高效率真空泵的設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(guó)MANTurbo公司最為出色，已形成了一系列的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在離心真空泵方面主要集中于加工生產(chǎn)上。對(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)的這種背景，結(jié)合一些工業(yè)的需求，對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(guó)內(nèi)在對(duì)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(duì)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(duì)離心葉輪葉片的加工方法進(jìn)行研究分析。邱加棟[4]對(duì)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(duì)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(duì)性能曲線進(jìn)行了模擬，得到結(jié)論如下：

　　(1)對(duì)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(zhǎng)度和周向位置對(duì)離心葉輪的加工量和效率有較大影響，分流葉片弦向長(zhǎng)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。