高压罗茨鼓风机的设计与数值分析开题报告

1、与选题有关的国内外研究综述：

罗茨鼓风机是一种常见的气体输送或压缩机械，它利用转子在机体内相互啮合形成吸气腔和排气腔而达到鼓风的目的。与离心式风机、轴流式风机等同类产品相比，罗茨鼓风机因结构简单紧凑、工作稳定高效、无需注油润滑等优点得到了广泛的应用。随着国民经济的发展，对罗茨鼓风机的需求总体上呈扩大趋势，因此，提高罗茨鼓风机的性能尤为重要。

罗茨鼓风机是回转式鼓风机的一种，于1854年由美国的弗朗西斯和菲兰德罗茨两兄弟发明，并由此而得名。在1867年，罗茨鼓风机开始在工业方面，首先是在冶炼方面得到应用。距今已有近170年的历史，在这多年间发展出了诸多国外著名的生产厂家，例如日立、三井、三菱等公司。国外诸多罗茨鼓风机已经具有水平先进、性能可靠、结构紧凑、安装便利等特点，但由于其价格昂贵，而国内缺乏成熟的罗茨风机制造技术，因此我国于20世纪50年代开始研发并制造罗茨风机。在60~70年代，长沙鼓风机厂研制出D系列冷罗茨鼓风机和SD系列水冷罗茨鼓风机，国产罗茨鼓风机开始形成正式系列。20世纪90年代以来，罗茨鼓风机技术开发活动更趋活跃。以长沙罗茨鼓风机为例，该厂先后开发出SR系列三叶鼓风机、WR系列水下鼓风机、JR系列两叶成组和JS系列三叶成组鼓风机，并承担国家“八五”科技公关任务，研制出R-CT系列单级高压鼓风机和R-VT系列单级干式高负压真空泵，填补了国内的空白。但与国外的知名产品相比，许多方面仍有差距，尤其在高压罗茨鼓风机方面，基本依靠进口，目前国内还未出现成熟的此类产品。开发研制具有自主知识产权的高压罗茨鼓风机可填补国内市场的空白。

效率和噪音是衡量罗茨鼓风机性能的重要指标，与此相关的研究也一直受到国内外学者的关注。在噪声方面，罗茨鼓风机在生产中产生的振动与噪声问题十分突出,不仅加剧了设备磨损并降低了安全使用寿命,而且污染环境、影响人身健康,从而限制了应用范围并降低了市场竞争力。罗茨鼓风机气体动力性噪声是鼓风机的主要噪声源，具有很强的污染环境的作用，在噪声治理工程中一直是治理难题。郭晓斌从罗茨鼓风机内流情况进行分析噪声源，对罗茨鼓风机的主要结构参数进行了分析，并对能够降低罗茨鼓风机噪声的参数进行了详细研究，设计了罗茨鼓风机渐开线三叶叶轮的型线，完成了实体模型，保证了设计的合理性。最终得出了三叶逆流冷却罗茨鼓风机能大幅度降低排气流量脉动，降低了回流冲击强度，从而有效降低了罗茨鼓风机的气体动力性噪声，使噪声源得到了有效控制。但在运行过程中，罗茨鼓风机有多种噪声源，而且各噪声源之间相互影响、相互作用的，仅从罗茨鼓风机内流情况进行分析而不考虑机械噪声源是有所欠缺的，因此，在数值模拟的基础上引入声学模型可以更好的降低噪声。为此，何敬玉通过对结构的动态特性分析及声学基础理论的归纳与总结，得出了振动噪声的频率-声压曲线图，可以得知在风机各个位置的振动噪声在低频段的噪声值比较小。此外，罗茨鼓风机噪声与气流脉动和回流冲击强度密切相关，通过改进转子叶轮型线或转子扭叶，以及采用异型排气口和预进气等结构的优化设计，能够有效控制气流脉动和降低噪声，但会受到零件制造与加工方面的限制。

