高效率真空泵的設計技術(shù)對于工業(yè)的節(jié)能具有重要意義。根據(jù)某真空泵的設計要求，針對真空泵的工作葉輪的形式和設計點參數(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，在此基礎上完成了該離心真空泵的氣動設計。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。充分考慮真空泵內(nèi)部流動的非對稱性，采用了全通道計算，同時分析了真空泵的離心葉輪、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，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)，達到節(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現(xiàn)一定的真空環(huán)境，從而使真空泵得到了廣泛的應用。真空泵主要分為兩類，容積式真空泵和動力式真空泵。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，而動力式真空泵的真空度隨抽吸流量基本不變，同時消耗功率逐漸減小，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，則必須選用動力式真空泵，而離心真空泵則是動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、擴壓器和蝸殼也只是在車用/航空活塞發(fā)動機的渦輪增壓器、微型燃氣輪機等領域進行相關(guān)的研究。而針對離心真空泵的工作特點以及設計參數(shù)的選取等方面的相關(guān)文獻較少。鑒于國內(nèi)的這種背景，結(jié)合一些工業(yè)的需求，對離心真空泵設計點的設計參數(shù)選取及氣動設計技術(shù)方面進行討論。

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、擴壓器和蝸殼組成。容積箱內(nèi)的氣體經(jīng)進口進入真空泵內(nèi)，氣體在真空泵內(nèi)先經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的離心葉輪進行增壓，同時在離心力的作用下，將氣體甩出離心葉輪，并進入徑向葉片擴壓器中，在擴壓器中氣體的速度進一步減小，壓力進一步升高，通過蝸殼進一步減速增壓，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)合葉片擴壓器角度變化時可使離心真空泵特性線左右平移的特點，設計時保持真空度近似不變，即離心真空泵的增壓比近似不變，真空泵的流量隨時間會逐漸減小，而消耗的功率也逐漸減小，采用這種模式可以在工作時間內(nèi)節(jié)約大量能源。

3、設計參數(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，略高于外界標準大氣壓力(101kPa)，由此可計算出真空泵最大增壓比為2.98，采用離心葉輪、葉片擴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效率，設計點進口壓力取為39kPa。

圖2 容積箱內(nèi)壓力變化與時間的關(guān)系

　　離心葉輪的轉(zhuǎn)速是主要通過比轉(zhuǎn)數(shù)來考慮的，因為比轉(zhuǎn)速的選取會直接影響效率，同時兼顧考慮葉輪幾何尺寸和齒輪增速箱的傳動比。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)離心葉輪的設計經(jīng)驗，比轉(zhuǎn)速一般在0.75～0.85時效率較高，考慮到比轉(zhuǎn)速較小時葉輪幾何尺寸較大，不利于加工，故選取比轉(zhuǎn)速為0.8，同時考慮到齒輪箱的轉(zhuǎn)動比，對設計轉(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效率，故設計時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。劉冰等對離心葉輪葉片的加工方法進行研究分析。邱加棟[4]對離心葉輪的數(shù)控加工現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并提出了一種新的加工方法，但都需采用四軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床加工。

5、結(jié)論

　　根據(jù)真空泵的設計要求，對設計點的參數(shù)選取和設計技術(shù)進行了探討和分析，完成了離心葉輪、徑向擴壓器和蝸殼的氣動設計，并利用三維數(shù)值模擬軟件對性能曲線進行了模擬，得到結(jié)論如下：

　　(1)對于離心葉輪尖部，將負荷后移，即采用后加載設計，有助于減小尖部二次流，減小損失，同時為了保證其非設計點性能，在設計時，可選取適當?shù)呢摴ソ牵?/p>

　　(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)為真空泵能工作高效率區(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。