概況及原理
氣體循環冷卻羅茨真空泵，由于其特殊的結構設計，使其可以在高壓差和高壓縮比下長期可靠運行。冷卻氣體從泵體的兩側進入泵的吸氣腔，使泵不會因壓縮氣體而出現過熱，但對泵的抽氣性能沒有任何影響。右圖Ⅰ至圖Ⅴ是轉子在泵腔內旋轉 120 度并完成一次吸、排氣的過程。冷卻器和電機是每臺泵的附件，冷卻器和電機的規格是根據不同的工況而定。泵可以單獨使用也可以多臺串聯使用，或與液環真空泵和普通羅茨真空泵串聯成機組，達到更高真空度來滿足各類工藝要求。
氣冷式羅茨真空泵是一種允許在高壓差下連續運行而不會超溫的羅茨真空泵。它也具備普通羅茨真空泵轉速高，體積小的優點，其工作及現金取決于泵本身的機械強度。
氣冷羅茨真空泵采用三葉型轉子型線，容積利用系數大，體積更小。配帶合適的電機和冷凝器后，可在任意壓力下啟動，在在任意壓差下運行。氣冷式羅茨真空泵除可單獨使用外，也可組成機組。在部分情況下，即處于機組中間級時，氣冷式羅茨真空泵是依靠泵外冷卻器達到熱平衡的。如作為機組級或單獨使用，均可不帶冷凝器而依靠空氣的冷卻。
該泵及機組可以達到各種極限壓力及工作壓力，在以下情況下，均可選用氣冷式羅茨真空泵及機組：
1、負荷特別大；
2、要求抽氣時間短；
3、低真空至高真空均需大抽速；
4、需要避免普通泵工作介質的場合。
該泵及機組可廣泛適用于真空冶煉，真空干燥，真空浸漬，真空蒸餾，真空脫氣，航空模擬實驗，氣體輸送，真空吸送及電站吸塵和其他真空作業中。

主要特點
1、單獨使用時直排大氣的工作真空度可以達到 150mbar。
2、多級串聯或和其它前級泵泵串聯后可以達到中真空范圍。
3、特殊結構設計確保泵在高壓差和高壓縮比運行時不會過熱過載。
4、三葉漸開線型線結構和高精度機械加工確保產品運轉平穩安靜。
5、抽氣性能、噪聲、振動等主要性能比傳統二葉泵更有顯著提高。
6、的平衡式機械密封使泵的密封性能比傳統骨架密封更可靠。
7、泵腔為無油結構，適用于抽除一般空氣及各種特殊氣體。
8、與其它機械真空泵比較，節能效果十分顯著。

