液环真空泵的设计

革ｌＯ卷第２刿　］９９］年６月　Ｖｏ１．１０Ｎｏ２　Ｊｕｎ．１９９１　液环真空泵的设计　任德高　（武汉钢铁学院：：　题词：液环真空泵、设计：ｒ苒。　机械系）　内容提要：液环真空泵的没计理１兰尚，　成熟，经验公式较多，系数取萤范隔各说　一，相差　较大，理论闸述亦不完善，以象要进行多次试算，蛤准确顺利的没计带来困难。在实验的基础　Ｉｔ，井综台多种资料，抓住主要矛盾，食弃次要冈素，提出了较为台理ｎ　设计理矗　，ｌ＿１纳出要　点，以捕轻运算之　。还给ｆｆ５丁赍　Ｅ的取值大小。　泵结构形式的确定　设计之前，应首先确定泵的结构形式：　１．所需的工作压力范嗣较高，可采用单级泵：　２．所需较低的工作压力（２００ＯＯＰａ以下），或者在较低的工作压力下仍具有较大的气　馒，则应选用两级泵的结构形式；　３．如要求绝对压力在６６６６Ｐａ以＿Ｆ，蜊可选用液环—　大气泵。　二、泵的相似设计　可选用性能较好的模型泵（一般均是着眼于高的效率），通过相似定律，计算出所需要　较好性能的新泵的有关参数　ｉ．泵的相似定律　如果两台液环真空泵其叶轮尺寸几何相似，且有下式相等：　Ｐ　ｊｊ＝　ｉ＝Ｅ”（欧拉数）　式ｔ｝『ｌＰ　——泵的吸入压力，Ｐ　也可用Ｐ２或△Ｐ：Ｐ２一Ｐ　代替：Ｐ２——泵的排出压力：　ｐ——液环密度：　——圆周率：“——叶轮圆周速度；Ｄ—！＝叶轮外径；ｎ——叶轮转速　那么，在同一压缩比ｘ＝Ｐ　２／Ｐ　时，下式成立：　［Ｎ］：———　一、：　ＰｌＤｌＢ　Ⅱ　Ｎ　Ｌ　Ｎ　２　Ｂｌ　Ｐ２Ｄ２　Ｂ２“；　或　ｐｌＤ　２Ｄ　ｉＢ　：　…　［Ｑ］＝　Ｄ　日Ｌｎ　Ｌ　ＤｉＢ　２ｎ　２　１　９９１￣１月７日收到，作者邮编｛３００８】　，　７　监＝　在式中：（Ｉ）Ｎ、Ｑ．　分别表示轴功　率　气量及等温效率。方括号表示　当量值；（２）符号下标１及２　分别表示两种相似的泵，如Ｐ　表示第一种泵的吸入压力，Ｐ：ｚ　表示第二种泵的排气压力：（３）　Ｂ为叶轮宽度：（４）在［Ｎ］　等式中，对于同一台泵，有Ｎ　／Ｎ　＝『Ｉ】。／ｎ　，但因要满足压　缩比　及Ｅｕ相等，故此时这　ｉｑ．－‘台泵前后试验时的排气压力　恩１承环泵液谎剖面圈　Ｐ：必不等。　２－泵的相似设计　（例］　现有一台液环真空泵，数据如下：Ｄ　Ｊ＝Ｂ　＝。．６ｍ，即等　ｒ；Ｑ　＝５０ｍ　／　ｍ；ｔｔ（Ｐｌ吸入压力下）　Ｐｌｌ＝３ＯｋＰａ　Ｔ　Ｎｌ＝６４ｋＷ￣ｎｌ＝５９０ｒ／ｒａｉｎ；ｐ　２ｌ：＝ｌ　０１　３２５Ｐ‘】：　Ｂ　、ｖ　、ｚ　、Ｓ　等数据已知（符号意义见设计部分）；　＝ｏ．４７５（计算值　因其效率较高，欲以此泵为模型，设计另一台泵，要求Ｄｚ＝ｉ，ｎ，Ｐ２　２＝１　０１　３２５Ｐａ，使　用同一液环，在工作点Ｐ　＝３０ｋＰａ时与该泵相似　设计步骤如ｉ　：　Ｉ．叶轮几何Ｒ寸相似，即新泵的ｐ！、Ｖ：．ｚ　ｚ、Ｓ　／ｏ　、Ｄ　／Ｂ　均与原泵同，故Ｂ：＝Ｄｚ　＝ｌｍ　２．因两泵相似，其Ｅｕ相等。　．　