法。
关键锦工：罗茨鼓风机；提高风机性能；降低噪声
中图分类号：C35文献标识码： A
1概述
罗茨鼓风机每次吸入、排出的风量很大并有突变现象,从而产生较大的噪声,被称之为机械产品的“声老虎”,特别是在高压的情况下尤甚,且风量越大、压力越高、转速越快,则噪声就越大,而现代化大生产又希望罗茨鼓风机能提供更高的压力和更大的风量。为了提高风机性能、降低噪声污染、满足环保要求,工程师们想尽了各种对策。本文从噪声源着手,在设计与制造方面提出降低噪声的一些方法。
2 噪声分析
机械噪声主要来源于机壳的振动, 使机壳发生振动的原因主要有两个:①叶轮的转动不平衡力,通过传动构件转移到机壳上,对机壳产生周期性的激励;②机壳内的涡流强度所决定的压力脉动,常与叶片的基频(即叶片通过频率)有联系,也对机壳产生周期性的激励。风机的风压越高,这一激励源越不能忽视。噪声测量测量罗茨风机噪声的目的就是为了对被测对象进行噪声等级的分析、评价或声源识别,以便采取适当的措施进行噪声控制。通常罗茨风机的噪声识别方法有现场测量法、声功率测量法、表面振动测量法等,其中,现场测量法是工程实际中常用的方法。现场测量法通过对数据、频谱的分析确定主要的噪声辐射源,方法简便,测量结果能真实反映风机的振动与噪声水平,但易受环境的影响。声功率测量法反映噪声源辐射强度与辐射特性,避免了声压级易受测量距离和测量环境影响的缺点。振动测量法是根据罗茨风机的表面振动速度来估计表面辐射声功率,主要困难在于罗茨风机零部件辐射比的确定,需要测量较多的数据和进行大量的计算。
3 结构设计
3.1 设计回流孔
在机壳出风端未过转子中心处开一定的U形条孔, 可以减轻出风口端的压力爆发,在叶轮与机壳、墙板所形成的容腔即将进入密闭状态时,使出风口的高压气体有少量部分能回流入容腔,并使容腔与出风口气室形成一定的压力平衡。同时,当叶轮继续旋转时,容腔体积变小,压力增加,又可使得密闭容腔在大量排出气体前能通过回流孔预排,这样既可减少“死角”气体的涡流噪声,又可减少排气时由于压力过于释放造成的冲击噪声 。
3.2 设计异形进出风口
传统罗茨鼓风机的进出风口为矩形口,吸气时,整个叶轮外圆同时进入密封区,使气体突然关闭,排气时叶轮外圆又同时打开,则高压气体突然释放,使得吸入和排出气体时都会产生高噪声并伴有较大振动。将进出风口设计成异形口,吸入时的密封和排出时的打开基于开口面积由最大到零和由零到最大,均为渐变,从而延缓了进排气口气体压差的变化率,起到削减周期性排气冲击噪声的作用,因此使噪声低而平稳。。
3.3 转子串接设计法
叶轮一般作为一个整体与轴联接,若将叶轮沿轴向分成几段,则构成串接转子。每段叶轮具有相同的叶型、直径,甚至相同的长度。串接时,相邻两段叶轮周向错开一定的角度(两叶错开90°,三叶错开60°) ,并在机壳内或叶轮段间设置隔板,将其隔成相应的段,每一段的工作情况都与单台鼓风机相似。由于各段叶轮的工作过程有一定的时间差,使气流脉冲减少,与同长度的单一叶轮相比总排气流量不变而脉动变得更加平稳,噪声也相对较低。
3.4 设计扭曲叶轮
罗茨鼓风机叶轮轮齿一般与轴线平行,即直齿状,这样加工、检测就比较方便,但随着加工技术的发展,还是应设计成扭曲叶轮,即斜齿状,因为这样可以增加啮合线长度。扭叶罗茨鼓风机工作平稳、输气脉动小、噪声低,而且工作时具有内压缩过程,与直叶罗茨鼓风机相比效率高、能耗低,是罗茨鼓风机传统的替代产品。
3.5 叶轮曲线的CAD 设计法
