（机械工程专业论文）关于液环泵结构参数的理论与仿真研究.pdf

大庆石油学院硕上研究生学位论文 摘要 液环泵现在广泛应用于石油、化工、冶金、矿山、电力、轻工、医药、食品以及通用 行业等领域，是直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。 本文通过深入分析，确认决定液环泵性能和结构参数因素很多，叶轮、液环、吸、排 气口的位置形状等对液环泵性能有很大影响。 本文通过径向叶轮、切向叶轮和弯曲叶轮的形状设计比较，以弯曲叶轮的结构合理， 压缩性好，效率高；但通过各种叶轮的比较，径向叶轮和弯曲叶轮的应力、应变值较大， 这是其结构所决定的。对叶轮的设计，不仅要考虑其形状特性的影响，而且要考虑强度与 加工制造问题。 液环泵内的流动过程比一般叶片泵要复杂得多。本文考虑液环泵叶轮在旋转一周中， 各处受力情况完全不同的复杂性，将叶轮的一个循环分为进气区、压缩区、排气区、死区， 按照各区承受压力的不同，寻找这一有规律的变力，来分析叶轮的强度。通过有限元分析 可知，因为叶轮上压力的不均匀分布，在压缩区应力、应变出现最大值，但无论那种叶轮， 其应力、应变均在允许范围之内。需要注意的是：当转速较高，压力较大时，液环的反作 用影响需要考虑；另外，叶轮上的叶片在工作中随着叶轮的转动始终处于交变状态，还应 考虑其疲劳的影响。 如何提高液环泵可靠性，减少液环的涡流损失，提高效率以及新技术与新工艺是液环 泵的设计开发的一项重要工作。 关键词：液环泵，叶轮，液环，有限元分析，流体运动分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el i q u i dr i n gp u m pi st h en e c e s s a r i l ya n db a s i cp r o d u c tw h i c hc a ni n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo f t h ev a c u u me q u i p m e n td i r e c t l ya n dw i d e l yu s e db yt h eo i l ，c h e m i c a l ，m e t a l l u r g y m i n e ，e l e c t r i cp o w e r , l i g h ti n d u s t r y ，m e d i c i n e ，v i v e r sa n do t h e rc u r r e n c yi n d u s t r y t h r o u g ht h ea n a l y s e si nt h i sp a d e r , i ti ss u r et h a tt 1 1 e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c hc a r ld e c i d e t h ep e r f o r m a n c ea n ds t m c t u r a lp a r a m e t e ro ft h el i q u i dr i n gp u m p s u c ha st h ei m p e l l e r , l i q u i d r i n g ，t h ep o s i t i o na n df o r mo f i n l e ta n do u t l e te t c n ec o m p a r i s o no ft h ef o r md e s i g na m o n gt h er a d i a li m p e l l e r , t a n g e n t i a li m p e l l e ra n d c u r v i n gi m p e l l e rs h o w st h a tt h ec u r v i n gi m p e l l e r c a np r o v i d et h eb e t t e rs t r u c t u r e ，b e t t e r c o m p r e s s i b i l i t ya n dh i g h e re f f i c i e n c y b u tt h es t r e s sa n ds t r a i no fr a d i a li m p e l l e ra n dc u r v i n g i m p e l l e ra r eh i g h e r , t h a ti sd e c i d e db yt h e i rs t r u c t u r e s ot h ed e s i g no ft h ei m p e l l e ra r en o to n l y c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fi t ss t r u c r t r e ，b u ta l s ot h ei n t e n s i t ya n dm a n u f a c t u r ep r o b l e m ， t h ef l o wp r o c e s si n s i d et h el i q u i dr i n gp u m pi sm o r ec o