目前国内外消防泵型号、品种繁多, 其自吸形式也多种多样, 有内混式、外混式自吸泵, 有旋涡泵, 还有液环式真空泵、旋片式真空泵, 以及喷射式真空泵等。其中旋片真空泵真空度大、吸气速率高、自吸时间短, 尤其适用于需要快速吸水的场合。本文对消防泵自吸引水用的旋片真空泵的设计加以探讨。

1 旋片真空泵的工作原理

旋片真空泵由泵体、转子、叶片、推环以及端盖等组成, 见图1。转子偏心地安装在泵体内, 其径向方向有叶片槽, 叶片装于槽内。当转子旋转时, 由于推环和滑片自身离心力的作用, 滑片紧贴于泵体内腔壁上, 并将进气口和排气口隔开, 同时和泵腔、转子以及端盖组成一定的工作容积, 该容积周期性地在进气口方向逐渐扩大而吸进气体, 在排气口方向逐渐缩小而排出气体,从而达到抽气制真空的目的。

为了保证泵的实际自吸时间在设计要求所规定的范围内, 在设计时可取实际时间为规定时间的0.5 倍,经计算S=1.9904 L/s。需要指出的是, 公式 计算的是真空泵工作时的平均抽气速率。而真实的抽气速率Sp 随着真空进气泵进气口( 即消防泵吸气管内) 的真空度P 逐渐增大而缓慢下降, 当进气口压力接近泵的极限真空时, 抽气速率开始急剧下降, 在达到泵的极限真空时抽气为零。资料表明, 在未达到泵的极限真空前, 抽气速率变化率dSp/dp 趋于零, 因而在设计时,必须使所设计的真空泵的极限真空度大于消防泵在规定的最大自吸高度下所需要的真空度。这样真空泵在整个引水工作过程中, 其抽气速率就可以近似地看作常量, 用式( 1) 计算出的抽气速率可作为真空泵结构设计的依据。

2 理论抽气速率的计算

已知真空泵的实际抽气速率S, 其理论抽气速率用下式计算:Sj=S/!V"V 为真空泵的抽气效率( 容积效率) , 该值与真空泵的结构形式、各零件的配合间隙、润滑和润滑冷却方式、零件的加工与装配精度以及泵的转速等因素有关。此外, 在不同的进气口压力下, "V 的值也有很大的差别, 通常要求在0～0.099 真空度范围内应不低于85%,但由于消防泵引水用真空泵的几何结构尺寸较小, 使用的润滑油不是特殊的真空油, 而是普通的发动机润滑油, 其冷却也仅靠润滑油在泵内形成的润滑油封油膜的流动以及泵体与空气的接触进行散热, 故"V 的值不会高于85%, 在本次设计中我们选取"V=0.8。故由式 得Sj=2.4881L/s。

3 泵转速n 的确定

根据真空泵的工作原理, 其理论抽气速率Sj 和泵的工作容积Vi 、转速n 及叶片数z 成正比。Sj∝Vi·n·z 由式可知, 提高泵的转速可提高其抽气速率而缩短引水时间, 故可相对减小泵的外形尺寸从而降低真空泵的重量。因此在设计时应尽量选取较高的转速, 但转速的提高又受到结构、材料、润滑、密封和冷却等因素的限制。随着转速的提高, 叶片顶端与泵腔内壁的摩擦加剧, 从而产生较大热量,并导致泵腔内壁上的油膜破坏, 降低了泵的密封性能和润滑性能, 且增加了磨损。当超过其临界转速时, 泵的极限真空度反而下降, 其振动、噪音、磨损也会加剧, 缩短了泵的使用寿命。我们对日本V15A消防泵中的旋片真空泵进行真空性能的试验也证明了这一点, 当泵转速达到4500r/min 时, 其极限真空度为最大, 达- 0.097MPa , 其后随着转速的增高其极限真空度反而逐渐下降。

由于所设计的真空泵是瞬时工作制( t≤25s) , 同时为了减小泵的体积, 降低泵的重量, 我们应选择较高的泵转速。根据日本样机真空泵性能试验结果, 我们选定n=4000r/min( 通过皮带轮变速来实现泵的增速) 。由于滑片紧贴于泵体内腔壁上进行高速滑动, 平均线速度达11.8m/s, 工作情况比较恶劣, 其材料的选择对保证性能和可靠性尤为重要。本次设计真空泵泵体及转子采用耐磨、耐蚀、散热快的锡青铜; 而叶片选用高温树脂石墨, 该材料具有较好的自润性, 能在400℃以下温度中长期使用, 并有较好的抗黏着磨损能力。通过试验可发现平均最大抽吸真空度为- 0.087MPa,吸程为7m时吸水时间为14.74s, 均达到了设计要求。说明本设计方法对实际的设计有指导作用, 但实际引水时间和计算时间相比误差较大, 达20%。误差产生的主要原因是在计算时叶片的厚度δ所占的抽气容积被忽略, 因而真空泵实际的容积效率#V值比原先估计的0.8 还要低, 说明该类型真空泵的容积效率在不考虑叶片的厚度时要比一般真空泵的容积效率低得多, 仅为0.6～0.7, 故推荐选取$V=0.6~0.7, 对此在今后设计时要加以注意。