真空发生器结构参数与性能参数关系研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江工业大学机电工程学院 作者:郑欣荣

  真空发生器因其具有体积小、质量轻、真空度高、产生真空快、运动部件少、振动小、寿命长、噪音小、安装方便, 维修简单、控制方便、可靠性高等优点在汽车、化工、电子、玻璃制造、机械制造、家电制造等行业中得到广泛地应用。尤其与真空吸盘配合使用, 由于它受力均匀、不损坏工件、响应快、体积小等优点, 所以在搬运易损物品、常规方法难搬运的物品、易产生应力变形物品及微小物品的场合, 有着无可比拟的优势, 在自动化生产中起着越来越重要的作用。

1、真空发生器的工作原理

  真空发生器主要由喷嘴和扩张管组合而成(见图1所示)。气体一元定常等熵流动的能量方程即可压缩流体的伯努里方程如下。

伯努里方程

  式中p为压力; Q为密度; v 为流速; k =Cp/Cv, 其中Cp为定压比热, Cv为定容比热,const为常数。

  将0点的状态参数代入式(1),由于流出喷管时的流速v0为超音速, 可知该点的绝对压力p0值很小, 因而可得到所需的真空度。在低压部S处如果导入二次气流(G″、PS、TS、vs) , 高速的一次气流(G′、Pn、Tn) 将与之混合, 并交换动能, 二次气流被加速,高速的混合气体通过扩张管减速, 动能再次转化为压力能。这样, 若在S处接入欲抽真空的系统, 则可达到抽真空之目的。

真空发生器工作原理图

图1 真空发生器工作原理图

  该过程的热力学分析如下: 压缩空气G′通过喷管在0处变成超音速气流, 由于气流的速度很快,而喷管的尺寸很小, 故气体在喷管中流动时, 来不及与外界发生热交换, 可近似地看作绝热过程。在流动过程中, 气体的各种参数一般是连续变化的, 摩擦的影响较小, 可以忽略, 因而可近似地看作是可逆过程, 故该过程可近似地看作是等熵过程。整个热力学过程可用焓—熵状态变化图表示(图2)。图2 中各点符号与图1 相对应。N点为喷管进口状态点;O′为假想等熵过程喷管出口点;O为实际喷管出口状态点; 3′为扩张管假想等熵过程出口状态点; 3为扩张管实际出口状态点。如一次流体从进口压力Pn经绝热膨胀后在喷管出口处压力为P0, 则喷管出口流速v0可由式(2)求出

  式中Gn为速度系数, 一般取0.94~0.96; R为气体常数, A= k/k-1。图2中喷管两端的焓差为

  式中 A 为热功当量。

  假设真空口吸入压力PS与喷管出口压力P0相等, 则混合后的流速v1

  式中 Gm为速度系数, 一般取Gm= 0.95~0.98; X=G′/C″ , 其中G′为喷管内的一次流量, G″为真空口处吸入的二次流量; 混合后的焓值i1为

  扩张管出口处流速为v3, 状态点1至3过程近似可看成绝热过程, 则

  式中 Gd为扩张管的效率, 一般取Gd= 0.6~0.8;状态点1经等熵过程到达3′点, 对应焓值i3′为

  通过3′点的等压线P3即为扩张管出口的压力, 实际出口状态点3的焓值为

状态变化图

图2 状态变化图

2、真空发生器结构及性能参数

2.1、真空发生器的性能参数

  真空发生器的主要性能参数有:

  ① 空气消耗量: 指从喷嘴流出的流量。用基准状态下的体积流量表示。

  ② 排气量: 指从真空口吸入的空气流量。当真空口向大气敞开时, 其排气量最大, 称最大排气量。

  ③ 到达真空度: 指大气压力与真空腔内的绝对压力之差。当吸入口被完全封闭, 即排气量为0时,真空腔的真空度称为最大到达真空度。

2.2、真空发生器的主要结构参数

  真空发生器主要由喷嘴和扩张管组成, 由上述可知喷嘴的作用是将压缩空气的能量转换为动能,产生超音速气流; 扩张管的作用是使超音速气流减速以降低排出气体时的噪音。由气体动力学可知气流一元定常等熵流动时通流截面积与气流的速度间应满足公式

  式中: f为通流截面积;M为马赫数,M=v/A; v为气流的速度; A为当地音速;

  由上式可见, 当流速增加时, 通流截面积究竟扩大还是缩小, 要看(M2-1) 的正负,亦即M>1还是M<1。当流速小于当地音速加速时,M 小于1, (M2-1)为负, df符号与dv相反。故当流速增高时, 气流截面积应缩小。当流速等于音速时,M=1则M 2-1=0,即df=0,此时气流截面积达最小值。当流速大于当地音速即超音速时,M大于1, (M 2- 1) 为正, df符号与dv同号, 故当流速增高时, 气流截面积应扩大。因此, 为了获得超音速气流, 喷嘴的截面形状应当是小于音速加速时先缩小, 当等于音速时为最小, 然后超音速时逐渐扩大, 即采用渐缩渐扩的拉伐尔喷管结构; 同理, 为了使超音速气流减速, 扩张管的截面形状应采用超音速减速时先缩小, 当流速等于音速时, 即M=1时截面为最小, 然后小于音速减速时截面逐渐扩大的渐缩渐扩结构。图3 是真空发生器的喷嘴和扩张管结构简图, 喷嘴渐缩角度A建议取120°~140°, 渐扩角度B 建议取14°~16°;扩张管渐缩及渐扩角度C、H建议取6°~8°

真空发生器结构简图

图3 真空发生器结构简图

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