（化工过程机械专业论文）水环真空泵参数化设计与cad系统开发.pdf

乍，、，“ ad i s s e r t a t i o ni nc h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y p a r a m e t r i c d e s i g n a n dc a d s y s t e md e v e l o p - - b yx i ey a n g h u a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gs h i w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = c 巴 思o 一虢哈抟寺 日期： 2 。d ，6 。j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 导师签名： 签字目期： 9 ， 卜p 。 岜9 旅加 以午l 3 ； 杉q 浒卜 ： 可 名 兮， 签 1 者作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 - - 东北大学硕士学位论文 摘要 水环真空泵参数化设计与c a d 系统开发 摘要 水环真空泵压缩气体是等温过程，能抽除易燃、易爆等气体，因而在各行各业得到 广泛的应用。目前水环真空泵的设计以二维绘图为主，这就造成了零件相关联的信息无 法表达，三维设计能够表达模型的全面信息和提高设计精度。但是为了提高设计效率和 自动化程度，就必须进行参数化设计和对现有的c a d 软件进行二次开发即水环真空泵 参数化设计和c a d 系统开发。 参数化设计是建立在水环真空泵设计方法的基础之上。本文首先总结了水环真空泵 的基本工作原理、结构形式、设计方法和判据条件，并从结构设计和运行工艺两方面分 析了影响水环真空泵效率的诸多因素；其次，在参考大量文献的基础之上，推导出一套 完整的单级单作用轴向吸排气水环真空泵的设计方法；并独立推导出偏心距和流量之间 的关系、压缩比方程求解法、泵壳半径分段设计的方案和统一形式水环内界线方程；这 为水环真空泵的参数化设计和c a d 系统开发提供了理论基础。 水环真空泵c a d 系统开发是一项软件开发工程，必须符合软件工程的开发方法和 原则。本文首先对s o l i d w o r k s a p i 二次开发技术进行了深入的研究，以此为平台，成功 地构建了水环真空泵c a d 系统的整体框架，为水环真空泵的参数化设计和c a d 系统开 发工作奠定了良好的技术基础；其次，开发出单级单作用轴向吸排气水环真空泵主要零 部件的参数化设计程序和c a d 系统，并以诸多实例来检验和说明其运行过程，证明系 统运行稳定可靠，使用方便快捷。 关键词：水环真空泵；参数化设计；s o li d w o r k s ；二次开发；c a d 系统 i i i j 东北大学硕士学位论文abs昀ct p a r a m e t r i cd e s i g na n dc a d s y s t e md e v e l o p m e n to f w a t e rr i n gv a c u u mp u m p a bs t r a c t t h ec o m p r e s s i n gg a sp r o c e s so ft h ew a t e r r i n gp u m pi si s o t h e r m a l i tc a np u m pf l a m m a - b l e ，e x p l o s i v ea n do t h e rg a s e s ，a n dt h u sh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lw a l k so fl i f e a tp r e s e n t ，i ti si m p o r t a n to ft w o d i m e n s i o n a lg r a p h i c st od e s i g no fw a t e rr i n gv a c u u m p u m p ，w h i c hc a u s e dp a r t so ft h ei n f o r m a t i o nc a nn o tf u l le x p r e s s ，w h i l et h r e e d i m e n s i o n a l d e s i g nt ot oe x p r e s st h ef u l li n f o r m a t i o no f m o d e la n di m p r o v et h ed e s i g na c c u r a c y i no r d e rt o e n h a n c