曲爪型真空泵转子优化型线研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油大学(华东)化学工程学院 作者:姜希彤

  本文介绍了曲爪型真空泵转子的典型型线以及优化型线的构建方法,并由此得到了9 种不同的爪式型线。为了找出9 种型线中的最佳性能曲线,分别对这9 种不同的爪型转子进行工作过程中流场的数值模拟以及转子的受力分析。在数值模拟中,爪型转子工作压力比随着爪尖半径的增加而减小。在应力分析中,随着爪尖半径的增加,转子所受的最大应力减小,其力学性能提高。因此,综合其工作性能和力学性能考虑,爪式真空泵最好选择相对爪尖半径为0.114~0.143 的爪型转子。

  爪式真空泵(包括爪式真空泵、爪式压缩机和爪式膨胀机等)是一种新型的容积式流体增压输送机械。它由两个特殊的爪型转子以及机壳、密封装置等组成。爪式真空泵工作时,由两个转子进行同步异向回转运动而对泵腔进行压缩或者膨胀,从而达到流体增压输送目的。

  爪式真空泵具有无需润滑,干式无油,运转平稳等特点,用途广泛,型线的优化必然带来性能的提高。爪式真空泵已经广泛应用到石油化工行业、医药行业和半导体行业中;爪式压缩机作为低压压缩机也可以代替化工厂中的低压压缩机。因此,爪式真空泵应用前景具有很大的潜力。

  查阅国内外文献发现。在型线方面,国外学者通过研究螺杆型线而引出了爪式转子型线。国内学者构建了不同节圆半径和顶圆半径的爪式型线,扩充了爪式型线类型。同时,也对爪式真空泵的工作过程进行了细致的研究。在数值模拟方面,已经对爪式真空泵的模拟研究有了较为成熟的方法,并成功模拟出爪式真空泵的工作过程。

  因此,本文对曲爪型的典型爪式转子型线以及优化的型线进行研究。通过对它们的流场进行数值模拟以及对转子的受力分析,并将9 种型线的数值模拟结果进行对比,得出最佳的优化型线取值范围,为其产品设计提供理论依据。

1、曲爪型真空泵转子型线构建

  1.1、典型型线构建

  典型型线构建如图1 所示,我们可以把它称为典型曲爪型线或者r0 型线。型线构建的过程如下:首先将圆O1 固定,圆O2 的中心与圆O1距离为L,并且记录圆O2 的a 点的位置。将圆O2 以角速度ω 绕圆O1 顺时针进行转动,同时,圆O2 也以角速度ω 绕自身圆心顺时针转动。a点移动的轨迹即为构建爪型转子最重要的曲线。a 点移动的轨迹曲线的公式如下所示:

曲爪型真空泵转子优化型线研究

  通过曲线绘制工具,可以得到a 点移动的轨迹曲线。然后将该曲线进行一系列的旋转变换,并用3 个不同半径的圆进行截取,即可得到典型的爪式转子型线。此爪式型线的节圆半径为35 mm,爪顶圆弧半径为50 mm。如图2 所示。

曲爪型真空泵转子优化型线研究

图1 典型型线构建 图2 典型爪式转子

图3 优化型线构建 图4 优化爪式转子

4、结论

  (1)本文介绍了典型爪式真空泵转子以及优化转子的构建方法,并且定义了从r0 到r8 的9 种不同爪尖半径的爪式转子。

  (2)从数值模拟结果来看,爪式真空泵工作时的压力比随着爪尖半径的增大而降低,但是在r0 到r5 之间压力比衰减比较缓慢。

  (3)在爪型转子的受力分析中,可知转子爪臂的1、2 部位最容易产生弹塑性变形,并且随着爪尖半径的增加,其所受最大应力越来越小,抗压能力越来越好。在爪尖半径4 以后,最大应力值衰减缓慢,抗压能力趋于平稳。

  (4)通过以上分析,根据压力比以及极限载荷选取合适的爪型转子,爪式真空泵通常取相对爪尖半径为0.114~0.143 的爪型转子。

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