一Ｄ面ｌｎ　ｌＬ—Ｏ．旦　Ｑ　一　ｑ　一　■　ｉ　一。　。。　　，　一…　一～　　兰：　一“。‘。　ｓ　３．验证效率值　————　。：一竺：３一　０ｏ０。　一一ｌ　ｉＳ　８．９Ｘ￣一　ｏＸ　哆　。。　即　＝　，设计无误，两泵在Ｐ　＝３ＯｋＰａ的设计工作点相似（即在同一压缩比　＝　３．３７７５）。　此外，在相似定律各公式中，亦可已知其它参数，而求另外未知参数　在计算过程中　不要忘记捐似两台泵的叶轮尺寸必须几何相似．如有Ｄ　／Ｂ，＝Ｄ　ｚ／Ｂ　等　这里不再举例，读　等可自行练习。　三．泵的水力设计　水力设计中的基本参数是叶轮半径ｒ　，其它参数几乎都以它为基准求出，而ｒｔ又取决于　叶轮强周速度“之值．ｚ‘值的大小又直接与效率有关，叫自愈小鼬效率愈高。　具体设计步骤如下　１．确定最小叶轮圆周速度“　—　“２ｎ　√（３Ｐ　２—２Ｐｉ　，）÷　ｆ～一　——～…■一＿＿　式中：Ｐ　——排出压力（鲍压）；Ｐ　，—　临界压力（绝压）．一般取肆小工作压力．由　已知条件给出，（在以下公式中省去下标　）；ｐ一液环密度，　其值可由以下原则定；　若已知条件中朱给出工作压力，则不能应用该式计标＂　（１）为了提高泵的效率，或设计的泵要求较高的效率　可定出“　。＝１４．５～ｌ　５．５ｍ／ｓ．　这是因为．叶轮圆周速度不能无限制小，否则由于能量不够不能形成水环．目前所见的资料　中．最小叶轮圆周速度“　＝１　３．８３ｍ／ｓ　考虑各种不同的条件　从安垒着眼，其最小值的范　围取为１４．６～１　５．５ｍ／ｓ，并以１　５ｍ／ｓ为宜；　（２）若要求泵有紧凑的结构，尽可能小的尺寸而获得较太的抽气量（如消防用水环真　空泵）．＂：　ｉ。则需取大值，如取２０￣２５ｍ／ｓ。　定好＂　值后，再由以上公式反算出临界压力Ｐ　若已知条件中给出的是极限压力，则因极限压力在泵工作性能中无实用价值，周泵根本　不可能在极限压力下工作（国外许多厂家样本上就没有极限压力这个指标），故仍应按上述　两条原则定出“ｚ一。　２．确定转速ｎ噩叶轮半径ｒ　２　凡在选择时应考虑：　（１）若已知数据ｑ即为最大气量（相应的压力即为外界大气压，ｌ０１　３２５Ｐａ）．则可直接　由表１中查得相应转速ｎ：　（２）若Ｑ　为在某吸入压力Ｐ　下的气量．则Ｑｓ…＝ｑｓ／￣。．　＝０．８５～ｏ．９９（ＰＩ低时　则取小值）．然后再查表ｌ　袭１　最大气量ｍ。￣ｒａｉｎ　Ｏ．４　０．８　１．５　３　６　ｉ　１２　２０　２０　３０　３０　ｆ　４２·　６。｛８　ｔ８０　ｌ２５０　』　转　速ｒ／＇ｍｉｎ　电动机功率　ｗ　喂人、排出口径批ｍ　１４５０１　ｃ１４５０　ｒ　１４５０　［１４５　１４５ｏ｛９７０　ｌ９７０｛７３。　３。　５８５　９０　Ｉｌ２。ｌ３６５　２５０滢ＯＯ　１．５｝２．２　４　７．５　１　１５　２２　３７　３０　５５　４５　　ｌ７５　９５　ｆＩ３０Ｉｚｅｏ　ｓ。　２５　４０　５０　８Ｏ　１Ｏ０　１５０　２Ｏ０　２５０　ｌ３００　ｄＯ０　５Ｏ０　确定叶轮半径时用ｒ　ｚ＝　３．