et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o nl e v e li t sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h ep a r a m e t r i c d e s i g na n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft h ec a ds o f t w a r e i no t h e rw o r d s ，p a r a m e t r i cd e s i g n a n dc a d s y s t e md e v e l o p m e n to fw a t e rr i n gv a c u u mp u m p p a r a m e t r i cd e s i g ni sb a s e do nt h ed e s i g no f w a t e rr i n gv a c u u mp u m p i nt h i sp a p e r ，f i r s t ， i ts u mu pt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，d e s i g nm e t h o d sa n dc r i t e r i ac o n d i t i o n so ft h e w a t e rr i n gv a c u u mp u m p ，a n dt h e nf r o mt h es t r u c t u r a ld e s i g na n dr u n n i n gp r o c e s s e st h ep o i n t o f v i e w , a n a l y s i s o ff a c t o r s a f f e c t i n g t h e e f f i c i e n c y o ft h ew a t e r r i n g v a c u u m p u m p s e c o n d a r y , i nr e f e r e n c et ot h eb a s i so fal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e ，i td e d u c e df r o mt h e f u l ld e s i g nm e t h o do fw a t e rr i n gp u m p ，w h i c hi ss i n g l e s t a g es i n g l ea c t i o nr a d i a l a i rs u c t i o na n dr a d i a l - e x h a u s t 、d i f f e r e n te c c e n t r i c a l l yl e a d st ot h ec h a n g eo ft h ev o l u m eo fw a t e r r i n gv a c u u mp u m pa n dt h eu n i f i e df o r mo fi n t e r n a lb o u n d a r yo fw a t e rr i n ge q u a t i o n i tp r o v i d ear e f e r e n c ef o rc a d s y s t e mo fw a t e rr i n gv a c u u mp u m p t h ec a d s y s t e mo fw a t e rr i n gv a c u u mp u m pi sas o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o j e c t ，t h e ni t m u s ta c c o r dw i t ht h ed e v e l o p m e n tm e t h o d sa n dp r i n c i p l e so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g f i r s t l y , t h i s p a p e rh a sd e e p l yr e s e a r c h e do nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k sa p i o nt h eb a s i so f t h i s ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ew a t e rr i n gv a c u u mp u m pc a ds y