单轴两级真空泵气动设计报告Word文档下载推荐.docx
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300
设计点单级总总多变效率
≥82%
级间压损(kPa)
3kPa
二、设计分析
由于真空泵进口压力低,雷诺数较小,效率会低于进口常压的压气机,因此设计难度增加。
此新型单轴两级真空泵拟采用具有国际先进水平的离心真空泵气动设计方法,使用S型后弯叶片,优化叶轮子午流道和叶轮载荷分布,有效调控离心叶轮内部的二次流动,提升气动性能,确保真空泵在宽广工况范围内高效运行。
为了降低制造成本,通过调整压比分配,使两级叶轮能采用相同的轮径。
该真空泵转速偏低,流量系数偏小,所以采用了长短叶片来提升机组性能。
由于该真空泵的工况变化范围尚不确定,所以采用了无叶扩压器,使机组获得更好的流量范围。
由于两级之间仍处于真空状态,并且只有管道直接相连,没有中冷器等设备,所以级间损失一般不会超过1.5kPa。
即使在实际运行时,级间管道损失略大于1.5kPa,只要在设计时留
三、一维设计
有足够的压力裕度,都能满足使用要求。
按照1.5kPa的级间损失计算,两级压比分别选取了1.9和1.67。
根据轴功率300kW反算后,流量为1.985kg。
设计计算时,忽略了叶根倒角等对流量的影响,所以机组流量一般略小于计算值,所以选择了2kg作为了设计流量。
一维设计结果见表2、3。
表2第一级子午面几何尺寸
名称
单位
数值
进口叶根半径
mm
53
进口叶尖半径
147
叶轮轴向长度
148.5
叶轮出口半径
253
叶轮出口宽度
27.6
扩压器出口半径(蜗壳进口
半径)
400
扩压器出口宽度
23
转速
rpm
叶片数
组
9
进口叶尖间隙
0.5
出口叶尖间隙
0.8(装配间隙)
表3第二级子午面几何尺寸
50
19
129
114.4
22.4
390
11
0.6+轴向窜动量
三、三维详细设计
一维设计完成后,结合CFD软件,对子午面型线分布、叶片角度分布和蜗壳截面进行设计和优化。
由于该真空泵属于偏大型的机组,为了降低蜗壳损失,采用了等内径蜗壳。
3.1第一级三维详细设计
3.1.1第一级叶轮
叶轮子午面型线分布和叶片型线分布见附表一、三、四
3.1.2第一级蜗壳
蜗壳子午面示意图见图1,各截面几何尺寸见表4。
蜗壳出口扩压锥管(360°
截面到出口法兰区域)扩张角可以在7°
到9°
之间,由结构设计人员根据选取的法兰尺寸确定。
图1蜗壳截面示意图
表4第一级蜗壳截面几何数据
截面角度
360
330
270
240
210
180
150
120
90
60
30
蜗壳进口半径R5
进口宽度B5
R1
104
99.2
94.3
89.2
83.8
78.1
72.2
65.8
58.8
50.9
41.7
30.5
3.2第二级三维详细设计
3.2.1第二级叶轮
叶轮子午面型线分布和叶片型线分布见附表二、五、六。
3.2.2第二级蜗壳
蜗壳子午面示意图见图1,各截面几何尺寸见表5。
表5第一级蜗壳截面几何数据
86.1
82.2
73.9
69.5
64.8
59.8
54.4
48.5
41.9
34.2
24.5
四、设计工况CFD分析
4.1第一级设计工况CFD计算结果
第一级真空泵子午面静压分布(图2)显示,叶轮通道内静压分布沿流向方向逐渐上升,其等值线与流线方向基本垂直,能还好的满足真空泵性能的要求。
图3中的叶片表面静压分布显示,叶片载荷分布均匀,叶轮出口根、中、尖的静压基本一致。
图2第一级子午面静压分布 图3第一级叶片表面静压分布
图4、5、6分别是10%、50%、90%叶片高度速度矢量分布。
图中显示,流场分布较好,无气流分离。
90%叶片高度靠近叶片出口位置的低速区是由于叶尖泄露涡造成的,属正常现象。
图7是蜗壳表面静压分布。
图中显示蜗壳内静压分布均匀,蜗壳进口静压分布除靠近喉口位置有变化外,其余位置基本一致,说明蜗壳内流场分布较好,蜗壳损失低,能使机组获得较大的流量范围。
设计工况蜗壳损失系数约0.36。