叶轮作为罗茨鼓风机的心脏零件,表面形状至关重要,气体是通过两个叶轮表面的啮合,来进行吸气与排气的。为了使这对叶轮能正常啮合,叶轮曲线一般都设计成渐开线、摆线或圆包络线。基于设计及制造工艺,传统叶轮一般设计成单一型线,通过数学方法计算出各种参数,包括中心距、基圆、压力角、起始啮合角等。随着计算机及数控技术的发展,CAD 设计软件和数控编程软件功能也越来越强大,应充分利用软件资源,对叶轮曲线进行分段、组合设计,改掉以往的单一曲线,通过CAD 进行模拟、仿真,保证叶轮在任何情况下啮合时均可有相对固定的间隙。因为这种组合曲线在现代的数控机床上编程、加工已不是难事。均匀的叶轮间隙不仅能大大提高平稳性、降低噪声,而且还能保证风量、振动、寿命等重要的机械性能。
4 制造精度
精度的提高意味着产品成本的增加,但为了满足所需性能,又不得不提高相应方面的精度。下面就为满足低噪性能方面提出应提高的精度。
4.1 叶轮表面质量及平衡
叶轮表面质量主要取决于材质及加工质量。对于小叶轮,一般选择铸钢或球墨铸铁,并与轴铸成一体,大叶轮选择HT200 ,粗糙度为Ra3. 2 ,在数控机床上加工,取较小的走刀量,可获得较低的粗糙度;转子平衡至少应保证G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
4.2 轴承精度
轴承作为易损件,一般的企业都不愿提高其精度使产品成本增加,这样往往得不偿失。因为低精度轴承产生较大的振动和摩擦,且其作为整个机器的装配基准,对整机性能及其它零部件的寿命都有至关重要的影响。国外风机的轴承精度一般至少相当于我国的C 级标准。
4.3 齿轮精度
齿轮间隙、运动准确性、齿向精度等直接决定着叶轮啮合的均匀性及平稳性,齿面粗糙度又是摩擦噪声的主要来源之一。因此,按国标要求齿轮精度应保证在7 级以上,而一般机械加工厂的齿轮加工、检测手段往往不强, 使精度不能满足要求。所以齿轮加工最好是与专业的齿轮加工厂协作。
4.4 风道质量
光滑的风道表面能让气流顺利通过,不仅有利于减少损失,而且能大大减少因气流流动受阻而带来的啸叫声,因此,管道内壁应尽量降低粗糙度,减少弯道数量;进出风口不宜处于急变流场,应由方变圆光滑过渡。若系统中有多个管件,如弯头、支管等,则它们之间的距离应拉开5~10 倍管径。
5 采用消声、隔声、隔振等措施
除了在结构及制造精度方面控制噪声外,在轴承、齿轮、密封处应使用优质的润滑油,进出风口配设消声器,整机及配套设备外围设计隔声罩,有条件的地方可将风机置于地下室工作或选择水下罗茨鼓风机进行隔声、隔振等。
6创新结构设计与噪声治理
“一种低噪声罗茨鼓风机”就是针对降低二叶罗茨鼓风机气动噪声，在噪声声源降噪的产品。其主要结构就是将罗茨鼓风机的排气口设计为双螺旋气口，并设有变径消声腔。当基元容积与排气口相通时，高压回流气体同时从双螺旋气口两侧进入基元容积腔内，与单螺旋气口相比，相同时间内回流气体的体积增加一倍，回流流速降低一半，故回流冲击脉动强度降低，从而降低了噪声。
不仅如此，双螺旋气口使的高压回流气体从两封口同时回流，其冲击作用在基元容积腔内相互作用、相互抵消，最终对风机侧板基本不形成冲击力，能很好的降低噪声。与此同时，双螺旋风口降低高压气体对叶轮轴的挠度影响，使得运行更可靠，这样的结构，还提高了抗超负荷的能力。而且，鼓风机内部联成整体，使其的抗挤压能力和抗拉伸能力得到很大提高。最后，除了采用以上办法降低启动噪声和机械噪声外，还设计有变径消声腔干涉消声，使得噪声大大降低。
7 结论
罗茨风机噪声以气动噪声和机械噪声影响为主。研究噪声源的特性和产生机理,是正确选择噪声控制措施的基本条件。从声源传播途径考虑,采取消声、隔声、吸声和隔振等降噪方法,能够有效控制噪声污染,但增加了设备成本与工程投资。从结构设计与生产工艺考虑,通过优化结构设计、改进加工方法、提高装配精度、选用合理的型号和调节方式,能够从根本上消除噪声危害,不仅降低噪声,而且提高风机效率、降低设备能耗,仍然是罗茨风机的主要发展方向。
