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二级气冷罗茨泵
概况及原理
气体循环冷却罗茨真空泵,由于其特殊的结构设计,使其可以在高压差和高压缩比下长期可靠运行。冷却气体从泵体的两侧进入泵的吸气腔,使泵不会因压缩气体而出现过热,但对泵的抽气性能没有任何影响。右图Ⅰ至图Ⅴ是转子在泵腔内旋转 120 度并完成一次吸、排气的过程。冷却器和电机是每台泵必备的附件,冷却器和电机的规格是根据不同的工况而定。泵可以单独使用也可以多台串联使用,或与液环真空泵和普通罗茨真空泵串联成机组,达到更高真空度来满足各类工艺要求。
气冷式罗茨真空泵是一种允许在高压差下连续运行而不会超温的罗茨真空泵。它也具备普通罗茨真空泵转速高,体积小的优点,其工作及现金取决于泵本身的机械强度。
气冷罗茨真空泵采用三叶型转子型线,容积利用系数大,体积更小。配带合适的电机和冷凝器后,可在任意压力下启动,在在任意压差下运行。气冷式罗茨真空泵除可单独使用外,也可组成机组。在部分情况下,即处于机组中间级时,气冷式罗茨真空泵是依靠泵外冷却器达到热平衡的。如作为机组最后一级或单独使用,均可不带冷凝器而依靠空气的冷却。
该泵及机组可以达到各种极限压力及工作压力,在以下情况下,均可选用气冷式罗茨真空泵及机组:
1、负荷特别大;
2、要求抽气时间短;
3、低真空至高真空均需大抽速;
4、需要避免普通泵工作介质的场合。
该泵及机组可广泛适用于真空冶炼,真空干燥,真空浸渍,真空蒸馏,真空脱气,航空模拟实验,气体输送,真空吸送及电站吸尘和其他真空作业中。

主要特点
1、单独使用时直排大气的工作真空度可以达到 150mbar。
2、多级串联或和其它前级泵泵串联后可以达到中真空范围。
3、特殊结构设计确保泵在高压差和高压缩比运行时不会过热过载。
4、三叶渐开线型线结构和高精度机械加工确保产品运转平稳安静。
5、抽气性能、噪声、振动等主要性能比传统二叶泵更有显著提高。
6、先进的平衡式机械密封使泵的密封性能比传统骨架密封更可靠。
7、泵腔为无油结构,适用于抽除一般空气及各种特殊气体。
8、与其它机械真空泵比较,节能效果十分显著。