图4第一级10%叶片高度速度矢量分布 图5第一级50%叶片高度速度矢量分布
图6第一级90%叶片高度速度矢量分布 图7第一级蜗壳表面静压分布
4.2第二级设计工况CFD计算结果
第二级真空泵子午面静压分布(图8)显示,叶轮通道内静压分布沿流向方向逐渐上升,其等值线与流线方向基本垂直,能还好的满足真空泵性能的要求。
图9中的叶片表面静压分布显示,叶片载荷分布均匀,叶轮出口根、中、尖的静压基本一致。
图8第二级子午面静压分布 图9第二级叶片表面静压分布
图10、11、12分别是10%、50%、90%叶片高度速度矢量分布。
图中显示,流场分布较好,无气流分离。
图13是蜗壳表面静压分布。
设计工况蜗壳损失系数约0.35
图10第二级10%叶片高度速度矢量分布 图11第二级50%叶片高度速度矢量分布
图12第二级90%叶片高度速度矢量分布 图13第二级蜗壳表面静压分布
五、叶片强度与模态分析
5.1第一级叶轮强度与模态分析
第一级叶轮应力分布见图14。
转速12000rpm时,叶片最大应力不到140MPa。
对钛合金来说,具有非常大的安全系数,叶片强度性能非常好。
第一级叶轮模态分析结果见图15。
前三阶是整个叶轮的摆动和绕轴转动,在评估叶片频率时,可以不用专门考虑。
整个叶轮的摆动受连接方式和链接处的几何尺寸影响较大,但是叶片的振动受连接方式相对较小。
计算结果中的第四阶频率是叶片的一阶频率。
叶片一阶频率达到也叶轮额定转速转频的6.4倍频,能后很好的满足变转速工作的要求。
图14第一级叶轮应力分布 图15第一级叶轮模态分析
5.2第二级叶轮强度与模态分析
第二级叶轮应力分布见图16。
第二级叶轮模态分析结果见图17。
从计算得到的阵型来看,第五阶频率才是叶片振动,是叶片的一阶频率。
该频率下的振动不光是叶片,还伴随着轮盘的摆动。
叶片一阶频率达到也叶轮额定转速转频的6.55倍频,能后很好的满足变转速工作的要求。
图16第二级叶轮应力分布 图17第二级叶轮模态分析
六、真空泵性能预估
6.1第一级性能预估
8
7
6
5
4
流量m3/s
3
2
1
1.1
6000
1.2
1.7
1.6
1.5
1.4 9000
1.3
1.9
1.8
压比
设计完成后,利用CFD软件,采用全通道叶轮加蜗壳组合计算的方法对真空泵性能进行了预估。
第一级计算进口总温25℃,进口总压33kPa。
图18、19为真空泵压比和效率的性能曲线。
图中显示,第一级真空泵效率达到了0.84以上。
图18第一级压比流量MAP图
效率
0.1
0.4
0.3
0.2
9000
0.7
0.6
0.9
0.8
图19第一级效率流量MAP图
6.2第二级性能预估
第二级体积流量小于第一级,并且两级转速相同,所以第二级的流量系数更小,使得第二级效率略低于第一级。
图20、21是进口总温97.35℃,进口总压63kPa时对应的性能曲线。
图中显示,第二级效率约低于第一级两个百分点,设计工况效率约0.82。
1.4
图20第二级压比流量MAP图
图21第二级效率流量MAP图
6.3整机性能预估
第二级进口温度和压力都随第一级出口变化,为了获得相对准确的预估性能,采用两级连算的方法对真空泵性能进行了预估。
计算显示(图22),第一级蜗壳出口气流旋转速度通过两级之间的连接管道传递到了第二级进口,使第二级进口气流产生负预旋,提升了第二级的做功能力。
设计工况进口体积流量5.38,压比3.182。
计算获得的性能曲线(图23)显示,真空泵在转速12000rpm时,对应设计流量,有3.2%的压力裕度。
当然计算本身也存在一定的误差,对于抽真空的真空泵来说,留有一定的压力裕度是有必要的。
实际运行时,可以通过转速调节,达到合适的排气压力和流量。
真空泵流量喘振裕度约30%,能够很好的满足抽真空的需求。
真空泵功率MAP图(图24)显示,设计工况真空泵耗功接近300kW,满足电机功率要求。
图22整机流线分布
#,##0.0;
[Re2](#,##0.0)
设计工况
[Re1](#,##0.0)
[Re31](#,##0.0...