m p l e xt h a nt h ec o m m o n l ys l i d i n g v a n ep u m p c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ef o r c ea c t i n go nt h ei m p e l l e ri sa b s o l u t e l y d i f f e r e n tw h i l et h el i q u i dr i n gp u m pr o t a t i n g ，w ep a r t i t i o no n ec i r c l eo ft h ei m p e l l e ri n t of o u r p a r t s ：i n l e ta r e a , c o m p r e s s i o na r e a ，o u t l e ta r e aa n dd e a da r e a t h e na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e o ft h ef o r c ea c t i n go ne a c ha r e a ，f i n do u tar e g u l a r l ya l t e r i n gf o r c ea n da n a l y z et h es t r e n g t ho f t h ei m p e l l e r t h ef e as h o w st h a tt h em a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i na r et a k ep l a c ei nt h e c o m p r e s s i o na r e ab e c a u s eo ft h ep r e s sd i s t r i b u t en o n - u n i f o r m l yo nt h ei m p e l l e r b u tn om a t t e r w h i c hi m p e l l e r , i t ss t r e s sa n ds t r a i nc a n te x c e e dt h ea r r o wr a n g e w h a tn e e dt op a ya t t e n t i o nt o i st h a t ：t h ei n f l u e n c eo f r e a c t i o no f t h el i q u i dr i n gs h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nr o t a t i n gw i t hh i g h s p e e da n dt h el a r g ep r e s s ，a n o t h e rw a y , b yt h er e a s o no ft h ea l t e m a t i n gs t a t epo ft h ev a n e ，t h e i n f l u e n c eo f t h ef a t i g u es h o u l db et a k ei n t oa c c o u n t i ti sai m p o r t a n c ew o r kt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y ，r e d u c et h ee d d yc u r r e n t l o s s ，n e wt e c h n i q u ea n dn e wp r o c e s si nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t h el i q u i dr i n gp u m p k e yw o r d s ：l i q u i dr i n gp u m p ，i m p e l l e r , l i q u i dr i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c f d 人庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 液环泵的应用与发展综述 液环泵属于粗真空泵。 真空泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、冶金、矿山、电力、轻工、医 药、食品以及通用行业等领域，是直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产 品。真空泵从高超真空到粗低真空，其产品大致可分1 4 大类。 l 、高超真空一低温泵、分子泵、溅射离子泵、钛升华泵、扩散泵； 2 、中真空一千泵、双级旋片泵、罗茨泵、油增压泵、水蒸气喷射泵： 3 、粗低真空一单级旋片泵、滑阀泵、液环泵、往复式真空泵。 液环泵在粗真空获得过程中，气体压缩是等温的，故可抽除易燃、易爆、含尘、含水 的气体等，在真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮、真空脱 气等工业生产的许多工艺过程中得到广泛应用。