确定　噩叶轮内半径（轮毂半径）ｒ　单作用泵Ｖ＝０．４～０．６（常取ｏ．５５～０．５９）　ｔ：烈ｆｉｓ．￣ｌｆ泵ｖ：Ｏ．５　～ｏ．６５　ｔ１　Ｖｒ　４．确定叶片厚度Ｓ　Ｓ＝（０．０４～Ｏ．０６）ｒ２　在保证叶片根部强度基础上取小值。　５．确定叶片浸深ｄ及梗核相对浸深　单作用泵　ａ＝５￣３０ｍｍ　双作用泵　ａ＝１Ｏ～３　Ｏｍｍ　按照所设计的泵在整个系列中的大小（参见表１）取值，并校核　，　＝ａ／ｒ　ｚ＝０．Ｏ２～０．０４５。　浸深ａ是叶片在ＣＤ位置时插入液环中的深度，目的是为了避免因叶片数较小而引起两小　空气腔的串气，故其值大小与叶片数已有一定关系。　８．确定叶片数Ｚ　由分析液环自由面上的作用力知．液环自由面与切线方向成一定倾斜，叶片数过少时则　会导致两相邻小空气腔串通，降低容积效率及真空度。故有：　墨一　Ｚ＞ｅ　ｓ　ｒ　ｚ　ｒ　２　但按该式计算出的Ｚ值俯大，而影响其它性能。为了减少ｚ，又不致小腔间串气，采用了　浸深ａ的办法，可见，ｄ值小时，ｚ值应大。　单作用泵　Ｚ＝１　２～２４　（推荐ｚ≥１６）　双作用泵　Ｚ＝１８～２８　７．计算叶片排挤系数　Ｕ＝１一　ＺＳ　（ｒ　２－－ａ＋ｒ１）　铸造叶轮　＝０．６８～Ｏ－８５　薄钢板叶片　＝０．９５　如计算值　相当偏小，则可修改某些参数，重新计算，使之符合要求。　８．计算叶轮宽度Ｂ　Ｒ：——一——旦　一．．．一　ｒｉ　［（１一　）　～　］　（１）式中　为理论气量，Ｑｒ＝Ｑｓ／ＴＩＶ，　ｖ为泵的总容积效率，它与前面的　ｚ不同ｔ有　Ｑｓ　＝（０．９Ｏ～Ｏ．９５）Ｑｒ，故ｑｖ＝（Ｏ．９Ｏ～０．９５）ｒｚ，即　Ｖ　０．７６～Ｏ－９４，常取　０．７８～　０．９０。对于Ｐ　值较低（如接近临界压力）或为提高设计可靠性，宜取小值－双作用泵其值可　稍大。　（２）计算出的Ｂ，还直进行校核，使之符合Ｂ　＝１～２．４，常取　Ｉ．５～２。对于　两侧同时吸排气叶轮，可取大值。　９．计算叶片出口角　ｐ　Ｐｉｔｎ　Ｂ＝ａｒｃｃｔｇ￣，ｃ－　＝　１　０　小泵也可取ｐ＝９ｏ‘的径向直叶片。　般，ｐ￣＞４５　，ｑ：为临界压力ＰＩ时容积效率。　１　０．计算圆周速度修正系数　√（　＋　）”·　“ｚ＝　ａｓｉｎＰ　１＋　丁　１１．校核叶轮圆周速度Ｕ２　ｊ．　按此精确圆周速度ｕ　。重新计算ｒ　ｚ值，而其余与ｒ　有关的各值贝　不必重新计算，仅修　改与ｒ　ｚ之比的系数即可　１２．确定　值　．　旦：１．ｏ５～１．１０　丑为叶轮宽度　６为叶片宽度。　对于直径Ｄ≥Ｏ．３ｍ的叶轮，为加强叶片强度，在叶轮两端面常用箍扎紧。故丑＞ｂ　小型　泵不用箍，故　＝１　１　３．计算偏·　距ｅ　（　４＾　２　１二！　一　单作用泵　双作用泵　＝０．１　２５～０．１６７　Ｔ　２　ｅ＝０．２０～。＿２４　ｒ　２　．　１１．确定径向问ｌ撺值ｆ　ｆ＝（０．０３５￣０．０４５）ｒ　ｚ　１５．计算泵体半径Ｒ　Ｒ＝ｒ２＋ｅ＋ｆ　１　６．