在效率方面，转子型线的设计起到关键性作用，一般而言，转子型线主要有三类：渐开线型，圆弧形，摆线型。选用不同的转子型面曲线或者选用不同参数的同一类型面曲线，都会引起转子径距比、面积利用系数以及啮合参数的变化，从而影响风机的效率。目前国内使用的主要还是制造、加工比较简单的传统大圆弧齿顶渐开线叶型，普遍存在面积利用系数低、气密性差、运行不平稳等缺点，因此有关转子型线的改进设计一直都未中断过。我国学者彭学院对传统三叶渐开线叶型进行了改进，克服了型线干涉并提高了面积利用系数，在一定程度上弥补了传统渐开线型罗茨鼓风机转子型线面积利用率低、噪音高的不足，但它只适合于直叶型转子风机，转化成扭叶型线啮合时会出现大的缝隙以至无法正常运转工作。刘厚根提出了渐开线型转子型线的另一种改进方法，理论分析表明：在不同压比条件下，改进后的转子在面积利用系数、重合度、排气压力和流量脉动等方面均有所改进 ，但该分析结果是在不考虑回流及泄漏的情况下，得出工作效率更高，运转更为平稳等各方面优点，实际性能还有待验证。孙淑凯等人通过数值模拟和实验研究，发现回流减少了排气腔内的压力脉动，且发现回流会增加泄漏量，从而小幅降低罗茨鼓风机的质量流量，在降低质量流量的同时，也有利于降低压力脉动。但研究过程中被当作一个没有任何热传递的绝热过程处理，冷回流对罗茨鼓风机性能的影响还有待研究。

随着计算机技术与现代设计技术的不断发展，罗茨风机的设计手段也不断的更新，国外CFD数值模拟技术已应用到风机内部流场分析上 ，并对风机机械的湍流流动数值模拟做了一些研究工作，Chien-Song Chyang等对罗茨风机在流体床上的压力波动的性能影响进行了分析，证明风机自身的压力脉冲频率与表面空气速度特征有相关性。而众多学者对离心式风机进行了数值模拟分析，能很好的引导罗茨风机内部气流领域的研究。比较而言，国内对罗茨鼓风机设计较少应用CFD技术，罗茨风机机械的设计还基本停留在半理论、半经验和试验验证的基础上，即“设计－试制－试验－改进”的过程，而以数值模拟CFD技术可精确得到罗茨风机流量、流速场、压力场随时间变化的规律，对转子的型线设计及其其他性能分析可提供有利依据。据资料显示，尤其是对三维扭叶型高压罗茨鼓风机运用CFD技术则少之又少，因此利用CFD技术对高压罗茨鼓风机的设计研究具有一定意义。

本课题针对高压罗茨鼓风机的缺乏，在江苏华景环保科技有限公司已有普通罗茨风机产品的基础上,对机体等关键零、部件进行改进、设计，使其能承受的传输气体压力达到25kg/cm²以上，扩大风机的应用范围，增强企业竞争力。

2、选题的理论意义：

①在江苏华景环保科技有限公司已有普通罗茨风机产品的基础上,对机体等关键零、部件进行改进、设计，并对其进行受力分析，使其所能承受的压力达到预定指标； ②借助CFD软件CFX对所设计的罗茨鼓风机内部流场进行非定常流动的数值模拟分析，为罗茨鼓风机的性能预测与降噪设计提供参考。

3、选题实际意义：

目前国内所生产的罗茨鼓风机只能适用在低压环境场合且高压风机产品基本靠进口，所以研究试制高压罗茨鼓风机对经济生产能力的提升具有重大的意义。本课题拟与江苏华景环保科技有限公司合作研发生产高压罗茨鼓风机，填补国内高压罗茨鼓风机的空白，研究成功后该款机型具有广阔的市场前景，提升了公司的经济和社会效益，增强国内罗茨鼓风机行业的竞争力。

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