s t e mw a se s t a b l i s h e ds u e - c e s s f u l l y t h i sh a sl a i dag o o dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ep a r a m e t r i cd e s i g na n dc a dd e v e l o p m e n ts y s t e mo fw a t e rr i n gv a c u u mp u m p s e c o n d a r y , d e v e l o p e dt h ep a r a m e t e r so ft h ed e - s i g np r o c e s sa n dc a ds y s t e mo ft h em a i nc o m p o n e n t so fs i n g l e - s t a g es i n g l ea c t i o nr a d i a l a i r v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u c t i o na n dr a d i a l - e x h a u s tw a t e rr i n gv a c u u mp u m p ，a n dan u m b e ro fe x a m p l e st ot e s ti t so p e r a t i o na n dt op r o v et h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，f a s ta n de a s yt ou s e k e y w o r d s ：w a t e rr i n gv a c u u mp u m p ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；s o l i d w o r k s ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；c a ds y s t e m v i j 心 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 独创性声明i 摘要。i i i a b s t r a c t 。v 第1 章绪论1 1 1 选题背景和目的及意义l 1 1 1 选题背景和目的1 1 1 2 选题意义1 1 2 国内外研究现状、发展动态2 1 3 课题内容3 1 4 水环真空泵的发展概述3 1 5 水环真空泵的应用5 1 5 1 煤炭行业领域5 1 5 2 石油和天然气工业领域5 1 5 3 冶金电力领域。6 1 5 4 纸浆和纸张生产领域6 1 5 5 医药与食品领域7 1 5 6 纺织业领域8 第2 章水环真空泵的设计及影响效率的因素分析9 2 1 水环真空泵的工作原理9 2 2 水环真空泵的基本类型1 0 2 2 1 按做功次数分类1 0 2 2 2 按级数分类1 1 2 2 3 按吸、排气方向分类1 2 2 2 4 按吸入方式分类1 2 2 2 5 按泵吸排气结构分类一1 2 2 2 6 按泵进、出口位置分类1 3 v i i 东北大学硕士学位论文 2 2 7 按吸、排气状态分类 2 2 8 按传动方式分类 2 3 水环真空泵的设计。 2 3 1 假定条件 2 3 2 符号说明 2 3 3 水环真空泵的设计 2 4 水环真空泵的判据理论 2 4 1 参考参数的判断 2 4 2 轮毂比的确定 2 4 3 叶片数目的选择 2 4 5 发生汽蚀的判据 2 5 分析影响水环真空泵效率的诸多因素 2 5 1 结构设计2 9 2 5 2 运行工艺31 2 6 设计计算3 2 2 7 本章小结3 5 第3 章水环真空泵c a d 系统开发和实例运行3 7 3 1c a d 系统开发的必要性3 7 3 2c a d 系统开发方法和设计原则3 7 3 2 1c a d 系统开发方法一3 8 3 2 2c a d 系统设计原则3 9 3 3 系统功能4 0 3 3 1 零件参数化设计。4 0 3 3 2c a d 系统功能概述4 1 3 4 系统结构4 1 3 5 系统开发流程4 2 3 5 1 系统目标和设计方法4 2 3 5 2 系统开发工具4 2 3 5 3 系统开发方式4 6 v i i i ，一 l 目录 4 7 4 8 4 8 5 2 5 5 5 7 6 3 6 3 3 7 2 系统运行过程与实例6 3 3 8 本章小结6 5 第4 章结论与展望6 7 4 1 结论6 7 4 2 展望6 7 参考文献6 9 致谢，7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 4 i x ， 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景和目的及意义 1 1 1 选题背景和目的 水环真空泵大多采用二维c a d 绘图，二维c a d 绘图设计工作量较大且不能完全表 达其设计意图，难于完全表现出思维中零部件的材料、形状、尺寸、相关联零件等三维 实体。