流量
图23整机压比流量MAP图
功
200
250
350
450
500
图24整机功率流量MAP图
七、结论
1.在考虑叶轮和蜗壳流道表面粗糙度的情况下,真空泵要求的所有运行工况计算效率均高于要求值;
2.设计工况流量喘振裕度约30%,能很好的满足抽真空的要求;
3.转速12000rpm时,对应设计流量下,喘振裕度约3.2%;
4.设计转速下,叶片最大应力远低于材料屈服强度,具有较好的强度;
5.两级的叶片一阶频率高于设计转速6倍频,能很好的满足变转速使用的要求。
八、附表
附表一第一级叶轮子午面型线坐标
第一级
叶根
轮盖
叶尖
Z
R
146.5
144.066
54.0636
145.511
147.011
145.493
146.48
139.65
55.2038
142.521
147.047
142.487
146.502
135.256
56.4225
139.533
147.112
139.481
146.565
130.885
57.7216
136.545
147.212
136.476
146.671
126.539
59.1027
133.558
147.35
133.473
146.819
122.22
60.5676
130.574
147.531
130.472
147.008
117.932
62.1178
127.594
147.759
127.474
147.241
113.676
63.7548
124.617
148.038
124.48
147.521
109.455
65.4801
121.647
148.372
121.492
147.852
105.271
67.295
118.683
148.765
118.51
148.242
101.128
69.2008
115.729
149.221
115.538
148.693
97.0292
71.1986
112.785
149.743
112.576
149.213
92.9766
73.2892
109.855
150.336
109.628
149.805
88.9737
75.4736
106.941
151.002
106.696
150.472
85.0239
77.7525
104.045
151.744
103.783
151.217
81.1304
80.1263
101.171
152.566
100.892
152.042
77.2966
82.5954
98.3213
153.469
98.0253
152.95
73.526
85.1599
95.4998
154.457
95.1871
153.943
69.822
87.8199
92.7098
155.53
92.3809
155.023
66.1883
90.575
89.955
156.691
89.61
156.19
62.6284
93.4248
87.2391
157.94
86.8778
157.446
59.1459
96.3686
84.566
159.278
84.1881
158.79
55.7441
99.4054
81.9393
160.705
81.5448
160.223
52.4267
102.534
79.3629
162.221
78.9518
161.746
49.1971
105.753
76.8401
163.825
76.4132
163.357
46.0585
109.061
74.3744
165.515
73.9321
165.056
43.0141
112.456
71.9689
167.29
71.5114
166.84
40.067
115.936
69.6263
169.147
69.1539
168.706
37.2201
119.498
67.3493
171.083
66.8619
170.653
34.4759
123.14
65.1399
173.097
64.638
172.676
31.8369
126.859
62.9997
175.184
62.4841
174.774
29.3053
130.652
60.9301
177.341
60.4011
176.943
26.8829
134.515
58.9321
179.565
58.3895
179.178
24.5712
138.446
57.006
181.851
56.4496
181.475
22.3715
142.44
55.1519
184.196
54.5815
183.831
20.2845
146.495
53.3696
186.596
52.7854
186.243
18.3109
150.606
51.6584
189.047
51.0611
188.706
16.4506
154.769
50.0174
191.546
49.4077
191.218
14.7035
158.981
48.4453
194.088
47.8235
193.773
13.0688
163.238
46.9406
196.671
46.307
196.37
11.5455
167.536
45.5016
199.292
44.8562
199.003
10.1321
171.872
44.1263
201.946
43.4693
201.671
8.82696
176.241
42.8128
204.631
42.1442
204.37
7.62781
180.641
41.5588
207.345
40.8789
207.098
6.53217
185.067
40.3619
210.084
39.6712
209.851
5.53723
189.518
39.2199
212.847
38.519
212.629
4.63986
193.989
38.1302
215.631
37.4197
215.427
3.83667
198.477
37.0903
218.434
36.3712
218.245
3.12398
202.981
36.0978
221.253
35.3708
221.081
2.49789
207.498
35.1501
224.089
34.4158
223.932
1.95426
212.026
34.2446
226.938
33.5029
226.797
1.48875
216.562
33.379
229.799
32.629
229.674
1.09684
221.106
32.5506
232.671
31.791
232.561
0.773833
225.654
31.7571
235.554
30.9861
235.459
0.514857
230.207
30.9962
238.445
30.2115
238.364
0.3149
234.763
30.2653
241.343
29.4663
241.277
0.168796
239.321
29.5624
244.249
28.7501
244.197
0.0713821
243.88
28.8853
247.161
28.065
247.125
0.01663
248.44
28.2317
250.078
27.4091
250.059
26.7821
附表二第二级子午面型线坐标
第二级
-114.4
128.5
-110.338
51.1439
-
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