两叶与三叶转子气冷式罗茨真空泵气动噪声分析
气冷式罗茨真空泵的噪声主要由机械噪声和气动噪声组成,气动噪声具有强度高、:Υ蟮奶氐,是气冷式罗茨真空泵的主要噪声。应用 FLUENT 软件动态模拟泵的内部流。?粤揭、三叶转子的气冷式罗茨真空泵的气动噪声进行比较,分析气动噪声产生的来源,为设计低噪声的气冷式罗茨真空泵提供参考。同时对两种转子的气冷式罗茨真空泵的噪声进行测试,三叶转子的气冷式罗茨真空泵的噪声明显低于两叶转子的气冷式罗茨真空泵。气冷式罗茨真空泵具有结构简单、工作可靠,能够在高压差和高压缩比下正常运行,缩短大容器的抽空时间等优点,近年来广泛应用于大型空间模拟装置、汽轮机动平衡装置以及化工等各行业,市场前景广阔、经济效益显著。但存在着噪声大的缺点,不仅污染了环境,也恶化了工作条件,限制了它的进一步应用,因此气冷式罗茨真空泵的噪声研究得到了广泛关注。真空技术网认为气冷式罗茨真空泵的噪声主要由气动噪声和机械噪声构成,气动噪声具有强度高、:Υ蟮奶氐,是气冷式罗茨真空泵的主要噪声。气动噪声主要由气体脉动产生的旋转噪声和紊流产生的涡流噪声组成。在中心距和外圆半径相同的条件下,三叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真空泵的容积利用系数比两叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真空泵高。目前国内气冷式罗茨真空泵的转子型线基本上是两叶宽头圆弧摆线,采用三叶圆弧摆线型线,可提高抽气效率。本文应用 FLUENT 软件数值模拟泵的内部流。?粤揭、三叶圆弧摆线转子型线气冷式罗茨真空泵的气动噪声进行研究,分析气动噪声产生的来源,为设计低噪声的气冷式罗茨真空泵提供参考。
1、计算模型
1.1、基本方程
(1) 连续性方程
(2) 运动方程
(3) 能量守恒方程式中ρ 是密度,t 是时间,ui 是速度矢量,u、v、w 是速度矢量 ui 在 x、y、z 方向的分量。p 是流体微单元体上的压力,μ 是动力粘度,Su,Sv,Sw 是动量守恒方程的广义源项,cp 是比热容, T 为温度, k 为流体的传热系数,ST 为粘性耗散项。
1.2、湍流模型
采用 RNG k-ε 湍流模型。k 方程和ε 方程分别为:式中 Gk 是由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项。
1.3、数值解法
湍流模型采用 RNG k-ε 模型,该模型考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,能够更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。采用有限体积法求解, 压力速度耦合方程采用 PISO 算法求解,压力项采用 PRESTO! 格式离散,其余项采用二阶迎风格式。采用动网格技术通过函数定义实现转子的转动。壁面附近采用壁面函数法。
1.4、模型建立及网格划分
根据企业生产的两叶、三叶圆弧摆线转子的 LQ300 气冷式罗茨真空泵建立模型。主要参数有:抽气速率为 300 L/s,中心距 180 mm,电机转速为 1490 rpm。由于模型的计算为非定常,计算区域划分网格的尺寸。??值淖芴逋?袷?,计算时间较长,三维模型径向截面流动同二维的流动情况基本相同,二维的计算模型已经能够满足分析流场的需要,因此计算中采用了二维模型。图 1、图 2分别为两叶、三叶圆弧摆线转子气冷式罗茨真空泵二维流道模型。
图 1 两叶转子气冷式罗茨真空泵二维流道模型
图 2 三叶转子气冷式罗茨真空泵二维流道模型
为便于计算以及尽量减少网格数量,进气、排气区域非旋转区域因为在计算过程中网格没有变化,采用四边形结构化网格;旋转流场区域,网格随时间变化,为减小不同时刻网格的扭曲率以及计算的收敛性,采用三角形网格,对于两叶转子,整个流场的初始网格数为 168604,网格最大扭曲率为 0.447306。对于三叶转子,整个流场的初始网格数为 115340, 网格最大扭曲率为 0.505867。1.5、边界条件及初始条件设置边界条件设置如下:进气压力为 5000 Pa,进气温度为 20℃,排气压力为20000 Pa,排气温度为 140℃。左右两返冷气压力为 20000 Pa,温度为 30℃。
上述所采用的压力均为绝对压力值。流动介质采用空气,按理想气体设置属性,初始化整个流场。
2、数值模拟结果及分析
2.1、进气噪声
输出两叶转子、三叶转子旋转一周(0.04027S)的进气速率图,如图 3、图 4为两叶转子、三叶转子进气速率脉动曲线。不考虑泵开始运转的不稳定状态;泵正常运转后,进气速率脉动与转子的结构相一致。由于转子旋转过程中,进排气腔容积不断发生由大变小、再由小变大的周期变化,气体受到周期性扰动,引起速率波动。两叶转子旋转一周出现四个完整的脉动周期,三叶转子旋转一周出现六个完整的脉动周期,与理论预测结果相同。从图 3、图 4 中可以看出,两叶转子泵的最大进气瞬时速率为 1400 L/s,最小进气瞬时速率为 100 L/s,波动幅度较大。三叶转子泵的最大进气瞬时速率为1000 L/s,最小进气瞬时速率为 100 L/s。两者相比之下,两叶转子的进气速率脉动比三叶的大的多。脉动越大,进气气动噪声越大。
图 3 两叶转子进气速率脉动曲线
图 4 三叶转子进气速率脉动曲线
2.2、排气噪声
图 5、图 6 为两叶转子、三叶转子排气速率脉动曲线,从这两图中可看出,不论是两叶还是三叶转子气冷式罗茨真空泵,与各自的进气速率脉动相比,排气脉动。?牌?纯鼋虾。
图 5 两叶转子排气速率脉动曲线
图 6 三叶圆弧摆线转子排气速率脉动曲线
相比之下,三叶转子的排气速率脉动比两叶转子的排气速率脉动要大。这是由于两叶转子头部有大圆弧密封,工作腔与返冷气口相通时,与排气腔是隔离的,如图 7。这样,工作腔内的气体压力与返冷气均压后基本达到返冷气压力(20000Pa)时,再与排气腔相通,因此排气平缓。而三叶转子由于转子头部没有大圆弧密封头,如图 8,工作腔同时与返冷气口、排气腔相通,排气腔的高压气体(压力20000 Pa)向工作腔(压力 7000 Pa)快速返流,使气流受到冲击与压缩形成脉动,因此排气速率脉动较大。当三叶转子继续转动一定角度转过返冷气口的位置时,工作腔才与返冷气口相通并与排气腔隔离。工作腔内气体的压力基本达到返冷
气口的压力(如图 8 的左工作腔),再与排气腔相通,排气较平缓。
图 7 两叶转子右工作腔与返冷气口相通的压力分布
图 8 三叶转子右工作腔与返冷气口、排气腔相通的压力分布
2.3、工作腔与返冷气口相通均压过程产生的噪声
当工作腔与返冷气口相通时,高压返冷气体高速流入工作腔,与工作腔内的低压气体混合,形成涡旋,实现工作腔内的均压,同时产生了涡流噪声。不考虑两叶圆弧摆线转子与三叶圆弧摆线转子的容积利用系数差异的影响,两叶转子和三叶转子在相同的中心距和圆弧外径的条件下,三叶转子 V3 的封闭工作腔容积是两叶转子的封闭工作腔容积 V2 的 2/3,两叶转子的返冷气进入工作腔的速率大于三叶转子的速率,并且两叶转子的均压过程中产生的气流冲击及涡旋强度均大于三叶转子,如图 9、图 10 所示。涡旋强度越大,产生的涡流噪声也越大。
图 9 两叶转子右工作腔与返冷气口相通时的速度分布
图 10 三叶转子右工作腔与返冷气口相通时的速度分布
2.4、间隙泄漏产生的噪声
两叶圆弧摆线转子头部有个大圆弧密封头,而三叶圆弧摆线转子由于结构限制,转子头部不能设计成与两叶转子这样的大圆弧密封头,因此在转子与转子、转子与泵体内壁间隙相同的情况下,三叶转子的气冷式罗茨真空泵更容易通过各种间隙从高压区向低压区返流,不仅产生较大的气动噪声,而且降低泵的极限真空度。
3、结论
气冷式罗茨真空泵的主要气动噪声并非主要来自排气腔处气流的周期性脉动,而是来自进气腔处气流的周期性脉动、工作腔与返冷气口相通均压过程及间隙泄漏产生的气动噪声。进气腔处气流的周期性脉动及工作腔与返冷气口相通均压过程产生的气动噪声,两叶转子的气冷式罗茨真空泵要比三叶转子的气动噪声要大;而排气腔处气流的周期性脉动及间隙泄漏产生的气动噪声,虽然两叶转子的气冷式罗茨真空泵比叶转子的要。??跋觳淮。因此,从模拟结果上看,三叶转子的气冷式罗茨真空泵产生的气动噪声比两叶转子的气冷式罗茨真空泵的气动噪声要小。根据真空泵测试标准对抽速为 300 L/s 三叶转子的气冷式罗茨真空泵的噪声进行测试,测得的噪声平均值为 98.6 dB,而在同样的测试条件下两叶转子的气冷式罗茨真空泵的噪声为 104.4 dB,三叶转子的气冷式罗茨真空泵的降噪效果明显。

