高效率真空泵的設(shè)計(jì)技術(shù)對于工業(yè)的節(jié)能具有重要意義。根據(jù)某真空泵的設(shè)計(jì)要求，針對真空泵的工作葉輪的形式和設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，分析和探討了葉片負(fù)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(dòng)設(shè)計(jì)。利用三維數(shù)值模擬軟件對不同葉片擴(kuò)壓器角度情況下的性能曲線和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。充分考慮真空泵內(nèi)部流動(dòng)的非對稱性，采用了全通道計(jì)算，同時(shí)分析了真空泵的離心葉輪、葉片擴(kuò)壓器及蝸殼內(nèi)部的流動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)果表明，葉片負(fù)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(kuò)壓器角度使得離心真空泵的特性線平移，使得離心真空泵在整個(gè)工作過程中始終工作在高效率區(qū)，達(dá)到節(jié)能的目的。

1、引言

　　在石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)的許多工藝過程中(如真空過濾、真空送料、真空脫氣等)，都需要通過真空泵來實(shí)現(xiàn)一定的真空環(huán)境，從而使真空泵得到了廣泛的應(yīng)用。真空泵主要分為兩類，容積式真空泵和動(dòng)力式真空泵。容積式真空泵(如水環(huán)泵、旋片泵、羅茨泵等)具有抽速穩(wěn)定，但真空度隨抽吸流量變化較大，而動(dòng)力式真空泵的真空度隨抽吸流量基本不變，同時(shí)消耗功率逐漸減小，可節(jié)約大量的能源。對于要保持容積箱內(nèi)真空度不變時(shí)，則必須選用動(dòng)力式真空泵，而離心真空泵則是動(dòng)力式真空泵中常見的一種。目前國外在離心真空泵方面已經(jīng)做了大量的研究工作，其中以德國MANTurbo公司最為出色，已形成了一系列的產(chǎn)品。國內(nèi)在離心真空泵方面主要集中于加工生產(chǎn)上。對于離心真空泵的核心部件離心葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼也只是在車用/航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器、微型燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)的研究。而針對離心真空泵的工作特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)參數(shù)的選取等方面的相關(guān)文獻(xiàn)較少。鑒于國內(nèi)的這種背景，結(jié)合一些工業(yè)的需求，對離心真空泵設(shè)計(jì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)選取及氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面進(jìn)行討論。

2、離心真空泵的工作原理

　　離心真空泵的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由離心葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼組成。容積箱內(nèi)的氣體經(jīng)進(jìn)口進(jìn)入真空泵內(nèi)，氣體在真空泵內(nèi)先經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的離心葉輪進(jìn)行增壓，同時(shí)在離心力的作用下，將氣體甩出離心葉輪，并進(jìn)入徑向葉片擴(kuò)壓器中，在擴(kuò)壓器中氣體的速度進(jìn)一步減小，壓力進(jìn)一步升高，通過蝸殼進(jìn)一步減速增壓，并排入大氣中。

圖1 離心真空泵的結(jié)構(gòu)簡圖

1.進(jìn)口；2.出口(排氣口)；3.離心葉輪；4.增速箱；5.泵體

　　隨著真空泵的不斷抽吸，空氣流量隨時(shí)間逐漸減小，為保證離心真空泵能始終工作在高效率區(qū)，結(jié)合葉片擴(kuò)壓器角度變化時(shí)可使離心真空泵特性線左右平移的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)保持真空度近似不變，即離心真空泵的增壓比近似不變，真空泵的流量隨時(shí)間會(huì)逐漸減小，而消耗的功率也逐漸減小，采用這種模式可以在工作時(shí)間內(nèi)節(jié)約大量能源。

3、設(shè)計(jì)參數(shù)選取分析

　　以某真空泵容積箱內(nèi)壓力變化是100～35kPa為例，如圖2所示，容積箱內(nèi)氣體溫度為40°。

　　根據(jù)圖2中容積箱內(nèi)壓力變化可知，離心真空泵進(jìn)口最低壓力為35kPa，為了能順利的將真空泵內(nèi)氣體排出，取真空泵出口壓力為104kPa，略高于外界標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(101kPa)，由此可計(jì)算出真空泵最大增壓比為2.98，采用離心葉輪、葉片擴(kuò)壓器和蝸殼組合形式的離心真空泵是比較合適的。為了兼顧低增壓比下離心真空泵的氣動(dòng)效率，設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口壓力取為39kPa。

圖2 容積箱內(nèi)壓力變化與時(shí)間的關(guān)系

　　離心葉輪的轉(zhuǎn)速是主要通過比轉(zhuǎn)數(shù)來考慮的，因?yàn)楸绒D(zhuǎn)速的選取會(huì)直接影響效率，同時(shí)兼顧考慮葉輪幾何尺寸和齒輪增速箱的傳動(dòng)比。比轉(zhuǎn)速的定義如下：

　　式中：ns為比轉(zhuǎn)速，n為離心葉輪轉(zhuǎn)速，Q為體積流量，Lad為輪緣功。根據(jù)離心葉輪的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，比轉(zhuǎn)速一般在0.75～0.85時(shí)效率較高，考慮到比轉(zhuǎn)速較小時(shí)葉輪幾何尺寸較大，不利于加工，故選取比轉(zhuǎn)速為0.8，同時(shí)考慮到齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)比，對設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速取整則為9000r/min。

　　采用大小葉片可提高離心真空泵的氣動(dòng)效率，故設(shè)計(jì)時(shí)選用了大小葉片的形式。由于國內(nèi)在對離心葉輪的大小葉片理論研究和加工制造方面比較成熟。如王琦等對徑流任意曲面葉型大小葉片的造型和反問題優(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(shù)值驗(yàn)證。劉冰等對離心葉輪葉片的加工方法進(jìn)行研究分析。邱加棟[4]對離心葉輪的數(shù)控加工現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出了一種新的加工方法，但都需采用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床加工。

5、結(jié)論

　　根據(jù)真空泵的設(shè)計(jì)要求，對設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)選取和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探討和分析，完成了離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器和蝸殼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并利用三維數(shù)值模擬軟件對性能曲線進(jìn)行了模擬，得到結(jié)論如下：

　　(1)對于離心葉輪尖部，將負(fù)荷后移，即采用后加載設(shè)計(jì)，有助于減小尖部二次流，減小損失，同時(shí)為了保證其非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能，在設(shè)計(jì)時(shí)，可選取適當(dāng)?shù)呢?fù)攻角；

　　(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(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(cè)槽道過小，進(jìn)而減小損失；

　　(3)為真空泵能工作高效率區(qū)域，可采用可調(diào)有葉擴(kuò)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(jì)流量的情況下也能工作在高效率區(qū)，進(jìn)而可節(jié)約大量能源。