目前國內(nèi)外消防泵型號、品種繁多, 其自吸形式也多種多樣, 有內(nèi)混式、外混式自吸泵, 有旋渦泵, 還有液環(huán)式真空泵、旋片式真空泵, 以及噴射式真空泵等。其中旋片真空泵真空度大、吸氣速率高、自吸時間短, 尤其適用于需要快速吸水的場合。本文對消防泵自吸引水用的旋片真空泵的設(shè)計加以探討。

1 旋片真空泵的工作原理

旋片真空泵由泵體、轉(zhuǎn)子、葉片、推環(huán)以及端蓋等組成, 見圖1。轉(zhuǎn)子偏心地安裝在泵體內(nèi), 其徑向方向有葉片槽, 葉片裝于槽內(nèi)。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時, 由于推環(huán)和滑片自身離心力的作用, 滑片緊貼于泵體內(nèi)腔壁上, 并將進氣口和排氣口隔開, 同時和泵腔、轉(zhuǎn)子以及端蓋組成一定的工作容積, 該容積周期性地在進氣口方向逐漸擴大而吸進氣體, 在排氣口方向逐漸縮小而排出氣體,從而達到抽氣制真空的目的。

為了保證泵的實際自吸時間在設(shè)計要求所規(guī)定的范圍內(nèi), 在設(shè)計時可取實際時間為規(guī)定時間的0.5 倍,經(jīng)計算S=1.9904 L/s。需要指出的是, 公式 計算的是真空泵工作時的平均抽氣速率。而真實的抽氣速率Sp 隨著真空進氣泵進氣口( 即消防泵吸氣管內(nèi)) 的真空度P 逐漸增大而緩慢下降, 當進氣口壓力接近泵的極限真空時, 抽氣速率開始急劇下降, 在達到泵的極限真空時抽氣為零。資料表明, 在未達到泵的極限真空前, 抽氣速率變化率dSp/dp 趨于零, 因而在設(shè)計時,必須使所設(shè)計的真空泵的極限真空度大于消防泵在規(guī)定的最大自吸高度下所需要的真空度。這樣真空泵在整個引水工作過程中, 其抽氣速率就可以近似地看作常量, 用式( 1) 計算出的抽氣速率可作為真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

2 理論抽氣速率的計算

已知真空泵的實際抽氣速率S, 其理論抽氣速率用下式計算:Sj=S/!V"V 為真空泵的抽氣效率( 容積效率) , 該值與真空泵的結(jié)構(gòu)形式、各零件的配合間隙、潤滑和潤滑冷卻方式、零件的加工與裝配精度以及泵的轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。此外, 在不同的進氣口壓力下, "V 的值也有很大的差別, 通常要求在0～0.099 真空度范圍內(nèi)應(yīng)不低于85%,但由于消防泵引水用真空泵的幾何結(jié)構(gòu)尺寸較小, 使用的潤滑油不是特殊的真空油, 而是普通的發(fā)動機潤滑油, 其冷卻也僅靠潤滑油在泵內(nèi)形成的潤滑油封油膜的流動以及泵體與空氣的接觸進行散熱, 故"V 的值不會高于85%, 在本次設(shè)計中我們選取"V=0.8。故由式 得Sj=2.4881L/s。

3 泵轉(zhuǎn)速n 的確定

根據(jù)真空泵的工作原理, 其理論抽氣速率Sj 和泵的工作容積Vi 、轉(zhuǎn)速n 及葉片數(shù)z 成正比。Sj∝Vi·n·z 由式可知, 提高泵的轉(zhuǎn)速可提高其抽氣速率而縮短引水時間, 故可相對減小泵的外形尺寸從而降低真空泵的重量。因此在設(shè)計時應(yīng)盡量選取較高的轉(zhuǎn)速, 但轉(zhuǎn)速的提高又受到結(jié)構(gòu)、材料、潤滑、密封和冷卻等因素的限制。隨著轉(zhuǎn)速的提高, 葉片頂端與泵腔內(nèi)壁的摩擦加劇, 從而產(chǎn)生較大熱量,并導致泵腔內(nèi)壁上的油膜破壞, 降低了泵的密封性能和潤滑性能, 且增加了磨損。當超過其臨界轉(zhuǎn)速時, 泵的極限真空度反而下降, 其振動、噪音、磨損也會加劇, 縮短了泵的使用壽命。我們對日本V15A消防泵中的旋片真空泵進行真空性能的試驗也證明了這一點, 當泵轉(zhuǎn)速達到4500r/min 時, 其極限真空度為最大, 達- 0.097MPa , 其后隨著轉(zhuǎn)速的增高其極限真空度反而逐漸下降。

由于所設(shè)計的真空泵是瞬時工作制( t≤25s) , 同時為了減小泵的體積, 降低泵的重量, 我們應(yīng)選擇較高的泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)日本樣機真空泵性能試驗結(jié)果, 我們選定n=4000r/min( 通過皮帶輪變速來實現(xiàn)泵的增速) 。由于滑片緊貼于泵體內(nèi)腔壁上進行高速滑動, 平均線速度達11.8m/s, 工作情況比較惡劣, 其材料的選擇對保證性能和可靠性尤為重要。本次設(shè)計真空泵泵體及轉(zhuǎn)子采用耐磨、耐蝕、散熱快的錫青銅; 而葉片選用高溫樹脂石墨, 該材料具有較好的自潤性, 能在400℃以下溫度中長期使用, 并有較好的抗黏著磨損能力。通過試驗可發(fā)現(xiàn)平均最大抽吸真空度為- 0.087MPa,吸程為7m時吸水時間為14.74s, 均達到了設(shè)計要求。說明本設(shè)計方法對實際的設(shè)計有指導作用, 但實際引水時間和計算時間相比誤差較大, 達20%。誤差產(chǎn)生的主要原因是在計算時葉片的厚度δ所占的抽氣容積被忽略, 因而真空泵實際的容積效率#V值比原先估計的0.8 還要低, 說明該類型真空泵的容積效率在不考慮葉片的厚度時要比一般真空泵的容積效率低得多, 僅為0.6～0.7, 故推薦選取$V=0.6~0.7, 對此在今后設(shè)計時要加以注意。