兩葉與三葉轉子氣冷式羅茨真空泵氣動噪聲分析
氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由機械噪聲和氣動噪聲組成，氣動噪聲具有強度高、危害大的特點，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。應用 FLUENT 軟件動態模擬泵的內部流場，對兩葉、三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進行比較，分析氣動噪聲產生的來源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。同時對兩種轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進行測試，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲明顯低于兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵。氣冷式羅茨真空泵具有結構簡單、工作可靠，能夠在高壓差和高壓縮比下正常運行，縮短大容器的抽空時間等優點，近年來廣泛應用于大型空間模擬裝置、汽輪機動平衡裝置以及化工等各行業，市場前景廣闊、經濟效益顯著。但存在著噪聲大的缺點，不僅污染了環境，也惡化了工作條件，限制了它的進一步應用，因此氣冷式羅茨真空泵的噪聲研究得到了廣泛關注。真空技術網認為氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由氣動噪聲和機械噪聲構成，氣動噪聲具有強度高、危害大的特點，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生的旋轉噪聲和紊流產生的渦流噪聲組成。在中心距和外圓半徑相同的條件下，三葉圓弧擺線轉子氣冷式羅茨真空泵的容積利用系數比兩葉圓弧擺線轉子氣冷式羅茨真空泵高。目前國內氣冷式羅茨真空泵的轉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。本文應用 FLUENT 軟件數值模擬泵的內部流場，對兩葉、三葉圓弧擺線轉子型線氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進行研究，分析氣動噪聲產生的來源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。
1、計算模型
1.1、基本方程
(1) 連續性方程
(2) 運動方程
(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，cp 是比熱容， T 為溫度， k 為流體的傳熱系數，ST 為粘性耗散項。
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 的產生項。
1.3、數值解法
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及旋流流動情況，能夠更好地處理高應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，壓力項采用 PRESTO! 格式離散,其余項采用二階迎風格式。采用動網格技術通過函數定義實現轉子的轉動。壁面附近采用壁面函數法。
1.4、模型建立及網格劃分
根據企業生產的兩葉、三葉圓弧擺線轉子的 LQ300 氣冷式羅茨真空泵建立模型。主要參數有：抽氣速率為 300 L/s，中心距 180 mm，電機轉速為 1490 rpm。由于模型的計算為非定常，計算區域劃分網格的尺寸小，劃分的總體網格數大，計算時間較長，三維模型徑向截面流動同二維的流動情況基本相同，二維的計算模型已經能夠滿足分析流場的需要，因此計算中采用了二維模型。圖 1、圖 2分別為兩葉、三葉圓弧擺線轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型。
圖 1 兩葉轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型
圖 2 三葉轉子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型
為便于計算以及盡量減少網格數量，進氣、排氣區域非旋轉區域因為在計算過程中網格沒有變化，采用四邊形結構化網格;旋轉流場區域，網格隨時間變化，為減小不同時刻網格的扭曲率以及計算的收斂性，采用三角形網格，對于兩葉轉子，整個流場的初始網格數為 168604，網格扭曲率為 0.447306。對于三葉轉子，整個流場的初始網格數為 115340， 網格扭曲率為 0.505867。1.5、邊界條件及初始條件設置邊界條件設置如下：進氣壓力為 5000 Pa，進氣溫度為 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壓力值。流動介質采用空氣，按理想氣體設置屬性，初始化整個流場。
2、數值模擬結果及分析
2.1、進氣噪聲
輸出兩葉轉子、三葉轉子旋轉一周(0.04027S)的進氣速率圖，如圖 3、圖 4為兩葉轉子、三葉轉子進氣速率脈動曲線。不考慮泵開始運轉的不穩定狀態;泵正常運轉后，進氣速率脈動與轉子的結構相一致。由于轉子旋轉過程中，進排氣腔容積不斷發生由大變小、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。兩葉轉子旋轉一周出現四個完整的脈動周期，三葉轉子旋轉一周出現六個完整的脈動周期，與理論預測結果相同。從圖 3、圖 4 中可以看出，兩葉轉子泵的進氣瞬時速率為 1400 L/s，最小進氣瞬時速率為 100 L/s，波動幅度較大。三葉轉子泵的進氣瞬時速率為1000 L/s，最小進氣瞬時速率為 100 L/s。兩者相比之下，兩葉轉子的進氣速率脈動比三葉的大的多。脈動越大，進氣氣動噪聲越大。
圖 3 兩葉轉子進氣速率脈動曲線
圖 4 三葉轉子進氣速率脈動曲線
2.2、排氣噪聲
圖 5、圖 6 為兩葉轉子、三葉轉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子氣冷式羅茨真空泵，與各自的進氣速率脈動相比，排氣脈動小，排氣狀況較好。
圖 5 兩葉轉子排氣速率脈動曲線
圖 6 三葉圓弧擺線轉子排氣速率脈動曲線
相比之下，三葉轉子的排氣速率脈動比兩葉轉子的排氣速率脈動要大。這是由于兩葉轉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，工作腔內的氣體壓力與返冷氣均壓后基本達到返冷氣壓力(20000Pa)時，再與排氣腔相通，因此排氣平緩。而三葉轉子由于轉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，使氣流受到沖擊與壓縮形成脈動，因此排氣速率脈動較大。當三葉轉子繼續轉動一定角度轉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。工作腔內氣體的壓力基本達到返冷
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 兩葉轉子右工作腔與返冷氣口相通的壓力分布
圖 8 三葉轉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生的噪聲
當工作腔與返冷氣口相通時，高壓返冷氣體高速流入工作腔，與工作腔內的低壓氣體混合，形成渦旋，實現工作腔內的均壓，同時產生了渦流噪聲。不考慮兩葉圓弧擺線轉子與三葉圓弧擺線轉子的容積利用系數差異的影響，兩葉轉子和三葉轉子在相同的中心距和圓弧外徑的條件下，三葉轉子 V3 的封閉工作腔容積是兩葉轉子的封閉工作腔容積 V2 的 2/3，兩葉轉子的返冷氣進入工作腔的速率大于三葉轉子的速率，并且兩葉轉子的均壓過程中產生的氣流沖擊及渦旋強度均大于三葉轉子，如圖 9、圖 10 所示。渦旋強度越大，產生的渦流噪聲也越大。
圖 9 兩葉轉子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布
圖 10 三葉轉子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布
2.4、間隙泄漏產生的噪聲
兩葉圓弧擺線轉子頭部有個大圓弧密封頭，而三葉圓弧擺線轉子由于結構限制，轉子頭部不能設計成與兩葉轉子這樣的大圓弧密封頭，因此在轉子與轉子、轉子與泵體內壁間隙相同的情況下，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵更容易通過各種間隙從高壓區向低壓區返流，不僅產生較大的氣動噪聲，而且降低泵的極限真空度。
3、結論
氣冷式羅茨真空泵的主要氣動噪聲并非主要來自排氣腔處氣流的周期性脈動，而是來自進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生的氣動噪聲。進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生的氣動噪聲，兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵要比三葉轉子的氣動噪聲要大;而排氣腔處氣流的周期性脈動及間隙泄漏產生的氣動噪聲，雖然兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵比葉轉子的要小，但影響不大。因此，從模擬結果上看，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵產生的氣動噪聲比兩葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲要小。根據真空泵測試標準對抽速為 300 L/s 三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進行測試，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子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲為 104.4 dB，三葉轉子的氣冷式羅茨真空泵的降噪效果明顯。

單級氣冷式羅茨真空泵主要技術性能規格