罗茨鼓风机的基本原理

2 罗茨鼓风机的基本原理

2.1罗茨鼓风机原理及工作过程

罗茨鼓风机风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，二叶型叶

轮每转动一次由1个叶轮进行1次吸、排气。风机2根轴上的叶轮与椭圆

形壳体内孔面，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持

微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出

的一侧。风机内腔不需要润滑油，结构简单，运转平稳，性能稳定，适应

多种用途，已运用于广泛的领域。作为风机核心部件的叶轮转子，其发展趋势

在很大程度上决定了风机的发展。风机转子的加工精度直接影响风机的使用性

能；风机转子加工过程中中心不对称直接影响风机的使用寿命；风机转子加工表

面质量和转子轮廓曲面质量直接影响风机工作噪声。

罗茨风机分卧式和立式两种。卧式罗茨风机，它由两个渐开腰形转子(空心

或实心)、长圆形机壳、两根平行轴组成。机壳可分为带有水冷、气冷和不设冷

却装置三类。传动机构是在两轴的同端装有式样和大小完全相同的、且互相啮合

的两个齿轮，使主动轴直接与电动机相连，并通过齿轮带动使从动轴作相反方向

的转动。每个转子旋转一周，能排挤出两倍阴影体积的空气，因而主动轴每旋转

一周就排挤出4倍阴影体积的空气。罗茨风机进、出口合理的布置应为：上端进

风下端排风(对卧式而言)，这样可以利用高压气体抵销一部分转子与轴的重力，

降低轴承压力，减少磨损。

罗茨风机的理论风量为nL A q v

04=，式中A 0为转子在垂直位置时与机壳内壁所包围的面积，计算中近似取它等于转子运动所描绘的面积π

D 2／4的1／3，A 0＝l ／3π

x D 2／4＝D 2π／12。因而，得出理论风量为q v ＝4x (D L 2π)／12＝1／3L D 2πn 。

由于转子与转于间、转子与机壳间有缝隙存在，空气将会漏回至吸风侧，因

而实际输气量小于理论风量，即3/2ξξπv v v vt nL D q q ==

D ——腰形转子直径．即转子两顶点间距离，mm ；

L ——腰形转子的长度，mm ；

n——转子转数，rpm；

ξ

——容积效率，一般ξv=0.75-0.85。

v

从理论分析可知，只要电动机能带及动，鼓风机就可在任何压强下工作。但是，如出风口与进风口压强相差过大，就会有大量空气经间隙漏回至进口，导致罗茨鼓风机效率降低；同时，转速过高，也可能引起机器振动而缩短寿命，故出风口压强不宜过高。国产罗茨鼓风机的静压在19620～207910Pa之间，风量在0．25－250m3／min(在标准状态下)，一般转速有580、730、960及1450r/pm。取鼓风机进、出口断面，列出包含有罗茨鼓风机机械能的方程，就可得出能量与气体热力学过程有关。

1．罗茨鼓风机的优点

1)正常情况下，压力的变化对风量影响很小，风机的转速成正比，因此，罗茨风机基本属于定容；

2)吸气和排气时无脉动，不需要缓冲气罐；

3)占地面积小，便于布置和安装；

4)转子与转子之间、转子与壳体之间保留有0.2-0.5mm的间隙，不存在摩擦现象，允许气流含有一定粉尘；

5)与水力喷射泵及水环式真空泵相比，不存在”排气带水”问题；

6）运行可靠，维护方便，耐用。

2.罗茨鼓风机的缺陷

1)噪声大，进、出口需装设消声器；

2)在高真空工况下，叶片间隙漏风加剧，使输送量下降，易造成堵管。

两叶罗茨风机的工作原理图2—1

三叶罗茨风机的工作原理2—2

2.2预进气原理

预进气压缩方法，主要是为改善鼓风机的回流冲击特性提出来的。如图2——3所示，在基元容积由进气口向排气口移动的过程中，通过开在机壳或墙板上的导气孔口，向其内部预先导人高压气体，以便在基元容积与排气口连通之前，使其内部压力逐渐与排气口的压力达到平衡(或接近平衡)。与传统的压缩情形相比，导人预进气后，排气口的回流冲击强度大为减弱，鼓风机的气体动力性噪声得以降低。