山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、罗茨真空泵、回转风机等机械设备公司，位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇，近年来，锦工致力于新产品的研发，新产品双油箱罗茨风机、水冷罗茨风机、油驱罗茨风机、低噪音罗茨风机，赢得了市场好评和认可。
罗茨风机变频调速系统的实现从根本上解决了罗茨风机大启动力矩而配用大功率电机的问题，节能效果非常显著。能够解决罗茨风机低负荷运行，罗茨风机开度当板小而引起的风纪震动问题，使罗茨鼓风机运行更加稳定。闭环控制系统的建立使控制更加稳定装置操作更加平稳；另外罗茨风机转速的降低大大提高了罗茨风机轴承的使用寿命。提高了设备运行时间，延长了设备的检修周期。
2.变频调速装置在罗茨风机上的应用
罗茨风机的流量，运行压力，轴功率这三个基本参数与转速的运算公式极其复杂，同时罗茨风机类负荷随环境变化参数也随之变化。在工程中一般根据罗茨风机的运行曲线，进行大致的参数运算，通过改变罗茨风机的管网特性曲线来实现对罗茨风机的风量的调节；通过改变罗茨风机叶片的角度来实现对罗茨风机的风量调节；通过改变罗茨风机的转速来实现罗茨风机的风量调节。
取代老式的依靠挡板改变流量的方式，达到节能的效果；精确地调节速度和流量，保证工艺质量；接受计算机的模拟或数字信号，进行实时控制；动态性能好，可实现“软”启动。变频装置的特性保证了电机启动和加速时具有消除启动对电机的冲击，可以提高电机和机械的使用寿命。
3.变频调速技术
3.1变频调速的基本原理
对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通Фm保持额定值不变。磁通太弱，电动机带负载能力下降，磁通太强，形成过饱和，将引起励磁电流波形畸变。由上可见,Фm值由e1和fl共同决定，对e1和fl进行适当控制，就可以使气隙磁通Фm保持额定值不变。分两种：基频以下的恒磁通变频调速，即从电机额定频率f调速；基频以上的弱磁通变频调速。
3.2 u/f控制
主电路中逆变器采用BJT，用PWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f和电压指令U，而f和U之间的关系是由U/f曲线发生器决定的。这样经PWM控制之后，变频器的输出频率与输出电压之间的关系就，就是U/f曲线发生器所确定的关系。转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变化时，在f不变的条件下，转子转速将随负载转矩变化而变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较的场合。U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
3.3 转差频率控制
根据速度传感器的检测，可以求出转差频率△f，再把它和速度设定值f相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1*，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性差。
4.系统自动控制的实现
4.1控制系统的工作原理
本系统是用单片机控制的变频器实现的罗茨风机调速系统。其主要硬件是MSC8051单片机，变频器，压力变送器，罗茨风机。该系统中单片机起到控制器的作用，变频器和罗茨风机是执行机构。通过设置在罗茨鼓风机负压侧的压力变送器得到系统的反馈信号，并且将其转化成了标准的电流或者电压信号，再经过A/D转换变成数字信号传送到单片机，然后由单片机实现PI压力调节，显示功能。最后输出控制量，作为变频器的模拟量给定信号，由变频器输出SPWM调制的频率可调的电压来控制罗茨风机电动的转速。从而整个系统实现闭环控制。达到准确控制，节能的目的。
