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罗茨风机进气消声器与空气滤清器一体化设计及性能研究

付琪琪  
【摘要】:罗茨风机作为一种气体增压与输送设备,广泛应用于煤炭、化工、水产养殖、污水处理等行业。在正压送风场合,其进口部位辐射的空气动力性噪声加剧了环境的污染,同时,进口空气质量严重影响着罗茨风机的安全运行。设计高性能的空气滤清器和进气消声器是改善罗茨风机进口空气质量和降低进气噪声的有效方法,虽然目前国内外针对空气滤清器和消声器的研究较多,但大多单独设计,关于滤清消声一体化组合结构的研究还较少。为保障罗茨风机安全、高效、低噪声运行,本文基于初步设计的一套滤清消声一体化装置,采用与实验结果吻合较好的声学有限元法(FEM)对其声学性能进行数值模拟,运用计算流体力学(CFD)方法对其空气动力学性能进行数值模拟,获得传递损失、压力损失和流场分布特性,综合考虑滤清消声一体化装置的声学性能和空气动力学性能,运用正交试验设计方法对其主要结构参数进行优化改进。主要研究内容和结论如下:首先,通过对单一消声元件、简单消声元件串联与滤清消声一体化装置的消声性能的数值模拟结果进行对比,证明滤清消声一体化装置具有更好的宽频消声效果,且结构更为紧凑。然后,分析了有无滤芯、滤芯厚度、滤芯位置、滤芯流阻率、内插管插入方式、有效穿孔段长度、穿孔管直径和穿孔率等结构参数对滤清消声一体化装置消声性能和阻力特性的影响。结果表明:滤芯可使滤清消声一体化装置消声性能整体有较大改善,尤其在高频噪声范围,但同时也产生了较大的压力损失;随着滤芯厚度的增加,传递损失和压力损失均增大;滤芯位置对传递损失和压力损失的影响均较小;随着滤芯流阻率的增加,传递损失随之增大;左右两侧均插入内插管可以在对压力损失影响不大的情况下,提高传递损失;有效穿孔段长度对传递损失有显著影响,不同有效穿孔段长度对应不同的共振频率,对压力损失影响较小;当穿孔管直径与出口管直径相同时,有较高的传递损失且压力损失增幅较小;穿孔率对滤清消声一体化装置的传递损失和压力损失的影响均较小。最后,以传递损失和进口气流速度为21m/s时的压力损失为优化目标,运用正交试验设计方法确定出滤清消声一体化装置的滤芯厚度、内插管插入方式、有效穿孔段长度和穿孔管直径这四种结构参数的优选组合,并基于得出的优化模型对内插管长度进行改进,获得最佳组合方案,将滤清消声一体化装置优化前后的性能通过数值分析进行比较,结果显示优化后不但在整个频段范围内提高了消声性能,而且优化了阻力特性,消声量较初始模型整体提高18%,压力损失平均降低20%,综合性能显著提升。本文通过对滤清消声一体化装置的设计和结构参数优化,在保证罗茨风机进口空气品质的同时,提高了降噪效果,降低了流动损失,显著提升了滤清消声一体化装置的综合性能,可为工程中进气消声系统的设计、优化提供参考。


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