“列 1 1 1 液环泵的应用 ( 1 ) 在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。通过采用液环泵， 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，可以提高油的质 量和适用性。液环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液环泵，联合作用。 在火炬气尾气回收装置中，液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 0o c 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。 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液环泵组成的复合真空系 统来获得。与其它应用不同的是，这里可以直接采用乙二醇作为真空泵的工作液，以便于 整个真空系统的运行。 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液环真空泵抽出并送入贮 气罐内；再经液环压缩机组加压至o 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，采用高出口压力的液环压缩机，可以极大地降低成本，且 避免了环境污染。 ( 2 ) 在冶金电力领域 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 型液环泵( 或水环泵) 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、 第l 章绪论 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，液环真空泵和成套机组也针对这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 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。 ( 3 ) 在纸浆和纸张生产领域 通过采用真空泵，为造纸机除水，降低造纸成本并提高纸张质量。在纸浆，一中的黑液 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。 ( 4 ) 在医药与食品领域 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一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 0m 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 卜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，可以改交对皮肤的压力，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 来掬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。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 作为标准离心泵的一个替代选项，液环泵正在进入食品业。液环泵尤其适合于泵送在 传送途中起泡的夹气流体，如奶油。液环泵可以彻底抽净罐中的流体，这种节约原料的优 点对冰激凌生产商和液体鸡蛋加工商来说非常有吸引力。 ( j ) 在纺织业领域 为了使更换纬纱锭变得简单，储砂筒内纬纱锭上的抽线开始端自动内拉并绷紧。当纬 纱锭上的棉纱用完时，纱线的始端线头被切断、抽出并送到风机前端的线头收集箱内。织 布程序完成后，用真空抽吸布的边缘，避免碎屑进入梭口。编织过程中，压缩空气用来将 袜子完成的部分固定在袜管内，以使织针可以活动自如。离散线被真空吸走。编织完成后， 袜子被吸出管套，然后通过压缩空气管路收入同各织袜机连在一起的收集箱内。为了方便 对较重的布卷的定位，以进行进一步处理，通过多孔板在切割台内形成一个气垫。待布卷 定位后，真空将布固定，在桌面上进行处理。在纺纱机上，纱线是绕在线轴上的，这样常 常使纱线不直。然而在后续的纱线加工中，又要求线是直的。这时常用蒸汽来改变纱线分 子结构的排列以使最终的织物光滑平直。地毯着色后，必须在清水中进行洗涤和漂清。在 这个过程中，地毯被水浸透，必须柔和的将水排干。为此，通常将地毯将通过装有可调抽 吸槽的真空辊来达到此目的。将液环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。“4 1 1 12 液环泵的发展综述 世界上第一台液环式真空泵是由美国纳氏工程公司于1 9 0 4 年发明的，所以液环泵也 称“纳氏泵”。近一个世纪以来，纳氏公司一直从事真空技术的研究和开发，其产品技术 和系统工程水平始终处于世界领导地位。1 9 4 0 年将平面式液环泵改进为锥体式泵，与普 通平面式液环泵相比，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。 