4.2 控制器的硬件设计
单片机：选用MCS-8051单片机，由于本系统的设计目的是罗茨风机的简单调速系统，所以系统不要求有复杂的控制功能。因此本系统选用最小系统，不需要对单片机的进行外部存储器的扩展。由于8051单片机的输入输出口数目的限制，所以系统扩展了并行通信口8255A作为A/D，D/A的接口芯片。系统还具有简单的键盘输入和显示作用，通过8279控制键盘和显示器。
变频器：变频器选用西门子公司的Ec01-110k13kw 变频器。
变送器：选用BYD-8系列压力变送器。
键盘显示部分是用单片机控制8279键盘显示电路，由小键盘和6个8段数码LED组成。可以通过键盘对系统的PI的参考量进行预制，这样使系统增加了很的可移植行和方便了系统的调试。本系统还可以随时跟踪显示罗茨风机负压侧的压力，方便了操作人员对系统监控。
4.3系统的软件设计
系统软件是计算机控制系统的一个关键组成部分，软件的质量直接关系到整个控制系统的效率和性能。根据控制系统的目标需求，对控制软件的功能进行合理的划分，再采用模块化的设计原则，确定各个模块所要完成的功能，整个控制软件完成数据的输入，显示以及PI调整功能。整个单片机系统不但起到了控制作用而且充当简单的上下位机作用。
PI控制器可以使原系统更加稳定准确，环节P用来使系统快速的动作，但遗憾的是有余差存在；积分控制可以消除余差，但是容易使系统的控制过程产生震荡，且时间延迟很长，被控变量波动幅度也很大。应用PI控制，可以很好的改善以上单独使用的不足，使系统控制变的准确。虽然PI控制还存在很多不足，但是在本系统中，由于对压力的控制要求不是十分的严格，所以应用PI控制就可以很好的完成控制要求。对于PI控制器的参数整定有多种方法，如：临界比例度法，衰减曲线法，PID归一参数法等方法。但是在工业中最长使用的是经验法。这种方法是工人师傅几十年操作经验的积累，逐步的反复的试凑，最后得到控制器的适合参数。在PI控制器的设计上，本系统采用了积分分离法防止积分的饱和。
5.小结
本文系统的介绍了整个系统的设计过程。首先讨论了各种罗茨鼓风机风量调节方法以及他们各自的特点，而突出了变频调速的优点。然后系统的说明了变频器的原理以及分类，根据各方面的比较选择该系统所用到的电压型变频器，根据所用的频器的基础上，确定变频器的相关参数。最后根据在工业现场采集到的数据进行数学上的仿真，完成控制器的软件设计。
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江苏中恩环保科技有限公司全新一代正压风机简介整体融合的紧凑型低噪设计理念
三叶内回流，减小排气回流脉冲，降低气动噪声；采用同步斜齿轮传动，平稳安静；抗性及声波干扰宽频带消声设计，且无吸声材料，防止输送气体被污染；整体撬装箱式隔声罩，高效隔音，配套隔声罩时噪音可降低15~20dB(A)，机组噪声一般为
高效、节能、省材的环保型设计
高性能三叶复合转子型线设计；高转速设计，容积效率较常规机组提高3~8%，体积小，重量轻，用材省，所需安装空间小；主机空冷设计，无需冷却水；油室和气腔由对外连通的空腔隔离，确保无油输送。
优质、优材、高精度、高可靠性设计与制造
球墨铸铁转子设计，高强度，耐磨损，小机型轴与叶轮为整体转子，主轴承、主轴加强设计，适合重载、高速、皮带传动；主机承载能力强，齿轮、转子关键部件长寿命设计，齿轮、轴承寿命以上；合金涨圈密封，轴承、耐磨损泄漏小。 安装操作维护简便、控制保护功能齐备的人性化设计