另外，传统的类比设计中存在一个问题，即在设计时，大部设计人员都是在己有 产品的基础上将尺寸增大，这样的相似设计使得产品的尺与重量越来越大，造成财力、 人力的浪费。 三维c a d 设计技术给人们提供了新的设计思路和新的设计概念，直接由思维中的 三维模型开始设计，有了表达全部几何参数和设计构想的可能，使得整体设计过程能够 在三维模型中分析与研究，并能使用统一的数据，因而能够更好地完善其设计思想，从 而使设计方案更合理。 但是为了提高三维模型设计的效率和自动化，就必须对现有的c a d 软件进行二次 开发，开发出水环真空泵参数化三维造型c a d 系统，使整个系统既有针对性、实用性、 通用性。这样就不仅降低了产品的设计和开发成本，缩短了开发周期，而且使整个开发 过程完全在零风险下进行。 基于这些考虑，本文以s o l i d w o r k s 2 0 0 8 软件为平台，利用v i s u a lb a s i c6 0 开发水环 真空泵参数化三维造型c a d 系统。此系统极大的提高了水环真空泵的设计质量和效率 及自动化程度。 1 1 2 选题意义 ( 1 ) 理论意义 目前国内开发并能广泛用于工程实际的泵软件主要停留在一元设计理论、二维水力 设计及绘型的基础上，参数化三维造型尚未得到充分的运用二维的图形不能直观地反映 泵的形状，各个视图之间的转换不能保证尺寸的一致性。同时，这种方法生成的模型几 何数据不能直接用于计算机数控加工，也不能直接对模型本身作流场分析、有限元分析、 运动学分析，造成了c a d 和c a m 、c a e 、c a p p 的脱节。现代迫切需要直接对产品进 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 行三维造型，用真实的三维数据对产品进行描述。所以在泵的设计和生产领域中，三维 设计取代二维设计已经成为一个必然的发展趋势。因此，开展水环真空泵参数化三维造 型c a d 系统软件的研究，不仅可以缩短产品的开发周期，提高效率，降低成本，更是 开发水环真空泵一体化设计分析软件的重要环节。 ( 2 ) 实际应用意义 随着科学技术的发展和日益增长的社会需求机械产品的类型规格及性能迅速地发 生变化，市场要求产品的设计周期越来越短。传统的水环真空泵设计往往是手工设计， 其设计计算烦琐、复杂，致使手工设计的效率、可靠性、准确性大降低，而且对于系列 化产品设计需要进行反复的计算、查询和绘图，造成大量复劳动。在科学技术日益发展 的今天，虽然c a d 技术已被企业重视，但通用c a d 支撑软件对大多数用户来说，只是 绘图工具，只能使所绘图便于保存，便于修改，不是真正的实现了通过计算机设计的目 的，不能解决设计问题，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率低，同时对使用者的要 求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形，这就要求其对各种命 令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但精通产品设计的人员 有效地使用计算机进行辅助设计，使硬件和软件得不到充分利用。解决此问题的办法是 由少数既掌握计算机应用技术又懂产品设计的人员开发出某一产品的c a d 应用软件， 使其具有良好的人机界面，并融入大量专业设计人员的经验，从而使一般设计人员能够 使用计算机应用软件进行产品的设计，提高设计效率与质量。本课题从水环真空泵参数 设计出发，开发出了水环真空泵参数化三维造型c a d 系统。 1 2 国内外研究现状、发展动态 西德c p f l e i d e r e 对水环内界线的算法做了较详尽的推导，并考虑了叶片使水加速而 产生的水平面倾斜【i 】。 日本的藤田对c p f l e i d e r e 的理论提出异议，认为其所说的临界状态实际上是不存在 的，如果考虑了被忽略的相对加速度就会得到更符合实际的结果。赫尔姆特舒尔茨着重 描述了水环真空泵抽气的理论流量，实际流量以及有效功率，推出有效功率是对于空气 抽气所做的功，水蒸汽不需要压缩功。 联邦德国的赫尔姆特舒尔茨着重描述了水环真空泵抽气的理论流量、实际流量以及 有效功率，推出有效功率是对于空气抽气所做的功，水蒸汽不需要压缩功【2 1 。 英国的u s h asp o w l e 则建立了一个抽速方程，考虑了大气排气的各种条件、密封液 的蒸汽压、被抽系统的压强和膨胀指数以及表示各种操作条件的指数z ，并建立了压缩 2 - j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 功处在最大条件下的压强时的表达式，其理论方程与实际结果吻合【3 】。 