已有8 0 多年历史的斯特林s i h i 液环式真空泵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点，一直保持其世界领先地位，是世界许多 著名的大型化工集团在真空泵等系列产品上的全球供应商。1 在国外，液环泵的销售额占全部真空泵市场的1 4 ，仅次于干泵，所以n a s h 、s e i m e m s 和k i n n e y 等公司都在我国投资建厂或建立销售网络，不断扩大在我国的市场份额。 我国生产液环泵的厂家很多，如上海纳氏真空设备有限公司、武汉四方泵业集团有限 公司、淄博水环真空泵厂、淄博市真空设备厂、烟台东港耐腐蚀泵有限公司、佛山水泵厂、 四川省信达水泵厂、浙江真空设备集团有限公司、宝鸡水泵厂等。由于液环泵大部分是铸 件，加工要求也不高，属劳动密集型产品，所以国产液环泵在价格上有竞争优势，关键是 要改进设计，缩小体积，减轻重量，提高效率，降低能耗。我国真空泵制造业有着悠久的 历史和雄厚的基础，国产液环泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些泵还出口 国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国液环泵制造业在国内外市场仍然有着 巨大的发展空间。 通过对液环泵的应用和发展分析我们可以看出，液环泵的市场及应用领域都在不断变 化和发展。 第l 章绪论 1 2 液环泵的特点与存在的问题 液环泵和其它类型的机械真空泵相比有以下优点： 1 、结构简单，制造精度要求不高，容易加工。操作简单，维修方便。 2 、结构紧凑，泵一般与电动机直联，转数较高。用较小的结构尺寸，可以获得较大的 排气量。 3 、泵腔内没有金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑。转动件和固定件之间密封可直接 由水封来完成。 4 、泵腔内压缩气体过程温度变化很小，可认为是等温压缩，故可以抽除易燃、易爆的 气体。 5 、由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体及气水混合物。 液环泵也有其缺点： 1 、效率低，一般在3 0 左右，较好的可达5 0 。 2 、真空度低。这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限 制。4 1 由于速巫歪具有等温压缩和用水作封液，可以抽除易燃、易爆及腐蚀性气体，还可以 抽除含有灰尘和水分的气体等突出优点，作为基本的粗低真空获得设备在各行业得到了广 泛的应用。但液环泵的研制开发还存在一些问题： ( 1 ) 整机的平均无故障运行期( m t b f ) 液环泵的工作可靠性，即平均无故障运行期，应当说与其它的粗低真空获得设备相比 还是较高的，平均无故障运行期可达l o o o o 小时以上。但随着各行业技术进步工作的加强 和对整个真空系统的可靠性要求的提高，因而对其可靠性要求也相应更高了。特别是在化 工和煤矿抽瓦斯气体这样对安全要求严格的工况下，液环泵要长期持续运转，国际先进水 平可达几万小时以上。所以液环泵的设计开发情况和制造条件的限制以及密封件，特别是 机械密封件的质量现状，对提高整机的可靠性有很大影响。 ( 2 ) 努力提高泵的效率，降低能耗 液环泵耗能高，效率低一般为3 0 5 0 ，这样低的效率与目前能源紧张的现状是极不 相适应的。因此采用优化设计方法，对影响泵的效率最关键的叶轮的各几何参数及吸排气 孔的起始位置、面积等建立数学模型，进行优化设计，选择各参数的最佳组合方案，并采 用汽液两相流的有关理论及计算公式进行设计，尽量减少液环的涡流损失，达到提高效率 的目的，是设计开发液环泵的重要工作。 1 3 课题的来源、目的、意义 1 3 1 课题的来源与目的 课题来源于本单位真空泵的基础研发。目的是通过深入的基础研究，开发具有独立知 识产权的先进的化工生产设备。 叶轮是液环泵的主要组成部件。其作用是为形成液环提供动力，在旋转过程中吸入和 排出气体。其几何参数及吸排气孔的起始位置、面积；与泵体之间的间隙等，需要采用有 关理论和方法进行深入研究，以提高液环泵的可靠性和作业效率。本研究的重点在于建立 液环泵的优化理论和结构形式，为开发高效的液环泵提供依据。 大庆机油学院硕士研究生学位论文 1 3 2 课题的内容 采用机械三维设计、部件动态分析、c f d 和结构有限元优化的仿真手段，建立液环 泵的实体模型；通过改变结构几何参数及吸排气孔的起始位置、面积以及液体的边界条件， 研究和寻求其优化设计规律。详细内容为： 1 、分析液环泵的发展情况与趋势，以确定研究方向； 2 、液环泵的工作机理，为液环泵的研究提供必要的理论基础； 3 、研究与分析液环泵的结构，深入探讨关于叶轮结构参数等的力学特性； 4 、研究与分析液环泵的叶轮转速等对效率等的影响。 1 3 3 课题的基础工作 1 、广泛查阅国内外资料，了解液环泵在工程中的实际应用情况，通过对比分析，了 解液环泵的特点、优势及其发展趋势； 2 、通过现场实践，掌握液环泵的结构特点、基本工作原理等方面的知识。 3 、学习相关液环泵设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、结构要求等方面的 基本知识。 4 、学习与运用三维工程设计软件，对液环泵进行实体建模。 5 、以常用液环泵为例，确定各个部件的参数，并对其进行全面的运动与力学分析。 