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无油螺杆真空泵工作过程数值模拟

责任编辑:品雅真空设备人气:50 次发表时间:2017-09-02

无油螺杆真空泵也称无油真空泵,是近年迅速发展起来的新型真空设备。国内无油螺杆真空泵的起步较晚,发展较慢,此类产品一直依赖进口。

对无油螺杆真空泵抽速、极限压力的研究中,技术人员提出了一种平衡理论抽速、实际抽速和泄漏关系的方法来计算真空泵抽速,对无油螺杆真空泵抽速曲线进行了测定并建立了真空泵热力学过程的简化模型、螺杆真空泵的性能计算方法进行了系统分析并与实验结果相对比得到了较为良好的真空泵过程计算方法和性能预测方法。另外,螺杆压缩机的性能计算方法同无油螺杆真空泵有相似之处,这些都可以用来分析无油螺杆真空泵的性能。

我们主要针对等螺距和变螺距双螺杆真空泵的工作过程和不同间隙下的泄露建立了数学模型并进行了数值模拟,并用已有变螺距双螺杆真空泵对计算结果进行了实验验证。

1、无油螺杆真空泵工作过程数学模型
无油螺杆真空泵工作过程与螺杆压缩机工作过程相似,分为3个过程:吸气、运输和内压缩、排气,如图1所示。

无油螺杆真空泵工作过程图片

无油螺杆真空泵工作过程图片

由于真空泵实际过程十分复杂,所以必须进行适当的简化或假设。我们中的无油螺杆真空泵的工作工质为空气,并做出如下假设:①空气为理想气体;②控制容积内各处状态均匀;③气体绝热流动,即吸排气和泄漏通道中的流动过程中没有与外界壁面等换热;④吸排气气腔容积无限大。吸、排气过程中工作腔内的压力对应是名义的吸、排气压力。

2、试验装置和方法
2. 1试验装置
无油螺杆真空泵试验系统如图4所示。电动机通过联轴器带动同步齿轮运转。真空泵进气口处安装真空容器,真空容器进气口处连接隔膜阀和流量计,以测定真空泵抽气量,容器另一接口安装真空计,以测量容器内压力(真空泵进气压力)。进气口处安装温度传感器,以测定进气温度,排气口处安装温度传感器,以测量排气温度。冷却水通过流量计进入真空泵水冷套,再在冷却泵体后从排水口排出。泵体接近排气端打孔,安装压力传感器和温度传感器,并用数据采集系统记录压力变化。

2. 2无油螺杆真空泵主要性能参数
无油螺杆真空泵主要试验数据如表5所示。

螺杆真空泵主要试验数据图片

螺杆真空泵主要试验数据图片

无油螺杆真空泵进气压力随抽气时间的变化如表6所示。

无油螺杆真空泵进气压力随抽气时间的变化

通过对无油螺杆真空泵工作过程压力采集试验获得压力变化曲线如图5所示。由图可以看出,在测试孔测得的压力是周期性变化的,周期大概为0.02 s,即转速为3 000r/min左右。如果周期从最低点为开始,压力值随转子转动迅速上升,这是测试孔靠近排气端面,控制容积体积变化率大,排气腔高压侧的泄漏量很大所致。曲线在最高点持续了一段时间,这是螺杆齿顶有一定的宽度,使得测试孔处于密封状态所致。曲线从最高点快速降到最低点,这是齿顶扫过测试孔后,测试孔直接与后一控制体相接通,而后一控制体内气体压力很低所致。

采集试验获得压力变化曲线图片

无油螺杆真空泵在极限真空压力下的压力随转角的变化

3、试验结果分析
无油螺杆真空泵试验与计算功率曲线图6所示。从图中可以得出:试验值和计算值均随着进气压力的升高而升高,这是因为随着真空泵进气压力的升高,实际气体流量增大,从而导致内部压缩功和排气耗功增加;在进气压力达到300 Pa以上时,测量功率与计算功率变化趋势开始不同;在584 Pa时测量值与计算值相差9W,而在2310 Pa时测量值与计算值相差19W,随着压力增大,测量功率增大趋势大于计算功率。

无油螺杆真空泵试验与计算功率曲线图

无油螺杆真空泵功率曲线

产生这种现象的原因主要是计算模型的进、排气压力为名义进、排气压力,同时未考虑排气时存在局部阻力损失、内部气体流动引起功耗等因素。以上原因引起的功耗增大量比较小,不会导致真空泵功耗的大幅度变化,这也验证了计算功率具有较好的参考性,可以作为样机设计时真空泵宏观性能指标的参考。

无油螺杆真空泵在极限真空压力下的压力随转角的变化如图7所示。从图中可以看出,测试压力曲线的变化趋势与计算结果比较接近,计算压力曲线与测量压力曲线能够较好地匹配。

无油螺杆真空泵压力的变化

无油螺杆真空泵压力变化曲线

从上试验结果与理论计算对比说明了我们模型能够较好地表达无油螺杆真空泵实际工作过程。以极限真空压力与间隙大小的关系为参考,可以控制真空泵设计时间隙的取值范围;以抽速曲线为参考,可以选择匹配较好的真空泵,使目标压力下的实际抽速与需求相符;以功率曲线为参考,可以对电机进行选择。以上内容在无油螺杆真空泵设计和改型、无油螺杆真空泵产品开发和性能的预测均有指导意义。

4、结论
(1)通过无油螺杆真空泵性能试验得出的极限真空度、电机功率、抽速及压力变化曲线,表明了我们模型能够较好地计算无油螺杆真空泵工作过程和螺杆真空泵主要性能参数。
(2)泄漏间隙对极限真空压力影响较大,极限真空压力的增大程度大于泄漏间隙的增大程度。对于计算机型,当齿顶间隙为0.03 mm,啮合间隙为0.O1mm时,极限真空压力达到1.16Pa,与试验所用机型的极限真空度2Pa相差不大。
(3)通过对比等无油螺杆真空泵和变螺距真空泵在相同间隙值下的性能计算结果及工作过程压力曲线变化,得出变螺距真空泵性能优于等螺距真空泵。对于所用机型,相对于等螺距,变螺距极限真空压力从2.24Pa降低到了1.16Pa,指示功率降低了11%。

目前东莞市品雅真空设备有限公司从事的真空泵有:无油活塞式真空泵、旋片式真空泵、活塞式真空泵、罗茨真空泵、无油螺杆真空泵、普旭真空泵、莱宝真空泵、爱德华真空泵等产品。作为真空科技的领先企业,我们对每种真空应用都有着完美的解决方案。在我们的工作中质量和全球性的服务网络一直扮演着决定性的角色。以上小小建议,欢迎广大用户来电咨询或来厂评估指导!

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