西德的b e d w a n n 与1 9 6 1 - - 1 9 6 5 年研究吸进湿气体对水环真空泵性能的影响，结果 发现由于水环的冷凝作用，吸进比水环温度高的湿气体能增加气量。 联邦德国的u s e g e b r e c h t 通过试验确立了个经验公式用来计算不同空气温度和不 同工作介质水温度下的抽速【4 j 。 国内对水环真空泵所做的研究工作较少，任德高是国内较早对水环真空泵进行全面 研究的。他对水环真空泵的轴向间隙、叶轮圆周速度等对泵性能的影响均做了总结【5 】【6 1 。 凌国平分析了水环真空泵作为汽液两相混输泵的各参数对水环形状、排出压力的影响并 提出了优化方案7 】【引。杨乃恒1 9 1 、徐成涮1 0 1 和贾宗测1 1 1 等几位专家也对水环真空泵相关 理论做了深入的研究并编写水环真空泵教材。余中平、岳玉梅、高芳、林玉祥、汪慧明 等人着重对提高水环真空泵性能的研究、水环真空泵参数优化及其计算机辅助设计、水 环真空泵结构参数的理论与仿真研究、水环真空泵的优化设计及其节能探讨、有限元法 在水环真空泵叶片强度计算中的应用研究等做了详细的研究和分析。 1 3 课题内容 本文对水环真空泵的发展概况与趋势进行了全面分析，在深入了解水环真空的前提 下，确定研究方向。其所作的工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 研究和推导水环真空泵的设计理论和判据条件理论，为开发水环真空泵参数 化三维造型c a d 系统软件中的参数化设计方法提供理论依据。 ( 2 ) 对s o l i d w o r k s 二次开发技术进行了深入的研究，在c a d 系统界面设计及程 序设计两方面进行不断的探索，最终获得了s o l i d w o r k s 二次开发的完整调试方案。同时， 根据水环真空泵的结构特点，采用参数化设计及特征建模方法对其零部件进行分析，建 立特征模型。在此基础上，利用v b 开发了基于s o l i d w o r k s 的水环真空泵参数化三维造 型c a d 系统软件。此系统极大的提高了水环真空泵的设计质量和效率及自动化程度。 1 4 水环真空泵的发展概述 水环真空泵是一种粗真空泵，极限真空为2 0 0 0 4 0 0 0 p a ，串联大气喷射器可达 2 7 0 6 7 0 p a ，水环真空泵发展至今已有近百年的历史了。 早在1 8 9 0 年，德国人h e r r nb e r n h a r dl a n g 发明了一种用水环限制活塞工作范围的 动力机械，并取得了专利( d r p 5 6 5 2 9 ) ，这就是水环真空泵的雏形【1 2 1 。 一3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 9 0 5 年s i e m e n s 公司发明了单作用的水环真空泵，也称为埃尔莫泵( e l m o e l e c t r i c m o t o r 前面两个字母联合起来) 。埃尔莫泵是水环真空泵的基本类型之一，最初应用于旅 馆，医院和其他工业部门作电除尘泵，这种泵的结构简单，制造和维修都很方便，在中 小型真空泵中得到了普遍应用，1 9 0 8 年埃尔莫泵就已经开始应用于火电站凝汽器抽真 空，1 9 1 2 年开始大型电站作除尘用，并与风机输送设备配套，1 9 2 0 年开始应用于制糖 工业、化工工业和排水设施。 s i e m e n s 公司自发明埃尔莫泵以来，对水环真空泵的结构一直在不断改进。 1 9 1 4 - 1 9 3 5 年成功地在排水孔下面设置了调压孔，开始用橡皮球来调压，后来又改进为 板弹簧来调压。从而有效地消除了水环真空泵在工作过程中由于压缩比的变化而产生的 压缩不足和过压缩现象。 七十年代末s i e m e n s 公司新设计了一种2 b e l 系列的产品，这种水环真空泵的泵体 为非圆形，而是椭圆形，这种形状适合于水力流动。2 b e l 型水环真空泵是通过大量的 试验研制成功的，而不是基于理论的研究成果【1 4 1 。 1 9 0 3 年美国人h o u i sn a s h 发明了双作用水环真空泵，又称纳氏泵。该泵在1 9 0 9 年 取得了专利。这种泵的气量很大，在相同叶轮尺寸条件下，纳氏泵比埃尔莫泵的理论气 量大一倍，且无径向力产生，但加工和维修都不方便。纳氏泵最初应用于纽约的加热系 统，后来在造纸等工业部门得到应用，1 9 1 5 年以后逐渐在工业中广泛使用起来。 纳氏泵在发明初期使用是平板型分配器，大约在三十年代末期发明了锥形分配器， 与普通平板型水环真空泵相比具有抽气量大、节能、安全可靠、使用寿命长和余量大等 五大优点。且吸进气体中夹有杂物对性能影响并不显著【l5 1 。 