图2一3预进气原理示意图

实际应用中，通常从鼓风机的排气口引回一部分气体，作为高压预进气导人机壳。如果将排气口的高温气体冷却之后再导人基元容积，则不仅可以减缓排气口的回流冲击，而且还能降低鼓风机的排气温度，这种降低排气温度的方法称为逆流冷却。

2.3分类、特点及应用

1.分类方式

由于工作方式不同，罗茨鼓风机(真空泵)有单级与双级、干式与湿式之分。

(1)单级与双级。只有一个压缩级的鼓风机(真空泵)，称为单级鼓风机(真空泵)。将两台单级鼓风机(真空泵)串联起来，对气体连续进行两次压缩，即为双级鼓风机(真空泵)。

(2)干式与湿式。鼓风机一般作干式输送，真空泵有干式和湿式两种情况。所谓湿式真空泵，就是从泵的进气口向机壳内注人少量的水，通过水分与气体混合，吸收气体压缩过程中产生的热量;同时利用水对机壳内部间隙进行密封，减少气体经过间隙的泄漏。因此，注入的水既称冷却水，又称密封水。

此外，还有下列各种分类方法:按叶轮头数分，有两叶鼓风机和三叶鼓风机。按密封型式分，有迷宫密封、涨圈密封、填料密封和机械密封等各种型式的鼓风机。按冷却方式分，有空冷鼓风机、水冷鼓风机和逆流冷却鼓风机等。按结构型式分，有立式鼓风机、卧式鼓风机、竖轴式鼓风机、密集成组型风机等。按传动方式分，有直联鼓风机、带联鼓风机等。按介质种类分，有空气鼓风机、煤气鼓风机、氢气鼓风机、二氧化硫鼓风机等。还可按用途分，如立窑鼓风机、气化鼓风机、曝气鼓风机等。

2.主要特点

与其他类型的气体压缩机械比较，罗茨鼓风机具有下述特点:

(1)由于是容积式鼓风机，因而具有强制输气特征。在转速一定的条件下，流量也一定(随压力的变化很小)。即使在小流量区域，也不会像离心式鼓风机那样发生喘振现象，具有比较稳定的工作特性。

(2)作为回转式机械，没有往复运动机构，没有气阀，易损件少，因此使用寿命长，并且动平衡性好，能以较高的速度运转，不需要重型基础。运转一周有多次吸、排气，相对于活塞式压缩机而言，气流速度比较均匀，不必设置储气罐。

(3)叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有间隙，运转时不像螺杆式和滑片式压缩机那样需要注油润滑，因此可以保证输送的气体不含油，也不需要使用气一油分离器等辅助设备。由于存在间隙及没有气阀，输送含粉尘或带液滴的气体时也比较安全。

(4)无内压缩过程，理论上比那些有内压缩过程的鼓风机要多耗压缩功。但除同步齿轮和轴承外，不存在其他的机械摩擦，因此机械效率高。特别是大型罗茨鼓风机，容积效率高，绝热效率也比较高。

此外，罗茨鼓风机还具有结构简单、制造容易、操作方便、维修周期长等优点。其缺点是:①无内压缩过程，绝热效率较高(小机型偏低);②由于间隙的存在，造成气体泄漏，且泄漏流量随升压或压力比增大而增加，因而限制了鼓风机向高压方向的发展;③由于进、排气脉动和回流冲击的影响，气体动力性噪声较大。

3.应用范围

作为一种典型的气体增压与输送机械，罗茨鼓风机在其特定压力区域内具有

广泛的适用特性。其流量通常为0. 5 - 80m3 /min，单级工作压力为53.3—98kPa。双级串联时，鼓风机正压可达196kPa，真空泵负压可达80kPa。采用逆流冷却时，单级正压可达156.8kPa，负压可达78.4kPa。以长沙鼓风机厂1999年的产品型谱为例，图2一4示出了罗茨鼓风机和真空泵的性能范围。

图2一4罗茨鼓风机(真空泵)的性能范围

A.单级鼓风机;

B.单级(逆流冷却)鼓风机;

C.双级鼓风机;

D.单级干式真空泵;

E.单级干式(逆流冷却)真空泵;

F.单级湿式真空泵;