单级气冷式罗茨真空泵主要技术性能规格

型号 抽速(L/s) 极限压力(Pa) 转速(r/min) 进气口(mm) 排气口(mm) 电机功率(kW)
ZJQ-150 150 16000 1400 150 150 3~15
ZJQ-300 300 16000 1400 150 150 4~30
ZJQ-600 600 16000 1440 250 250 7.5~55
ZJQ-1200 1200 13000 1440 300 300 15~132
ZJQ-2400 2400 13000 1000 350 350 22~250
ZJQ-3750 3750 13000 1000 350 350 37~250
ZJQ-5000 5000 13000 1000 500 400 45~375
ZJQ-10000 10000 13000 1000 500 400 75~320
 
双级气冷式罗茨真空泵主要技术性能规格

型号 抽速(L/s) 极限压力(Pa) 转速(r/min) 进气口(mm) 排气口(mm) 电机功率(kW)
2ZJQ-150 150 3000 1500 150 63 3~15
2ZJQ-300 300 3000 1500 150 100 4~30
2ZJQ-600 600 3000 1500 250 150 7.5~55
2ZJQ-1200 1200 3000 1500 300 200 15~132
2ZJQ-2400 2400 3000 1500 350 300 18.5~145
 
 
三级气冷式罗茨真空泵主要技术性能规格

型号 抽速(L/s) 极限压力(Pa) 转速(r/min) 进气口(mm) 排气口(mm) 电机功率(kW)
3ZJQ-150 150 300 1500 150 80 3~15
3ZJQ-300 300 300 1500 150 80 4~30
3ZJQ-600 600 300 1500 250 100 7.5~55
3ZJQ-1200 1200 300 1500 300 150 15~132
3ZJQ-2400 2400 300 1500 350 200 18.5~145
 
注:表中所列极限压力为该泵单独使用直排大气时的极限压力值,配用前级泵时的极限压力与 ZJ 系列罗茨真空泵相同,可参照相应的罗茨真空机组的极限压力值

四级气冷式罗茨真空泵主要技术性能规格

型号 抽速(L/s) 极限压力(Pa) 转速(r/min) 进气口(mm) 排气口(mm) 电机功率(kW)
4ZJQ-150 150 50 1500 150 80 3~7
4ZJQ-300 300 50 1500 150 80 4~15
4ZJQ-600 600 50 1500 250 100 7.5~30
4ZJQ-1200 1200 50 1500 300 150 15~55
4ZJQ-2400 2400 50 1500 350 200 18.5~145
 
 

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时间:2018-09-20 编辑:admin 来源:未知 点击:

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