离心真空泵的气动设计探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空航天大学能源与动力工程学院 作者:李佳

  高效率真空泵的设计技术对于工业的节能具有重要意义。根据某真空泵的设计要求,针对真空泵的工作叶轮的形式和设计点参数,分析和探讨了叶片负荷分布形式和分流叶片弦向和周向位置对性能的影响规律,在此基础上完成了该离心真空泵的气动设计。利用三维数值模拟软件对不同叶片扩压器角度情况下的性能曲线和内部流动进行计算。充分考虑真空泵内部流动的非对称性,采用了全通道计算,同时分析了真空泵的离心叶轮、叶片扩压器及蜗壳内部的流动特点。结果表明,叶片负荷分布形式和分流叶片弦向和周向位置对流量、出口气流角和效率均有较大的影响;通过改变叶片扩压器角度使得离心真空泵的特性线平移,使得离心真空泵在整个工作过程中始终工作在高效率区,达到节能的目的。

1、引言

  在石油、化工等工业生产的许多工艺过程中(如真空过滤、真空送料、真空脱气等),都需要通过真空泵来实现一定的真空环境,从而使真空泵得到了广泛的应用。真空泵主要分为两类,容积式真空泵和动力式真空泵。容积式真空泵(如水环泵、旋片泵、罗茨泵等)具有抽速稳定,但真空度随抽吸流量变化较大,而动力式真空泵的真空度随抽吸流量基本不变,同时消耗功率逐渐减小,可节约大量的能源。对于要保持容积箱内真空度不变时,则必须选用动力式真空泵,而离心真空泵则是动力式真空泵中常见的一种。目前国外在离心真空泵方面已经做了大量的研究工作,其中以德国MANTurbo公司最为出色,已形成了一系列的产品。国内在离心真空泵方面主要集中于加工生产上。对于离心真空泵的核心部件离心叶轮、扩压器和蜗壳也只是在车用/航空活塞发动机的涡轮增压器、微型燃气轮机等领域进行相关的研究。而针对离心真空泵的工作特点以及设计参数的选取等方面的相关文献较少。鉴于国内的这种背景,结合一些工业的需求,对离心真空泵设计点的设计参数选取及气动设计技术方面进行讨论。

2、离心真空泵的工作原理

  离心真空泵的结构简图如图1所示,主要由离心叶轮、扩压器和蜗壳组成。容积箱内的气体经进口进入真空泵内,气体在真空泵内先经过高速旋转的离心叶轮进行增压,同时在离心力的作用下,将气体甩出离心叶轮,并进入径向叶片扩压器中,在扩压器中气体的速度进一步减小,压力进一步升高,通过蜗壳进一步减速增压,并排入大气中。

离心真空泵的结构简图

图1 离心真空泵的结构简图

1.进口;2.出口(排气口);3.离心叶轮;4.增速箱;5.泵体

  随着真空泵的不断抽吸,空气流量随时间逐渐减小,为保证离心真空泵能始终工作在高效率区,结合叶片扩压器角度变化时可使离心真空泵特性线左右平移的特点,设计时保持真空度近似不变,即离心真空泵的增压比近似不变,真空泵的流量随时间会逐渐减小,而消耗的功率也逐渐减小,采用这种模式可以在工作时间内节约大量能源。

3、设计参数选取分析

  以某真空泵容积箱内压力变化是100~35kPa为例,如图2所示,容积箱内气体温度为40°。

  根据图2中容积箱内压力变化可知,离心真空泵进口最低压力为35kPa,为了能顺利的将真空泵内气体排出,取真空泵出口压力为104kPa,略高于外界标准大气压力(101kPa),由此可计算出真空泵最大增压比为2.98,采用离心叶轮、叶片扩压器和蜗壳组合形式的离心真空泵是比较合适的。为了兼顾低增压比下离心真空泵的气动效率,设计点进口压力取为39kPa。

容积箱内压力变化与时间的关系

图2 容积箱内压力变化与时间的关系

  离心叶轮的转速是主要通过比转数来考虑的,因为比转速的选取会直接影响效率,同时兼顾考虑叶轮几何尺寸和齿轮增速箱的传动比。比转速的定义如下:

比转速的定义

  式中:ns为比转速,n为离心叶轮转速,Q为体积流量,Lad为轮缘功。根据离心叶轮的设计经验,比转速一般在0.75~0.85时效率较高,考虑到比转速较小时叶轮几何尺寸较大,不利于加工,故选取比转速为0.8,同时考虑到齿轮箱的转动比,对设计转速取整则为9000r/min。

  采用大小叶片可提高离心真空泵的气动效率,故设计时选用了大小叶片的形式。由于国内在对离心叶轮的大小叶片理论研究和加工制造方面比较成熟。如王琦等对径流任意曲面叶型大小叶片的造型和反问题优化方法进行了研究,发展了相关程序,并利用Numeca软件进行了数值验证。刘冰等对离心叶轮叶片的加工方法进行研究分析。邱加栋[4]对离心叶轮的数控加工现状进行了总结,并提出了一种新的加工方法,但都需采用四轴以上联动的数控机床加工。

5、结论

  根据真空泵的设计要求,对设计点的参数选取和设计技术进行了探讨和分析,完成了离心叶轮、径向扩压器和蜗壳的气动设计,并利用三维数值模拟软件对性能曲线进行了模拟,得到结论如下:

  (1)对于离心叶轮尖部,将负荷后移,即采用后加载设计,有助于减小尖部二次流,减小损失,同时为了保证其非设计点性能,在设计时,可选取适当的负攻角;

  (2)分流叶片的弦向长度和周向位置对离心叶轮的加工量和效率有较大影响,分流叶片弦向长度过大或过小都会引起效率的降低,周向位置偏向吸力面可避免分流叶片与压力面一侧槽道过小,进而减小损失;

  (3)为真空泵能工作高效率区域,可采用可调有叶扩压器叶片角度的方法,使得真空泵的特性线平移,保证其在偏离设计流量的情况下也能工作在高效率区,进而可节约大量能源。

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