电机支座采用悬臂托架，传动皮带自张紧设计，确保皮带始终处于最佳张力状态，无需定期调整；机组减振设计，正压风机机型无需设置专用基础和预埋件；常规设有排气压力、过滤器阻力、排气温度、主轴承温度等参数监控保护功能。
由于不断研究及改进，技术参数恕不展客户若有特别技术参数要求，
输送空气和中性无毒气体的一般用途罗茨鼓风机，主要技术要求如下：
介质:进气温度不高于40℃，气体中固体微粒的含量不大于100mg/m3,微粒最大尺寸不大于鼓风机内部最小工作间隙的一半。 设计要求:整机使用寿命应不少于10年，第一次大修前安全运行的时间应不少于15000h。同步齿轮使用寿命应不低于25000h，精度不低于GB10095规定的7级。 实际流量与设计流量的偏差及容积比能偏差（不包括成组型鼓风机）不得超过下列表的规定值。
流量及容积比能的允许偏差如下图:
整机使用寿命应不少于10年，第一次大修前安全运行的时间应不少于15000h。同步齿轮使用寿命应不低于25000h，精度不低于GB10095规定的7级。
罗茨风机一般用于输送氧气或者其他易燃易爆腐蚀性气体，尤其是在污水处理厂中利用风机出口旁路控制阀组实现气体入口系统压力的自控。风机系统的工作量主要由阀门的开度和电机运转频率来考核，而阀门开度和电机运转频率由前端信息给予的信息量来控制。但是由于其采用阀门调节风量的方式会造成大量的电能浪费，也不能准确地调节送风量，会给企业带来大量浪费。在污水处理厂罗茨鼓风机节电系统的设计中运用单片机AT89S52进行对罗茨风机运作的主要控制。采用溶解氧测定仪传感技术采集污水中的氧浓度信息。应用LED指示灯方便快捷地实时表现风机的工作情况，从而实现罗茨风机调节的自动化设计。
系统设计方案
通过应用溶解氧测量仪采集污水中的含氧量DO，然后通过将信号传递给单片机AT89S52进行数据分析处理，具体的DO值和电路的分频选择用LED分频指示灯用来表示，通过驱动器件进行对电机的电机驱动，实时控制风机的工作频率，即开闭状况。在不同的频率下，风机的运转速率不同，开闭程度也不同。实施对风机工作状态的监督和控制。
系统设计
选用OOS61荧光法溶解氧传感器进行对污水水样的氧浓度测定；水中溶解氧浓度的连续测量在水处理领域起着重要的作用，可以高效率地完成污水厂中活性污泥池里面氧浓度的测量、氧浓度的调节，从而降解生物化学物质；也可以在各种水文信息中监控河、海、湖的氧浓度，显示水文对应的质量。饮用水质检也可以用该传感器进行检测。
步进电机电路设计
步进电机把从ULN2003A处理过的电脉冲信号转换成机械位移，包括角度的位置变化和线段的长短变化。它是现代控制理论的执行者，也是主要受控部分。在设计中代表被实时监测控制的罗茨风机。在负载情况不超过额定数目时电机的角速度线速度以及停下的时间、具体位置都被脉冲信号的数量、频率影响。
LED指示灯电路设计
系统中的指示灯包括按照溶解氧浓度对电机频率选择的分频指示灯和按照不同速度运行的速度指示灯。不同的电流流经速度指示灯时指示灯亮起，表示不同溶解氧浓度下风机的不同运转速度，实现对风机的有级调控。
分频指示灯用四种颜色（绿、蓝、黄、红）的LED指示灯等表示不同的氧浓度对应的值，然后选择不同的线路进行电机转速的调节，比方说把1-100之间的自然数作为对氧浓度(DO值)的表示，则不亮灯为系统未启动或者DO值在20以下；绿色为20-40的DO值；蓝色为40-60DO值；黄色为60-80的DO值；红色为80-100的DO值。在电路图中，D1连接到ULN2003A驱动电路的1C端口，D2连接到2C，D3连接到3C端口，D4与驱动器件的4C端口直接连接，同时也连接步进电机接线。
