離心真空泵的氣動(dòng)設計技術(shù)探討

2013-12-25 黃金 北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

　　高效率真空泵的設計技術(shù)對于工業(yè)的節能具有重要意義。本文根據某真空泵的設計要求，針對真空泵的工作葉輪的形式和設計點(diǎn)參數，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律，在此基礎上完成了該離心真空泵的氣動(dòng)設計。利用三維數值模擬軟件對不同葉片擴壓器角度情況下的性能曲線(xiàn)和內部流動(dòng)進(jìn)行計算。為了充分考慮真空泵內部流動(dòng)的非對稱(chēng)性，本文采用了全通道計算，同時(shí)分析了離心壓氣機轉子、葉片擴壓器及蝸殼內部的流動(dòng)特點(diǎn)。結果表明，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(guò)改變葉片擴壓器角度使得離心真空泵的特性線(xiàn)平移，這可使得離心真空泵在整個(gè)工作過(guò)程中始終工作在高效率區，可達到節能的目的。

　　真空泵的作用是通過(guò)抽吸某個(gè)或多個(gè)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(guò)程中(如真空過(guò)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(guò)真空泵來(lái)實(shí)現一定的真空環(huán)境，因而真空泵廣泛應用于石油、化工、機械、礦山、輕工、醫藥及食品等部門(mén)。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公司最為出色，他們已形成了一系列的產(chǎn)品。國內主要集中在活塞發(fā)動(dòng)機的渦輪增壓器、微型燃氣輪機、航空發(fā)動(dòng)機等領(lǐng)域對離心、軸流、斜流壓氣機及相互組合、擴壓器和蝸殼進(jìn)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(cháng)短葉片的造型和反問(wèn)題優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，發(fā)展了相關(guān)程序，并利用Numeca 軟件進(jìn)行了數值驗證。Cheng G.C.等通過(guò)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靜交界面，發(fā)展了渦輪泵模型，該模型可應用于目前高性能、通用的渦輪泵設計和分析中，但該模型僅考慮了進(jìn)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部復雜流動(dòng)進(jìn)行了研究，研究結果表明葉尖泄露壓力梯度主導離心葉輪內部流場(chǎng)，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(jìn)行數值計算時(shí)，大多假設進(jìn)口為均勻流場(chǎng)。Pan 等人通過(guò)實(shí)驗研究表明，蝸殼的非對稱(chēng)性使得其進(jìn)口流場(chǎng)產(chǎn)生了不均勻性。王企鯤等對進(jìn)口周向非均勻流動(dòng)的蝸殼進(jìn)行了數值模擬，結果表明在設計工況下，蝸殼進(jìn)口周向流動(dòng)比較均勻，在變工況下，流動(dòng)在蝸舌附近呈現強烈的非均勻性，這種非均勻性會(huì )造成葉輪軸向載荷出現周期性變化。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部流場(chǎng)。李延賓等將離心葉輪、葉片擴壓器與蝸殼耦合在一起進(jìn)行數值研究，分析了蝸殼內部流動(dòng)以及蝸殼與擴壓器相互作用所導致的流動(dòng)現象和不同工況條件下，蝸殼進(jìn)口周向流動(dòng)的不均勻性。

　　結果表明：設計流量下和大流量下，對稱(chēng)蝸殼的蝸舌附近葉片擴壓器通道中出現了回流，偏心蝸殼僅在大流量時(shí)出現回流現象，在非設計流量下，靜止部件內部損失均大于設計流量，其中在大流量下尤為明顯：擴壓器內部損失在靜止部件總損失中均占到80%以上，蝸殼內部損失小于20%;小流量下葉片擴壓器內部損失所占比例小于大流量工況。然而針對真空泵設計點(diǎn)的設計參數選取及相關(guān)設計技術(shù)方面的研究較少，為此本文針對真空泵的設計技術(shù)進(jìn)行討論。

　　結論

　　根據真空泵的設計要求，對其設計點(diǎn)的設計參數的選取和設計技術(shù)進(jìn)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(dòng)設計，并利用三維數值模擬軟件對其性能曲線(xiàn)進(jìn)行了模擬，得到的主要結論如下：

　　(1) 對于離心葉輪尖部，將負荷后移，即采用后加載設計，有助于減小尖部二次流，減小損失，同時(shí)為了保證其非設計點(diǎn)性能和喘振裕度，在設計時(shí)，可選取適當的負攻角。

　　(2)分流葉片的弦向長(cháng)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(cháng)度過(guò)大或過(guò)小都會(huì )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槽道過(guò)小，進(jìn)而減小損失。

　　(3)為了真空泵能工作在高效率區域，可采用可調有葉擴壓器葉片角度的方法，使得真空泵的特性線(xiàn)平移，保證其在偏離設計流量的情況下也能工作在高效率區，進(jìn)而可節約大量能源。