1 4 小结 1 、本章对国内外液环泵的发展进行了综合叙述和分析； 2 、对液环泵的基本结构特点进行分析，确认液环泵研究的必要性 3 、明确了研究液环泵所需的基础工作与研究内容。 第2 章液环泵的工作原理、结构型式与选择分析 第2 章液环泵的工作原理、结构型式与选择分析 2 1 液环泵的工作原理 液环泵是一种以旋转液环作液体活塞，抽吸或压送气 体的回转容积泵。如图2 1 所示，在泵体中装有适量的液 体作为工作液。当叶轮按图中顺时针方向旋转时，液体被 叶轮抛向四周，由于离心力的作用，液体形成了一个决定 于泵腔形状的封闭圆环。此时叶轮轮毂与液环之间形成一 个月牙形空间，而这一空间又被叶轮和叶片数目相等的若 干个小腔。如果以叶轮的下部为起点，那么叶轮在旋转前 1 8 0 。时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通， 此时，气体被吸入，形成吸气室。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；构成了压缩过程( 相当于排气室) 。当小腔与排气 口相通时，气体便被排出泵外。排出的气体和液滴由排气 图2 1 液环泵的工作原理管道进入液体煎，此时气体由液体中分离出来，气体经管 f i g 。2 - 1 占p e r 撕o np r i n c i p l e掌出；：、液体由液体箱进入泵中，或经过管道排到排液设备 o f t h e l l q u l d r i n g p m n p 液环泵的压缩比由泵的吸气口终了位景和排气口开始 位置所决定。因为吸气口终止位置决定着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开始的位置决 定着排气时压缩了的气体的体积。对已经确定了结构尺寸的液环泵，可以求出其压缩比。 单级水环泵的极限压力为2 8 1 0 。p a ，双级水环泵的极限压力可达1 1 0 2 p a ，排气量为 0 2 5 5 0 0 m 3 m i n 。6 1 2 2 液环泵的基本结构组成 液环泵的主要结构如图2 2 所示 图2 - 2 液环泵的主要结构 f i g 2 2m a i n s t r u c t u r eo ft h el i q u i d 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 壳体 壳体分前后两个部分，壳体上有吸、排气口，与固定在壳体侧盖上的气体分配器串通。 2 叶轮 叶片前弯，使工作液体速度大，静压小，以获得较大的速度能，促使形成椭圆形液环。 叶轮的氏度几乎等于直径，叶轮的中心有圆柱形空心，装配时与气体分配器吻合在一起。 3 气体分配器 气体分配器装在侧盖上，应确保气体分配器外圆与侧盖定位止口端面的垂直度，避免 装配后气体分配器外圆与叶轮内孔摩擦影响性能。气体分配器上开有吸气窗u 和排气窗 口，把气体送入液环所形成的负压空间，又把经压缩后的气体送到侧盖上的出口通道。 4 侧盖 侧盖共两个，固定于壳体两侧。各有吸气窗口和排气窗口，通过侧盖内部的通道与气 体分配器串通。侧盖与气体分配器紧密结合在一起。 5 轴承体与轴承压盖 轴承固定在两个侧盖上，内各装一个单列向心球轴承，油脂润滑。轴承体内外侧装有 轴承压盖。 6 进、放水管路 有填料供水管和水环供水管，并设有放水管路。 7 轴封部分 由填料( 油浸石棉盘根) 、填料环及填料压盖组成。填料压紧程度以密封水成滴流下为 宜。也可设计或改装为机械密封。 工作时，以一定的压力连续向泵内供水，以形成水环。多余的水不断随气体经排气 胶排出，经气液分离器收集可经冷却后循环使用。”1 2 3 液环泵的结构形式分类 液环泵有不同的结构型式，针对不同的要求及使用条件，可以选择相应的最佳结构 型式、性能与使用效果。 2 3 1 按叶轮个数分类 图2 3 单级、单作用，轴向吸气、径向排气类液环泵 f i g 2 - 3l i q u i dr j n gp u m po f s i n g l e - s t a g es i n g | ea c t i o n a x i a l l y - a i rs u c t i o na n dr a d i a l e x h a u s t 7 第2 章液环泵的工作原理、结构型式与选择分析 1 ) 单级泵。泵中只有一个叶轮，每旋转一周，吸气、排气各进行一次。这种泵的极限 真空较高，但抽速和效率较低，见图23 。 2 ) 双级泵。实质上是两个单级单作用的水环泵的叶轮共用一根心轴联接面成。它的主 要特点是在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。一般次级叶轮与首 图2 - 4 双级、单作用，径向吸、排气类液环泵 f i g 2 4l i q u i dr i n gp u m po f d o u b l e s t a g es i n g l ea c t i o n r a d i a l a i r s u c t i o na n dr a d i a l e x h a u s t 级叶轮外径相同，宽度减小一半。它比单级泵具有更高真空度( 即极限真空度小) 或排气压 力一气量曲线较为平缓，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，见图2 4 。 