确定轴向问障　见表２。　裹２　叶轮外径　≤１８０　＞１８０～ｊ００　＞５ＯＯ～】０００　。　轴向暇雄气夏叶轮与　董蔺■（ｍ　ｍ）　两傩总间隙　０．２５￣－，－０．３０　Ｏ．３０～０．蛐０．＿｛口～０．　、．一曲间隙　０．１Ｏ～０．２０　０．１２～０．２８　０．１５～０．３５　ｌ　７．吸气孔始角　１　单作用　双作用　１　＿１　ｌ＝４０　～１５。　ｌ＝１　５‘Ｎ２０　１８．吸气孔终角∞±　单作用　双作用　（１８。。一　３６０￣）＜９。＜（１８ｏ　一　２＝９０。～　３６０￣　）　，　１　９．排气孔｛｝角∞‘　单作用　双作用　·＝１８‘～３０。　９４＝３　６０￣　＿　２０．排气球阿始角　　。。　’　始角∞　为自ＯＣ线为基准到刚开始有排气球阈（图１中未标出）的角度。　９　＝　＋　（　＝１　０　～２０。）　２１．排气孔始角　。　㈠　ｓ吊　簪　干丌ａ　一ｔ　。半√　（３　ｔ　＋　２２，计算吸气段液环内界线　由于液环内界线并非是以泵体中心Ｏｔ为圆心的圆．为了绘出吸气孔　排气孔的外轮廓　线，必须求出液环内界线．分二步求。　吸气段位于　：０。～１８０。的区域　…　—一液环内界线某点到叶轮中心Ｏ的距离（图中未绘出）；　∞—？—＝＿．ｒ　ｌ与ＡＯ的夹角。　则　～√　（　一Ｅ）＋ｖｚ　式中Ｅ　√　一由此式可承得当　一Ｏ。～ｌ８０。的㈨值．即可绘出吸气段液环内界线　２３．计算排气段液环内界线　排气段　＝　３～　‘　ｒ　。～一液环内界线上某点至叶轮中心Ｏ的距离（图中未绘出）ｉ　ｌ２　妒—　ｈ　３与ＡＯ的夹角。　ｈ　ｓ　ｒ　２￣Ｙ／２．￣Ｒｆ　“＼ｒ／、，１了、　ｔ．　ｉ，Ｔ　２４．绘制吸姚气孔尺寸．　（１）吸排气孔外纛应她鑫　嫒醅ｄ氍　÷　ｌ　：　，　（２）吸排气孔内缘即为轮毂　２５．确定泵的轴功率Ｎ．并选配套电动机，计算效串　泵制造出来之后．应通过试验确定全工况运行时的最大轴功率Ｎ　，并乘以系数１．１，　据此选择配套电动机．　试验时的配用电动机功率，可根据壤大气量由表ｌ查得，但应太一等级。　从各工况之效率　＝旦　！｛　垫，可得出ｒ…。　四、泵轴的袁劳曩虞镀接　对单作用液环真空泵而言，因有径向力柞用乎轴上．易产生握劈破坏．敢徭校桉之；双　作用泵因径向办相互平衡．放不存在此问题。　’　　。首先必额确定径向力Ｐ　．它由荫部分组成；　１．由气体压力而开ｊ成的径向力Ｐ　’　。　。　“　、　径向力大小　Ｐ＝￣／　可可口＝ａｒｃｔｇＰ，／Ｐ　　　。。　其作用方向与Ｚ轴（水平轴）夹角口　式中Ｐ　——径向力在水平轴上投影：　Ｐ　＝Ｐ　，＋Ｐ　＋Ｐ　ａ＋Ｐ“　Ｐ，＝Ｐ　ｌ＋Ｐ，２＋Ｐ，３＋Ｐ¨　——径向力在垂直轴上投影　’　一　，Ｅ　－　其中Ｐ　【＝－－Ｂｒ　ＪＰｌ（１＋ｃｏｓ　１）　’　－ＢＩ　（娶三　６（　ｒ　）　ａ－ｓｉ　］＋Ｐ　ｘ　Ｐｔ　ａ＝ＢｒｌＰ２（ｃｏｓ　‘－－Ｃ０￥￣ｓ）　）｝　Ｐ　·：Ｂｒ　ｔ｛　Ｐ　ｚ－Ｐｌ‘（ｓｉ　十ｓ｛”　·一（　’ｔｒ＋　·）　。