离心真空泵的气动设计技术探讨

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:黄金

  高效率真空泵的设计技术对于工业的节能具有重要意义。本文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。为了充分考虑真空泵内部流动的非对称性,本文采用了全通道计算,同时分析了离心压气机转子、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,这可使得离心真空泵在整个工作过程中始终工作在高效率区,可达到节能的目的。

  真空泵的作用是通过抽吸某个或多个容积体的气体而使该容积体达到一定的真空度。在工业生产的许多工艺过程中(如真空过滤、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等),都需要通过真空泵来实现一定的真空环境,因而真空泵广泛应用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等部门。国外在真空泵方面已经做了大量的研究工作,其中以德国MAN Turbo公司最为出色,他们已形成了一系列的产品。国内主要集中在活塞发动机的涡轮增压器、微型燃气轮机、航空发动机等领域对离心、轴流、斜流压气机及相互组合、扩压器和蜗壳进行了相关的研究。单鹏等对径流及斜流压气机任意曲面叶型长短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。Cheng G.C.等通过使用有限差分的N-S方程,包括扩展的湍流模型和合理的转静交界面,发展了涡轮泵模型,该模型可应用于目前高性能、通用的涡轮泵设计和分析中,但该模型仅考虑了进口导流叶片和离心叶轮,未考虑径向扩压器和蜗壳部件。Mounts J.S.等对后掠离心叶轮内部复杂流动进行了研究,研究结果表明叶尖泄露压力梯度主导离心叶轮内部流场,以及出口速度分布不均匀性。早期由于受到计算条件的限制,在对蜗壳进行数值计算时,大多假设进口为均匀流场。Pan 等人通过实验研究表明,蜗壳的非对称性使得其进口流场产生了不均匀性。王企鲲等对进口周向非均匀流动的蜗壳进行了数值模拟,结果表明在设计工况下,蜗壳进口周向流动比较均匀,在变工况下,流动在蜗舌附近呈现强烈的非均匀性,这种非均匀性会造成叶轮轴向载荷出现周期性变化。Steglich 研究了蜗壳与有叶扩压器在不同条件下的匹配情况及内部流场。李延宾等将离心叶轮、叶片扩压器与蜗壳耦合在一起进行数值研究,分析了蜗壳内部流动以及蜗壳与扩压器相互作用所导致的流动现象和不同工况条件下,蜗壳进口周向流动的不均匀性。

  结果表明:设计流量下和大流量下,对称蜗壳的蜗舌附近叶片扩压器通道中出现了回流,偏心蜗壳仅在大流量时出现回流现象,在非设计流量下,静止部件内部损失均大于设计流量,其中在大流量下尤为明显:扩压器内部损失在静止部件总损失中均占到80%以上,蜗壳内部损失小于20%;小流量下叶片扩压器内部损失所占比例小于大流量工况。然而针对真空泵设计点的设计参数选取及相关设计技术方面的研究较少,为此本文针对真空泵的设计技术进行讨论。

  结论

  根据真空泵的设计要求,对其设计点的设计参数的选取和设计技术进行了探讨和分析,并完成了离心叶轮、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其性能曲线进行了模拟,得到的主要结论如下:

  (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和喘振裕度,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)为了真空泵能工作在高效率区域,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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