2 3 2 按吸、排气状态分类 1 ) 液环真空泵。泵进口处于真空状态，出口处于大气压状态的液环泵。主要用于真空 引水( 脱酸、脱气) 、真空回潮等。单级泵极限真空度5 0 h p a ，两级泵。 5 m 3 m i n 的泵采用双吸结构； 5 、轴向双作用，因效率太低；其它结构型式，可根据各自特点自行选择。 第3 章液环泵的工作参数与建模分析 第三章液环泵的工作参数与建模分析 3 1 液环泵的物理性能参数 l _ 抽气速率( 体积流率) ( m 3 5 ) 当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩上指 定位置测得的平衡压力之比。简称泵的抽速。即在一定的压力、温度下，真空泵在单位时 间内从被抽容器中抽走的气体体积。 2 极限压力( 极限真空) ( p a ) 泵装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的 最低压力。即真空泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最低的稳定的压力。 3 起动压力 泵无损坏起动并有抽气作用的压力。 4 前级压力 排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。 5 最大前级压力 超过了能使泵损坏的前级压力。 6 最大工作压力 对应最大抽气量的入口压力。在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏。 7 抽气量( p a 掰3 s ) 流经泵入口的气体流量。 8 压缩比 泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。液环泵的压缩比由泵的吸气口终了位置和 排气口开始位置所决定。因为吸气口终止位置决定着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开 始的位置决定着排气时压缩了的气体的体积。对已经确定了结构尺寸的液环泵，可以求出 其压缩比。”1 其中泵的抽气速率和极限压力两个参量是在实际应用中选配真空泵的最重要的参 量。 3 2 液环泵的几何性能参数 决定液环泵性能和结构的主要几何参数有：叶轮半径r 、叶轮轮毂比矿、偏心距p 、 叶轮叶片数z 、叶轮宽度口、叶片倾角0 、叶轮浸没在液环中的浸没度h 。“0 1 尺最小叶轮半径 液环泵的几何参数是在保证泵具有一定的排出压力和较好的液环形状的前提下进行。 液环泵的排出压力从理论上主要决定叶轮圆周线速度，在转速一定情况下，叶轮半径r 一 定，圆周线速度也定了，从而排出压力也定了。从试验结果表明，液环泵的排出压力远远 大于其理论计算的压力，而与叶轮圆周线速度的平方成正比关系。以r 为最小既保证了泵 有足够的排出压力，又使其径向轮毂尺寸最小并可直接确定其它的主要参数。 2 偏心距e 与泵的排出压力和流量0 的关系 4 大庆石油学院顾十研究生学位论文 偏心距p 应根据叶轮半径r 来定，而尺又决定泵的排出压力p ，而与泵的流量q 几乎 无关。 3 叶轮叶片数z 与泵的排出压力p 和流量g 的关系 随泵的排出压力p 增加，叶轮叶片数z 将增大，当压力增大到某一值时z 又不再增大， 冈z 再增大液环形状将变坏而与泵的流量q 关系不大。当叶片数z 增大时叶片与叶片间形 成的格子孔之间的压力差降低叶片受力状况改善。 4 叶轮轮毂比v 和叶片倾角0 保证泵产生最大的排出压力，并保持液环有较好的形状，在计算机参数优化时叶轮轮 毂比v 和叶片倾角0 往往取小值。 液环泵的叶轮轮毂比y 的经验值为0 4 o 6 。根据液环泵的试验结果v 可取到0 3 6 。 液环泵叶片向前倾角0 的经验值为4 5 6 0 。 5 浸没度h 随泵的排出压力变化的状况 在泵的排出压力p = i m p a 以下，不管泵的流量是否变化，沉没度h 基本不变。以后 沉没度h 随排出压力p 增加而增大。同时随泵的流量q 的不同也有细微的变化。压力p 增 大，气体受到更大压缩，体积缩小，液环变厚，自然沉没度h 有所增大。 6 气量公式 a ) 单作用：g = 万艘；b 【( 1 一研) 2 一y2 k ， b ) 双作用：g = 2 万m 尺；b 【( 1 一口) 2 一y 2 k ， 式中： g 一实际气量，m 3 m i n ： h 一转速，r m i n ； 见一叶轮外径，m ； b 叶轮宽度，m ； “一叶轮叶片排挤系数； a 一相对淹深，口= 日r 2 日为绝对淹深； v 轮毂比，y = r b ； 五，一为叶轮内径； 卵。一容积效率，。 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 因为结构原因，单作用的轮毂比l ，也可取得小一些。此时，从气量公式可以明显看出， 同样的叶轮转速、外径及宽度，双作用的实际气量远远达不到单作用的两倍。实践验证， 相同的叶轮转速及外径，单作用泵只需比双作用泵叶轮长约3 0 ，即可达到相同气量。而 单作用泵两侧侧盖厚度相对于双作用减小量与此相当，甚至多一些。这主要是因为双作用 侧盖需要两层，单作用只需一层，其它尺寸相当。 3 3 液环泵的基本理论分析 关于液环泵的基础理论研究，国内外的专家学者依据流体力学的相关理论，结合液环 泵的性能特点，提出了各自的看法，并用于实际设计。 兰州理工大学刘建华