本设计通过AT89S52对风机进行控制。用溶解氧测定仪采集污水中的氧浓度信息，在设计中用步进电机代表被实时监测控制的罗茨鼓风机，通过LED指示灯方便快捷地实时表现罗茨风机的工作情况，完成对罗茨鼓风机工作状态的监督和控制，达到对污水处理厂的节能控制。
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高炉罗茨鼓风机控制要求
高炉罗茨鼓风机的主要性能参数有送风量、排气(出口)压力、转速、静叶角度、效率等。描绘这些参数之间关系的曲线称为特性曲线。从喘振边界到阻塞线的范围称为稳定工况区,高炉罗茨鼓风机必须在稳定工况区内工作。高炉罗茨鼓风机控制和保护系统的主要作用是保证高炉正常生产所需的风量或者供风的压力,并确保高炉罗茨鼓风机长期、安全的运行,其具体内容和要求随高炉罗茨鼓风机及驱动装置的形式而异。 大、中型高炉的高炉罗茨鼓风机一般应设置有以下几种控制:保持给定风量不变的定风量控制,保持供风压力不变的定风压控制,防止高炉罗茨鼓风机发生喘振、逆流、转子轴温超限、转子轴位移超限、转子轴振动超限等保护功能,为维持系统正常工作的辅助设备控制功能等。
控制系统结构设计
由于全静叶可调式轴流压缩机属于大型高速旋转设备,用于高炉送风时被称做“高炉心脏”设备,它的运行状态将直接影响高炉的生产。因此,高炉压缩机控制站硬件选用西门子S7-400系列高端PLC,该系列PLC具有高可靠性、强大的运算能力、完善的自诊断功能、强大的联网能力,具有CPU冗余能力等功能。工程师站(ES)和操作员站(OS)选用西门子工业PC机并在WindowsXP下安装西门子WinCC人机界面平台软件、西门子工业以太网卡CP1613;监控站完成画面调用、参数修改设定、趋势记录、报警,报表生成与打印等功能。交换机选用西门子工业以太网交换机OSM-ITP62。
重要功能的实现
定风量/定风压调节系统
全静叶可调式轴流压缩机的叶片组由多级旋转叶片和若干级静止叶片组成。静叶可调是指静叶角度可以通过控制系统来调整。轴流压缩机对风量或风压的调节是通过调整压缩机静叶角度来实现的。静叶角度调节回路是由内环控制和外环控制形成的串级回路组成,如图2所示。
在压缩机从启动、增速、加载到运行过程中,随着压缩机工状态的变化,控制回路在定风量、定压力、手动、自动状态间进行切换,这些状态的切换在任何条件下必须是没有扰动的,通过软件内部的无扰动切换功能,使操作人员感到轻松随意,消除误操作的顾虑。
防喘振控制
由于喘振的根源是由于排气压力过高引起的,机组发生喘振时对应的排气压力称为喘振压力。防喘振调节的关键是防喘振控制曲线的设定,它不但会影响罗茨鼓风机的安全程序,而且也会影响罗茨鼓风机的运行范围和能量放空,是防喘振控制系统中的控制调节核心。防喘振控制曲线由空气压缩比、吸风温度、静叶位置、转子转速和罗茨风机出口风量组成。
在罗茨风机准备投入运行时,由制造厂对罗茨风机做罗茨风机特性试验和喘振试验。根据实测出的罗茨鼓风机喉部差压(DP)与排气压力P的函数关系即可得出罗茨风机的特性曲线和喘振曲线。
全静叶可调式轴流压缩机的喘振点都采取现场实测获得,即在不同的静叶角度下,测量对应的喘振压力,一般至少测量5至7点。将测量的点用折线连接即可绘出横坐标为喉部差压,纵坐标为排气压力参数的曲线,称为该机组的喘振线。将喘振线纵坐标参数下移5%-10%得到该机组的防喘振线。防喘振线如图3所示,图中防喘振线②是将喘振线纵坐标参数下移5%得到的。
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罗茨真空泵与罗茨鼓风机罗茨鼓风机润滑罗茨鼓风机的维修
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