罗茨真空泵流热固耦合分析及性能预测

发布时间：2020-03-28 22:20

【摘要】：罗茨真空泵在石油化工、电力、半导体、食品、轻工等行业有着广泛的应用,随着罗茨真空泵在真空应用领域的普及,现代工程技术对罗茨泵性能要求也愈来愈高。目前,罗茨泵的研究主要集中在转子型线优化设计、内泄漏量的计算、气流脉动以及泵腔内气体流动特性等方面。本文结合理论分析、数值模拟和实验验证的方法研究了罗茨真空泵内部流动规律及其外特性,系统地探究了不同参数对罗茨真空泵性能的影响;采用热流固耦合的方法研究了压力、温度作用下罗茨泵转子系统的温度分布和变形,并对转子系统进行了模态分析;最后对罗茨泵开展了外特性实验,将数值模拟、理论计算和实验测试的结果进行了对比验证。本文的开展的具体工作如下:(1)对罗茨真空泵的进气流量、气流脉动、流动过程中的温度变化以及轴功率进行了理论建模与计算,并对热流固耦合和模态分析等相关理论进行了介绍。(2)以罗茨真空泵为研究对象,采用2.5D动网格技术对罗茨泵进行三维瞬态模拟计算,主要包括罗茨泵三维流体域SolidWorks建模,ICEM网格划分,Fluent流场数值计算和后处理。通过对比分析气冷和普通罗茨真空泵内部气体的流动规律,深入探究了工作循环内气体的压力变化、气流的脉动、旋涡的产生、内泄漏以及回流冲击等,并系统地研究了入口压力、转子转速、转子间隙、逆流冷却、进气温度等参数对罗茨泵性能的影响。(3)将流体瞬态模拟计算的压力、温度加载到转子系统表面,在ANSYS Workbench协同仿真平台上分别对气冷和普通罗茨泵转子系统进行瞬态热计算和静力结构计算,研究了逆流冷却对转子温度、变形以及应力的影响;在此基础上对罗茨泵转子系统进行模态分析,得到了其固有频率和振型,避免罗茨泵转子运行过程中产生共振。(4)对罗茨泵进行性能实验测试,研究了入口压力、转速对罗茨泵容积效率、排气温度的影响,并将实验得到的容积效率、排气温度、轴功率曲线与理论计算和数值模拟结果进行了对比验证。
【图文】：

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图 1-1 气冷罗茨泵工作原理示意图构及特点单，主要由泵体、转子、盖板、同步齿轮和轴承等如图 1-2 和图 1-3 所示。转子是罗茨泵的核心部件反方向旋转，转子与转子、转子和泵体之间不，因此泵体内部机械摩擦较小，不必润滑，转子可况的不同可为转子选择不同的形状和材料。按照叶和四叶转子；根据转子形状的不同，可以分为直单分为渐开线、摆线、圆弧型转子。在选择型线要尽可能提高面积利用系数，确保较大的进气流量程中尽量平稳；同时要满足气流尽可能稳定，不要加工的难易程度。如摆叶型因面积利用系数较低而优于两叶转子正在逐步取代两叶转子罗茨泵，，扭叶

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.2 罗茨泵结构及特点罗茨泵结构简单，主要由泵体、转子、盖板、同步齿轮和轴承等零部件组成，和各零件分别如图 1-2 和图 1-3 所示。转子是罗茨泵的核心部件，两转子在轴驱动作用下作反方向旋转，转子与转子、转子和泵体之间不接触，其间通~1.0mm 的间隙，因此泵体内部机械摩擦较小，不必润滑，转子可以高速运行。介质、运行工况的不同可为转子选择不同的形状和材料。按照叶型头数一般可为两叶、三叶和四叶转子；根据转子形状的不同，可以分为直叶转子和扭叶转转子型线可简单分为渐开线、摆线、圆弧型转子。在选择型线时要考虑以下条良好的性能，要尽可能提高面积利用系数，确保较大的进气流量；需要较好的性，在运行过程中尽量平稳；同时要满足气流尽可能稳定，不要有较大的脉动声；还要考虑加工的难易程度。如摆叶型因面积利用系数较低而应用比较少，的脉动性能要优于两叶转子正在逐步取代两叶转子罗茨泵，扭叶转子的脉动性转子更好，但扭叶转子比直叶更难加工[3-5]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB752

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