s i e m e n 和h i n s h 先生创立的斯特林s i h i 公司生产的水环式真空泵，其应用已经有 8 0 多年的历史了，它能够处理几乎所有气体和蒸汽，并具备液体处理能力；运行噪音低， 振动小；使用寿命更长；具有广泛的材质选择( 如灰铁、球墨铸铁、不锈钢、哈氏合金、 钛材等等) ，并适应各种运行工况；安装简便、易于维护，并具有结构及运行的高度可 靠性和安全性等特剧1 6 】。 创建于1 9 0 8 年美国凯尼真空公司( k i n n e yv a c u u mc o m p a n y ) ，其生产的k l r c 系 列水环真空泵具有体积小，质量轻，节能，振动极小等特点，技术性能具有国际先进水 平，在国内同行业中处于优势，在北美，南美和欧洲等地区享有较高的声誉并取得较好 的业绩。 水环真空泵的基本类型和结构由s i e m e n s 公司、n a s h 公司、s i h i 公司、k i n n e y 公 司分别独立的创制和奠定基础的。直到目前为止，这四家公司不仅是水环真空泵的最主 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 要生产公司，而且是进行水环真空泵理论和试验研究的主要基地。 国内水环真空泵的结构型号基本上是五十年代从苏联引进的s z 系列( 仅四个规格， 气量分别为1 5 立方米分钟、3 4 立方米分钟、1 1 5 立方米分钟、2 7 立方米分钟) 为 基础，该系列产品效率低、耗能高、体积大、苏联在近几十年内在水环真空泵结构上作 了不少改进，获得了很多专利。国内水环真空泵在结构上有所改进，体积比s z 系列要 小些，规格更齐全，效率方面也有所提高，但和国外先进水平相比仍有很大差距。 目前国内水环真空泵发展趋势良好，相对其他真空泵而言，其销售量稳居次席，这 是因为水环真空泵能有效抽出水蒸气、腐蚀性气体和易燃易爆气体并能做成大抽速，能 广泛应用于各类化工过程、环保防爆工程【1 7 】。随着各行业对真空产品的需求发展，水环 真空泵正在向大型化、成套化、在较高真空下有较大抽气量的发展【l 引。 1 5 水环真空泵的应用 1 5 1 煤炭行业领域 由于国家加强了对煤矿的安全保护要求，因为水环真空泵能够抽除易燃易爆的气体， 且为等温压缩过程，所以水环真空泵是最佳的选择。其中大型水环真空泵抽除瓦斯气体 已成为煤矿行业必须的安全措施，例如去年陕西某矿务局订购的多台抽气量达 4 0 0 m 3 m i n 的特大型水坏真空泵，用其抽除瓦斯气体。有的大型煤矿使用l o o m 3 m i n 以 上的大型泵就达卜8 台。随着国家对安全工作的进一步加强，大型、特大型水环真空 泵将在煤矿系统得到越来越广泛的应用。 此外，由于煤炭产量的飞速增加，煤矿的洗、选煤所用的真空过滤机也向大型化方 面发展。在八十年代初，选配抽气量为2 7 m 3 m i n 的s z 4 型水环真空泵，这在当时来看是 比较大的。而近几年基本都选配抽气量为8 旺1 5 0 m 3 m i n 的大型水环真空泵，有的达到 2 0 0m 3 m i n 以上，从目前发展的形势来看，水环真空泵的抽气量有继续增大的趋势。 1 5 2 石油和天然气工业领域 在气体被排放到大气之处，不管是上游生产还是下游精炼，气体回收都是回收储罐 碳氢气体的程序。气体回收可以通过撤除真空，从储罐压缩气体来实现。通过采用水环 真空泵，可以回收、液化，然后再利用乙烷气体。 过滤或除腊是指收集碳氢基油生产中的腊成分。除掉油中的腊成分，可以提高油的 一5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 质量和适用性。水环真空泵持续消除可能含有带冷冻氮气的盘形或鼓形过滤器真空度。 如果需要更高的真空度，那么将安装机械风机和水环真空泵联合作用。 在火炬气尾气回收装置中，g a r o 水环压缩机是非常理想的选择。其中一个主要 原因是，气体压缩基本上是等温进行的，其温度大约在3 0 到5 0 左右。这样就可以 避免在使用其它类型压缩机时可能会遇到的尾气在压缩机内因高温发生聚合等现象【1 9 1 。 在聚酯生产中，反应塔内所需的真空可以用由蒸汽喷射器和水环真空泵组成的复合 真空系统来获得。在聚氯乙烯的生产过程中，反应中残留的氯乙烯单体先是被水环真空 泵抽出并送入贮气罐内；再经水环压缩机组加压至0 7 m p a 左右，以液态形式贮存在回 收罐内，以待进一步反应。在氯碱厂氯气包装工艺中，采用高出口压力的水环压缩机， 可以极大地降低成本，且避免了环境污染。 1 5 3 冶金电力领域 钢水真空脱气及真空氧脱碳是两个主要二次炼钢法。处理时钢水中会逸出大量溶解 杂质气体并产生金属细粉及氧化物粉尘，因而需采用坚固、抽力极大的真空抽吸设备。 用大型水环真空泵预抽是一种能为高真空抽吸系统创造极大初抽能力的方法，而且极为 经济、可靠，因为这样能使高真空抽吸系统得到快速起抽及极强的预抽。