離心真空泵的氣動設(shè)計技術(shù)探討

　　高效率真空泵的設(shè)計技術(shù)對于工業(yè)的節(jié)能具有重要意義。本文根據(jù)某真空泵的設(shè)計要求，針對真空泵的工作葉輪的形式和設(shè)計點參數(shù)，分析和探討了葉片負荷分布形式和分流葉片弦向和周向位置對性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上完成了該離心真空泵的氣動設(shè)計。利用三維數(shù)值模擬軟件對不同葉片擴壓器角度情況下的性能曲線和內(nèi)部流動進行計算。為了充分考慮真空泵內(nèi)部流動的非對稱性，本文采用了全通道計算，同時分析了離心壓氣機轉(zhuǎn)子、葉片擴壓器及蝸殼內(nèi)部的流動特點。結(jié)果表明，葉片負荷分布形式和分流葉片弦向和周向位置對流量、出口氣流角和效率均有較大的影響;通過改變?nèi)~片擴壓器角度使得離心真空泵的特性線平移，這可使得離心真空泵在整個工作過程中始終工作在高效率區(qū)，可達到節(jié)能的目的。
　　
　　真空泵的作用是通過抽吸某個或多個容積體的氣體而使該容積體達到一定的真空度。在工業(yè)生產(chǎn)的許多工藝過程中(如真空過濾、真空送料、真空蒸發(fā)、真空濃縮、真空回潮和真空脫氣等)，都需要通過真空泵來實現(xiàn)一定的真空環(huán)境，因而真空泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、機械、礦山、輕工、醫(yī)藥及食品等部門。國外在真空泵方面已經(jīng)做了大量的研究工作，其中以德國MAN Turbo公司z*為出色，他們已形成了一系列的產(chǎn)品。國內(nèi)主要集中在活塞發(fā)動機的渦輪增壓器、微型燃氣輪機、航空發(fā)動機等領(lǐng)域?qū)﹄x心、軸流、斜流壓氣機及相互組合、擴壓器和蝸殼進行了相關(guān)的研究。單鵬等對徑流及斜流壓氣機任意曲面葉型長短葉片的造型和反問題優(yōu)化方法進行了研究，發(fā)展了相關(guān)程序，并利用Numeca 軟件進行了數(shù)值驗證。Cheng G.C.等通過使用有限差分的N-S方程，包括擴展的湍流模型和合理的轉(zhuǎn)靜交界面，發(fā)展了渦輪泵模型，該模型可應(yīng)用于目前高性能、通用的渦輪泵設(shè)計和分析中，但該模型僅考慮了進口導流葉片和離心葉輪，未考慮徑向擴壓器和蝸殼部件。Mounts J.S.等對后掠離心葉輪內(nèi)部復(fù)雜流動進行了研究，研究結(jié)果表明葉尖泄露壓力梯度主導離心葉輪內(nèi)部流場，以及出口速度分布不均勻性。早期由于受到計算條件的限制，在對蝸殼進行數(shù)值計算時，大多假設(shè)進口為均勻流場。Pan 等人通過實驗研究表明，蝸殼的非對稱性使得其進口流場產(chǎn)生了不均勻性。王企鯤等對進口周向非均勻流動的蝸殼進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在設(shè)計工況下，蝸殼進口周向流動比較均勻，在變工況下，流動在蝸舌附近呈現(xiàn)強烈的非均勻性，這種非均勻性會造成葉輪軸向載荷出現(xiàn)周期性變化。Steglich 研究了蝸殼與有葉擴壓器在不同條件下的匹配情況及內(nèi)部流場。李延賓等將離心葉輪、葉片擴壓器與蝸殼耦合在一起進行數(shù)值研究，分析了蝸殼內(nèi)部流動以及蝸殼與擴壓器相互作用所導致的流動現(xiàn)象和不同工況條件下，蝸殼進口周向流動的不均勻性。
　　
　　結(jié)果表明：設(shè)計流量下和大流量下，對稱蝸殼的蝸舌附近葉片擴壓器通道中出現(xiàn)了回流，偏心蝸殼僅在大流量時出現(xiàn)回流現(xiàn)象，在非設(shè)計流量下，靜止部件內(nèi)部損失均大于設(shè)計流量，其中在大流量下尤為明顯：擴壓器內(nèi)部損失在靜止部件總損失中均占到80%以上，蝸殼內(nèi)部損失小于20%;小流量下葉片擴壓器內(nèi)部損失所占比例小于大流量工況。然而針對真空泵設(shè)計點的設(shè)計參數(shù)選取及相關(guān)設(shè)計技術(shù)方面的研究較少，為此本文針對真空泵的設(shè)計技術(shù)進行討論。
　　
　　結(jié)論
　　
　　根據(jù)真空泵的設(shè)計要求，對其設(shè)計點的設(shè)計參數(shù)的選取和設(shè)計技術(shù)進行了探討和分析，并完成了離心葉輪、徑向擴壓器和蝸殼的氣動設(shè)計，并利用三維數(shù)值模擬軟件對其性能曲線進行了模擬，得到的主要結(jié)論如下：
　　
　　(1) 對于離心葉輪尖部，將負荷后移，即采用后加載設(shè)計，有助于減小尖部二次流，減小損失，同時為了保證其非設(shè)計點性能和喘振裕度，在設(shè)計時，可選取適當?shù)呢摴ソ恰?br /> 　　
　　(2)分流葉片的弦向長度和周向位置對離心葉輪的加工量和效率有較大影響，分流葉片弦向長度過大或過小都會引起效率的降低，周向位置偏向吸力面可避免分流葉片與壓力面一側(cè)槽道過小，進而減小損失。
　　
　　(3)為了真空泵能工作在高效率區(qū)域，可采用可調(diào)有葉擴壓器葉片角度的方法，使得真空泵的特性線平移，保證其在偏離設(shè)計流量的情況下也能工作在高效率區(qū)，進而可節(jié)約大量能源。