G.双级湿式真空泵。

就应用而言，罗茨鼓风机大多作空气鼓风机使用，其用途遍布建材、电力、冶炼、化工与石油化工、矿山、港口、轻纺、邮电、食品、造纸、水产养殖和污水处理等许多领域。采用气密性好的密封装置时，也可用来输送空气之外的气体，如氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷、乙炔、煤气等。另外，在医药、食品、化工和石油化工等部门，罗茨鼓风机通常用作各种低压气力输送系统的气源机械。

2.4罗茨鼓风机基本结构

鼓风机的主要零部件有机壳、墙板、转子、同步齿轮、轴承及密封件等。1.机壳

机壳为截面呈椭圆形的缸体，一般由高强度铸铁制成，输送腐蚀性气体时可采用不锈钢制造。缸体上设有进、排气孔口，外部铸有加强筋和安装脚，大多为整体结构。也有些大尺寸机壳采用水平中分结构，上、下壳体之间采用销钉定位。

2.墙板

在机壳与主、副油箱之间设有墙板。其作用一是作为端盖，将机壳两端封闭起来;二是作为支座，将转子两端支承起来。靠近轴伸端的称为前墙板，另一端的称为后墙板。有的墙板上配有侧板，装配时将侧板嵌人机壳端口，可满足转子径向定位的要求;工作时即使发生磨损，也只需要更换侧板，而不至于让整块墙板报废。墙板一般为高强度铸铁制件。输送腐蚀性气体时，通常与机壳一样，采用不锈钢制造。

3.转子

转子通常由叶轮与轴经热套或冷压结合而成，有主动与从动之分。轴为优质碳素钢或高强度合金钢制件，从动轴相对较短。叶轮一般为高强度铸铁制件，必要时采用不锈钢制造。小型转子也可将叶轮与轴做成一个整体，采用高强度球墨铸铁铸造。为减轻重量，往往将叶轮头部做成空心结构。

转子按叶轮头数有两叶与三叶之分，按叶轮形状有直叶与扭曲叶片之分。两叶转子均为直叶，三叶转子有直叶和扭曲叶片两种形状。就声学性能而言，三叶优于两叶，扭曲叶片优于直叶。但因加工条件所限，实际应用中以直叶转子居多。

叶轮横断面的图形称为叶型，其轮廓线称为型线。型线由一组特定曲线组合

而成，通常按其中某段曲线的名称给叶型命名。以两叶转子为例，圆弧线叶型、渐开线叶型及摆线叶型等常用叶型的型线特征。

4.同步齿轮

同步齿轮的作用，一是传递动力，二是确定两叶轮间的间隙，保证两转子同步运转。主、从动齿轮具有相同的啮合参数，是一对传动比等于1:1的圆柱齿轮。为了便于周向调整，从动齿轮大多由齿圈与轮毂组合而成。调整时，应按规定的旋转方向进行旋转。反向旋转时，齿轮侧隙将空置到齿槽的另一侧去，主、从动叶轮之间的间隙将随之发生变化。

齿轮有直齿、斜齿及人字齿等几种齿型，材料一般为优质碳素钢或高强度合金钢。齿轮与轴、齿圈与轮毅之间为圆柱配合或锥度配合。采用圆柱配合时，在配合面间装有起固定作用的平键。

5.轴承

就承载而言，主要是径向载荷。当同步齿轮为直齿或人字齿时，不存在轴向力;采用斜齿轮时，会产生一定的轴向力，但载荷较小。常用轴承，有深沟球轴承、调心滚子轴承、角接触球轴承及圆柱滚子轴承等型式。圆柱滚子轴承大多作承载轴承使用，其他几种轴承既可承载，也可对转子起轴向定位作用。

6，密封

密封的目的，主要是防止气体和润滑油泄漏。密封的好坏，在一定程度上能反映产品设计制造水平的高低和使用性能的优劣。特别是在输送易燃、易爆或有毒气体时，密封是关系到鼓风机能否安全运行的关键因素。

密封分为两大类。一类是固定部位的密封，如墙板与机壳之间、墙板与油箱之间以及轴承压盖与轴承座之间的密封，称为静密封;另一类是运动部位的密封，如轴端部位、轴承座尾部及轴伸部位的密封，称为动密封(或轴密封)。静密封结构简单，一般为橡胶石棉板、O形密封圈等。轴密封结构较为复杂，常用的有迷宫密封、骨架油封组、涨圈密封、填料密封和机械密封等型式。