对于进展急促、 压力较高的处理作业，如真空氧脱碳，这种泵简便可靠，因而在炼钢业被广泛采纳，多 年来已成为蒸汽喷射器的通常替代设备。这种泵对处理中发生的粉尘及其它杂质有相当 大的耐受力，因为大部分粉尘及杂质可被密封水吸收而彻底清除。 随着电力行业的不断发展，水环真空泵和成套机组也针对这一领域中的各种应用不 断地进行优化设计，使发电成本逐步降低，大大提高了发电效率。真空泵及成套机组可 用于冷凝器的抽真空和真空维持两个过程。抽真空阶段：在冷凝器内尚未引入蒸汽时的 初始抽真空，抽出冷凝器内的空气和其它不凝结气体；真空维持阶段；在冷凝器运行中， 真空泵继续工作以抽出泄漏的干空气，维持凝汽器背压在最佳工作点，确保汽轮机的高 效率运行，改善电厂的热效率。除此之外，还用于烟气脱硫、飞灰输送、涡轮机密封管 排气等。 1 5 4 纸浆和纸张生产领域 通过采用水环真空泵，为造纸机除水，降低造纸成本并提高纸张质量。在纸浆厂中 的黑液蒸发器，用来浓缩在纸浆清洗工艺中产生的黑液，以便于这些液体可以在回收炉 _ 6 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 收回化学药剂，在纸浆生产中重新利用。在漂白或其它原料准备工作之前，粗浆洗浆机 从造纸原料中去除纸浆化学物质( “黑液 ) 。粗浆洗浆机为典型的水平转鼓过滤机。鼓 形内腔可以产生真空。当转鼓在原料浆中旋转时，真空可以使原料黏着在转鼓外表面， 并帮助从原料中去除( 清洗) 黑液。在纸浆厂中的石灰泥浆过滤机，用来回收白水澄清 过程中的石灰。原料和白水除气系统在原料准备阶段使用，用来在原料进入调浆箱之前 去除原料携带空气或来自于稀释水的空气。调浆箱压缩机真空泵应用于“加气垫”的 调浆箱内，用来在调浆箱原料水平( 或“原料池”) 以上产生一个压力真空，最大限度 的控制原料排放速度( “喷射 速度) 。在纸机的成形段上，直接从纸浆中脱水。伏辊是 成形段上的最后的真空点，被称作造纸机最重要的脱水部分。出伏辊后进入压榨部时， 纸张的干燥度影响压榨部的脱水性能和干燥部的蒸汽消耗。真空压榨采用机械方式从纸 张中榨出水分。 1 5 5 医药与食品领域 在医疗实践、医院、实验室和制药设备中，各种装置和设备的灭菌至关重要。灭菌 器的三个不同工作循环：抽出空气：空气阻止热蒸汽直接接触被杀菌的物体这就是为 什么必须将其从容器中抽空的原因。空气压力要降至1 0 0 m b a r ，然后注入热蒸汽。这个 过程重复3 到4 次。灭菌：在2 - 3 b a r 的压力和1 2 1 1 3 4 。c 下将蒸汽注入容器，并杀灭所 有细菌。杀菌过程中，真空泵不工作。干燥：灭菌完成后，真空泵将灭菌器内的空气排 出，直到真空度达到5 0 m b a r 。用来干燥接受灭菌的物体。患肺部疾病的病人所使用的 呼吸装置，通过安装小型气环风机，来压缩呼吸用空气，然后过滤空气，如果需要，还 可增加含氧量或药剂量。安装一个阀，根据呼吸周期和治疗需要，用来调节病人呼吸空 气压力。气褥用于有褥疮危险的卧床病人( 褥疮溃疡) ，可以为病人带来明显的改善。 采用透气垫，可以更好的治愈皮肤干燥。同时，通过对不同气囊排气和充气，可以改变 对皮肤的压力，帮助防止褥疮。在呼吸空气被污染的危险情况下，防护服可以用来避免 感染。产生一个过压，并通过适当管道进入防护服，在完全气密的情况下，可以避免细 菌穿透防护服。在大多数的牙科治疗中都会采用真空系统，用来抽出唾液、分泌物、牙 屑和冷却水。中央和分散真空系统都采用。气环风机在吸气管和治疗椅侧的痰盂产生真 空，吸走唾液、牙屑和其它生物学物质。医院和外科门诊采用中央真空系统来抽出手术 中产生的液体。手术设备附近设置一个分离器，对大小颗粒进行分离，然后对其进行适 当处理。通常情况下，由于手术设备附近空间有限，真空系统可以安装在距离较远的地 方。 - 7 毯将通过装有可调抽吸槽的真空辊来达到此目的。将水环真空泵连接到该真空辊上，空 气通过抽吸槽抽出。稳定的气流确保对材料的柔和处理，残留在地毯中8 0 的水分被抽 出。 8 - 东北大学硕士学位论文第2 章水环真空泵的设计及影响效率的因素分析 第2 章水环真空泵的设计及影响效率的因素分 析 2 1 水环真空泵的工作原理 椿气口 雎肆 囊# 笺t 篓凌 爱气口 竹麓 农辱 图2 1 单作用水环真空泵的工作原理图 f i 9 2 1o p e r a t i o np r i n c i p l eo f w a t e rr i n gp u m po fs i n g l e - s t a g es i n g l ea c t i o n 水环真空泵是由泵体、偏心地安装的叶轮、及端盖( 开设吸气口排气口) 、等几部分 组成。在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向 四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似等厚度的封闭圆环。