣冷式羅茨真空泵建立模型。主要參數(shù)有：抽氣速率為300 L/s，中心距180 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1490 rpm。由于模型的計(jì)算為非定常，計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格的尺寸小，劃分的總體網(wǎng)格數(shù)大，計(jì)算時間較長，三維模型徑向截面流動同二維的流動情況基本相同，二維的計(jì)算模型已經(jīng)能夠滿足分析流場的需要，因此計(jì)算中采用了二維模型。圖1、圖2分別為兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型。

圖1 兩葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型

圖2 三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型

　　為便于計(jì)算以及盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)氣、排氣區(qū)域非旋轉(zhuǎn)區(qū)域因?yàn)樵谟?jì)算過程中網(wǎng)格沒有變化，采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;旋轉(zhuǎn)流場區(qū)域，網(wǎng)格隨時間變化，為減小不同時刻網(wǎng)格的扭曲率以及計(jì)算的收斂性，采用三角形網(wǎng)格，對于兩葉轉(zhuǎn)子，整個流場的初始網(wǎng)格數(shù)為168604，網(wǎng)格最大扭曲率為0.447306。對于三葉轉(zhuǎn)子，整個流場的初始網(wǎng)格數(shù)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(shè)置

　　邊界條件設(shè)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。流動介質(zhì)采用空氣，按理想氣體設(shè)置屬性，初始化整個流場。

2、數(shù)值模擬結(jié)果及分析

　　2.1、進(jìn)氣噪聲

　　輸出兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周(0.04027S)的進(jìn)氣速率圖，如圖3、圖4 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動曲線。不考慮泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定狀態(tài);泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)氣速率脈動與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相一致。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，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，引起速率波動。兩葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)四個完整的脈動周期，三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)六個完整的脈動周期，與理論預(yù)測結(jié)果相同。從圖3、圖4 中可以看出，兩葉轉(zhuǎn)子泵的最大進(jìn)氣瞬時速率為1400 L/s，最小進(jìn)氣瞬時速率為100 L/s，波動幅度較大。三葉轉(zhuǎn)子泵的最大進(jìn)氣瞬時速率為1000 L/s，最小進(jìn)氣瞬時速率為100 L/s。兩者相比之下，兩葉轉(zhuǎn)子的進(jìn)氣速率脈動比三葉的大的多。脈動越大，進(jìn)氣氣動噪聲越大。

圖3 兩葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動曲線

圖4 三葉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣速率脈動曲線

　　2.2、排氣噪聲

　　圖5、圖6 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線，從這兩圖中可看出，不論是兩葉還是三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵，與各自的進(jìn)氣速率脈動相比，排氣脈動小，排氣狀況較好。

圖5 兩葉轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線

圖6 三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線

　　相比之下，三葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動比兩葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動要大。這是由于兩葉轉(zhuǎn)子頭部有大圓弧密封，工作腔與返冷氣口相通時，與排氣腔是隔離的，如圖7。這樣，工作腔內(nèi)的氣體壓力與返冷氣均壓后基本達(dá)到返冷氣壓力(20000 Pa)時，再與排氣腔相通，因此排氣平緩。而三葉轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子頭部沒有大圓弧密封頭,如圖8，工作腔同時與返冷氣口、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，因此排氣速率脈動較大。當(dāng)三葉轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定角度轉(zhuǎn)過返冷氣口的位置時，工作腔才與返冷氣口相通并與排氣腔隔離。工作腔內(nèi)氣體的壓力基本達(dá)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(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通的壓力分布

圖8 三葉轉(zhuǎn)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程產(chǎn)生的噪聲

　　當(dāng)工作腔與返冷氣口相通時，高壓返冷氣體高速流入工作腔，與工作腔內(nèi)的低壓氣體混合，形成渦旋，實(shí)現(xiàn)工作腔內(nèi)的均壓，同時產(chǎn)生了渦

　　流噪聲。不考慮兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子與三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的容積利用系數(shù)差異的影響，兩葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子在相同的中心距和圓弧外徑的條件下，三葉轉(zhuǎn)子V3 的封閉工作腔容積是兩葉轉(zhuǎn)子的封閉工作腔容積V2 的2/3，兩葉轉(zhuǎn)子的返冷氣進(jìn)入工作腔的速率大于三葉轉(zhuǎn)子的速率，并且兩葉轉(zhuǎn)子的均壓過程中產(chǎn)生的氣流沖擊及渦旋強(qiáng)度均大于三葉轉(zhuǎn)子，如圖9、圖10 所示。渦旋強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的渦流噪聲也越大。

圖9 兩葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布

圖10 三葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布

　　2.4、間隙泄漏產(chǎn)生的噪聲

　　兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子頭部有個大圓弧密封頭，而三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)限制，轉(zhuǎn)子頭部不能設(shè)計(jì)成與兩葉轉(zhuǎn)子這樣的大圓弧密封頭，因此在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體內(nèi)壁間隙相同的情況下，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵更容易通過各種間隙從高壓區(qū)向低壓區(qū)返流，不僅產(chǎn)生較大的氣動噪聲，而且降低泵的極限真空度。

3、結(jié)論

　　氣冷式羅茨真空泵的主要?dú)鈩釉肼暡⒎侵饕獊碜耘艢馇惶帤饬鞯闹芷谛悦}動，而是來自進(jìn)氣腔處氣流的周期性脈動、工作腔與返冷氣口相通均壓過程及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動噪聲。進(jìn)氣腔處氣流的周期性脈動及工作腔與返冷氣口相通均壓過程產(chǎn)生的氣動噪聲，兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅

　　茨真空泵要比三葉轉(zhuǎn)子的氣動噪聲要大;而排氣腔處氣流的周期性脈動及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動噪聲，雖然兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵比葉轉(zhuǎn)子的要小，但影響不大。因此，從模擬結(jié)果上看，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵產(chǎn)生的氣動噪聲比兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲要小。根據(jù)真空泵測試標(biāo)準(zhǔn)對抽速為300 L/s三葉轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲為104.4 dB，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的降噪效果明顯。