ｓ　＋　ｔ（ｃ。ｓ　一　妒　）｝　…　。　，　Ｐ，【＝ＢｒｔＰｌ　ｓｉｎｑ￣Ｉ　’　Ｐ，ｚ＝Ｂｔ－｛～尢一田３　兰　［　ｃｏ婶，＋（　。一　）ｓｉ”　ａ　］一Ｐ　ｓｉ　。）’　　。　’Ｐ，Ｉ＝ＢｒＩＰ　２（ｓｉｎｑ￣３＋Ｓｉｎｑ￣‘）　一　Ｐ，｛＝　｛等　［ｃ０　…　一（　－如　］一Ｐｌ（　２．由叶轮质量Ｑ所引起的撞向力　。）　它在　轴上的投影为零，在ｙ轴上的投影为一Ｑ。　３．总径向力Ｐ　、。　　．Ｐ　为以上两部分径向力之矢量和。　、　第１Ｏ卷第２期　真空与低温　Ｖｏ１．１０　２　１９９１年６月　Ｖａｃｕｕ皿＆Ｃｒｙｏｇｅｎ　Ｊｕｎ．１０９１　电子束焊接与铜质文物的　沈伯礼唐敦乙龚彬　（西鲁交通大学　电子工程系）　主题词ｔ电子束焊、青铜、文物。　内容提要ｔ电子束埠是一种较为先进的焊接方法。利用电子束焊接可以用来修复古代金属文　物。介绍了对两种铜质文物进行分修复的情况并分析了成份。结果表明ｔ　仅修复了文物的断　裂袭纹，保证了博缝的强度，而且保证了不发生外貌的形变。　在众多的出口文物中，已有损伤的青铜器为数不少。对青铜器残缺曲修补已有一种较为　成熟的工艺。即首先剪出所需尺寸的铜板．经过加热髓打成薄铜片。将薄铜片反复敲打成　型。最后用锡焊的方法将成型的薄铜片补配在文物的残缺部位。这种方法的缺点是工艺复　杂、工人的劳动强度犬、工效较低、技术要求颇高。对于铜质矿化严重，器壁铜胎薄、强度　低的文物，用这个方法难以恢复原貌。为了既简化修补的工艺程序，又使修复岳外表漂亮，　经过摸索．我们发现电予束焊可以用于铜质文物的修复　，　电予束焊接法的性能与特点可归纳为：　１．电子柬可以聚焦到很小的直径，加热面积最小可到Ｊｏ—ｃｍ　；能量密度最走可达５　ｘ　１　０　Ｗ／ｃｍ　；加热温度可达６ＩＯ０￣Ｃ。故能焊接难熔金属。　２．由于电子束的能量密度高，束斑又小，所以加热面积小，热影响医极小．探透能力　强。被焊金属的熔深，熔宽之比可达２０　ｌ。　３．焊接时容易控制温度，有利于薄板的焊接，焊厚板有同样的适应性。也可以焊接厚度　相差悬殊的材料。焊缝的形式可以是多样的。例如，对焊，搭接焊　角焊、Ｔ形焊等　也能　焊接不同的材料。　４、由于是在真空中进行焊接．焊接时不用焊药与焊条。因此，焊缝无杂质、不变色．焊　缝质量高、强度高。在外观上．熔接部分与周围金属难以区分。　，　我们使用的电子束焊接机的功率为Ｌ　ｋＷ、加速电压１　Ｏ０００Ｖ、二级电子抢。有完整的电　扫描及聚焦系统，也有合适的真空系统及工作室。室内还有可以灵活移动的工作台。焊机的　结构原理如图１所示。　１９９１年１月１２日收到，作者邮编７１０Ｃ４９　总径向力大小Ｐ　￣／　Ｆ　总径向力方向口　＝ａｒｃｔｇ（　／ｐ　）　式中Ｐ，　＝Ｐ，一Ｑ　’　Ｐｔ与Ｐ：分别为吸入压力和排气压力　叶轮质量Ｑ引起的径向力占总径向力的很小部分．可以略而不计。　求出径向力后，选取轴的危险断面．运用材料力学的方法对该断面进行疲劳强度校核。　；啐