水 环的上部内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触( 实际上 叶片在水环内有一定的插入深度) 。此时叶轮轮毂与水环形成一个月牙形空间，而这一 空间又被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0 0 为起点，那么叶 轮在旋转前1 8 0 0 时小腔的容积由小变大，且与端面( 即端盖) 上的吸气口相通，此时气 体被吸入( 应注意吸气口的终止位置应保证小腔容积为最大) ，当吸气终了时小腔则与 吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小使气体被压缩；当小腔与排气口相通时， 气体便被排出泵外。 在水环真空泵中，能量是这样传递的：电能_ 叶轮机械能一水环动能一气体势能( 压 力升高) 。水被叶轮带动之后形成水环，这时叶轮把能量传递给水使之动能增加，水才 具有一定的速度在泵腔内回转。就单作用水环真空泵来说，在吸入侧( 前1 8 0 0 时) ，埋 在叶轮内的水被叶轮加速，当水从叶轮腔内被甩出之后，水具有与叶片端点切线相近的 - 9 _ 图2 2 单级单作用轴向吸排气类水环真空泵 f i 9 2 2w a t e rr i n gp u m po fs i n g l e - s t a g es i n g l ea c t i o nr a d i a l - a i rs u c f i o n a n dr a d i a l - e x h a u s t ( 2 ) 双作用 双作用的叶轮与泵体呈双偏心，叶轮每旋转一周，吸气和排气各进行两次。在相同 的抽速条件下，双作用水环真空泵比单作用水环真空泵的尺寸和重量大大减少。由于工 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章水环真空泵的设计及影响效率的因素分析 作腔对称分布于泵轮毂两侧，改善了作用在转子上的载荷。此种泵的抽速较大，效率也 较高，但极限真空较低。双作用又可分为径向、轴向吸排气两种，此方式结构较复杂， 制造要求稍严。泵体基圆与两偏心圆交接处为突变点，水环沿壁面运动时，在该点附近 产生旋涡，不但局部损失大，效率低，而且因旋涡产生的汽蚀，致使在水环中融有腐蚀 性气体或者液体时，易产生汽蚀腐蚀冲刷联合作用，泵体及叶轮破坏较快。同 时，因压缩段较短，作真空泵时极限真空低，高真空区气量小，但其转子径向力可自动 平衡。与单作用型式相比，在相同的叶轮圆周速度、转速、长度及轮毂比时，忽略叶轮 传给水环能量时损失大小的差别，则叶轮提供给水环同样的能量只用于压缩一半的气 体，即水环压缩单位气量的能力大一倍，适合用于对水环能量要求大的场合，故作压缩 机时，气量曲线在工作压力范围内下降平缓。总之，双作用更适合作压缩机。另外，在 试制过程中，可通过改变泵体偏心圆半径来改变气量，使性能调整变得容易。双作用方 式在相同叶轮尺寸下，理论气量比单作用大一倍。但事实上，对同一性能要求的泵，如 果分别设计成双作用和单作用进行比较的话，无论泵体积或重量，两者都不差上下，甚 至单作用还会比双作用小一些。因为同样的叶轮圆周速度，单作用的容积效率远远高于 双作用。 图2 3 双级双作用径向吸排气类水环真空泵 f i 9 2 3w a t e rr i n gp u m po fs i n g l e - s t a g ed o u b l ea c t i o nr a d i a l - a i rs u c t i o na n dr a d i a l e x h a u s t 2 2 2 按级数分类 ( 1 ) 单级泵 泵中只有个叶轮，每旋转一周，吸气和排气各进行一次。 ( 2 ) 双级( 多级) 泵 实质上是两个单级单作用水环真空泵的叶轮共用一根轴联接而成。它的主要特点是 东北大学硕士学位论文第2 章水环真空泵的设计及影响效率的因素分析 在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。般次级叶轮与首级叶轮 外径相同，宽度减小一半，但它比单级水环真空泵具有更高的真空度( 即极限真空度小) 或排气压力气量曲线较为平缓，特别适用于在较高真空或排气压力工况下仍需较大 气量的场合。也可作为预真空泵与罗茨泵、水蒸汽射流泵等高真空泵组合使用， 2 2 3 按吸、排气方向分类 ( 1 ) 轴向吸、排气类 气体由侧面分配板上的吸、排气口沿轴向进入、排出叶轮。该方式的吸、排气口布 置在叶轮侧面的分配板平面上。排气口可做成可调式，最大程度地减缓了低真空区的过 压缩和高真空区的压缩不足，功率曲线为无过载形状，并拓宽了高效区域。在试制过程 中，可以较容易地改变吸排气口的尺寸及角度，以达到最佳效率。另外，该方式结构简 单，易于做成两级泵，但因吸排气口面积的限制，不宜做成双作用型式。 ( 2 ) 径向吸、排气