第 47 卷第 1 期

2010 年 1 月真 空 VACUUM Vol. 47, No. 1

Jan. 2010

收稿日期：2009-05-12作者简介：王宏君（1983-）男，广东省梅州市人，硕士。 联系人：黄思，副教授。

* 基金项目：佛山产学研基金项目。

液环真空泵转子力学性能的数值分析 *

王宏君 1 ，黄 思 1，管 俊 1，吴泰忠 2，谭紫华 2

（1. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2. 广东省佛山水泵厂有限公司，广东 佛山 528000）

摘 要：液环真空泵是广泛应用于石油、化工、冶金、矿山、电力、轻工等行业的基础设备。其转子（叶轮和

泵轴）是泵传递扭矩的关键零件之一，它的失效将直接导致整个机组停止工作。因此，对转子强度的计算

和校核是进行液环泵设计的重要一环。传统的计算和校核方法计算繁琐，可靠性差；本文采用 ANSYS 软

件给出一种新的计算转子强度的方法，它可以准确地获得应力和变形的大小及位置，从而进行精确的力

学性能校核。计算结果表明：本文所采用的分析方法可以较好的计算和分析液环泵转子的力学性能，为实

现产品的优化设计提供了可靠的理论依据。关键词：液环真空泵；转子；力学性能；数值分析

中图分类号：TQ 051.7;TB751 文献标识码：B 文章编号：1002-0322（2010）01-0015-04

Numerical analysis of mechanical properties of rotor in liquid-ring vacuum pump

WANG Hong-jun1, HUANG Si1, GUAN Jun1, WU Tai-zhong 2, TAN Zi-hua2

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510640, China; 2. Kenflo Pumps Co. Ltd., Foshan 528000, China)

Abstract: Liquid-ring vacuum pumps are indispensable to many industries, eg., petroleum, chemical, metallurgy, mining andpower supply. The rotor including its disc and shaft is a key part for torque transmission in liquid -ring pump, and itsmalfunction will result in a shutdown to the entire working unit . So, the strength calculation check of the rotor become animportant step in the design of a liquid -ring pump. However, the conventional calculation/check is so tedious with poorreliability. ANSYS software is therefore applied to the strength calculation check of the rotor, which can exactly provide thevalues and positions for the stress and deformation of the rotor. The results showed that in this way the mechanical propertiesof the rotor can be calculated and checked better, thus benefiting theoretically and reliably the optimal design of products.

Key words: liquid-ring pump; rotor; mechanical property; numerical analysis

液环真空泵是一种以旋转液体作为活塞，抽

吸及压缩气体的回转容积泵，具有转子与泵体无

接触、等温压缩等特点，特别适用抽吸和压缩易燃

易爆、含粉尘、水蒸汽的气体，在石化、冶金、电力、轻工、食品等行业有着广泛且不可代替的应用。

液环真空泵的转子 （由叶轮和泵轴热入组

成）是泵传递扭矩的关键零件之一，其性能直接

关系到泵是否能正常工作。传统的设计和分析方

法一般都是首先通过转子传递的最大扭矩，计算

出转子的最小直径；然后计算作用在转子上的载

荷，转子不同断面上的扭矩、轴向力和弯矩，利用

解 析 法 或 图 解 法 确 定 转 子 不 同 位 置 的 支 反 力 ，

最后利用传统的计算公式进行强度校核，确定安

全系数。如果安全系数小于许用安全系数，还要进

行疲劳强度计算。此过程计算繁杂，计算量大，反

复性强，而且可靠性差，很可能因为计算误差，造

成转子强度不够而引发轴裂、轴断事故。因此，研

究一种新的准确、快捷的强度分析方法迫在眉睫。本文采用 ANSYS 软件计算出转子的位移、应力和

应变，从而分析和校核液环泵转子的力学性能。

1 液环真空泵转子的结构尺寸和有限元模型

本文研究的是佛山水泵厂生产的一种常规

单级、单作用，径向吸、排气类液环泵。转子的结

真 空 VACUUM 第 47 卷

构尺寸如表 1。表 1 液环泵转子结构尺寸

Table 1 Construction and dimensions of rotor in liquid-ring pump

考虑到静力结构分析的目的和现有计算机

硬件条件的限制，我们对转子模型进行合理的简

化后，先对某一个叶片进行建模和分析，然后扩

展到整个转子。如图 1。

图 1 液环泵转子模型

Fig.1 Models of vane and whole rotor

2 网格划分和边界条件设置

正确地选择单元体和划分网格是力学性能

模拟分析的一个重要环节。根据大量的尝试和比

较，本文采用 20 节点的三维单元体进行网格划

分。叶片的网格尺寸为 20，轴的网格尺寸为 30；

单个叶片划分完成后总节点数为 13031 个，单元

数为 6884 个。如图 2。

图 2 液环泵转子网格划分

Fig.2 Gridding for rotor models

在整机中，液环泵转子的长轴一端接电机，

短轴一端接机械密封；长轴由一个圆柱滚子轴承

承担径向载荷，短轴由两个圆锥滚子轴承组合承

担径向和轴向载荷。该泵的使用手册规定：在实

际使用中，转速应在之间为宜，因此，本文分别选

择和进行分析和校核。参考文献 [1] 可知：液环泵内的流动过程复

杂，因此液环泵转子的受力情况也复杂。液环泵叶

轮在旋转一周中，各处受力情况完全不同，是一个

呈周期变化的有规律的变力作用在每一个叶片

上；并且由于液体对叶片的阻力，同一叶片的不同

位置受力情况也不相同。但国内外资料均未对此

进行严密的分析，只是定性的说明这部分阻力小

忽略不计，从未定量分析，本文在此亦忽略 [2~5]。由

参考文献[1]可知：叶片所受的最大压差在吸气区

进入压缩区，或压缩区进入排气区时的两个过渡

区域，当转速为时，最大压差为；转速为时，最大压

差为，见表 2。转子边界条件设置见图 3。

图 3 转子边界条件设置

Fig.3 Boundary conditions set for rotor

转子材料为 QT450- 10，为铁素体型球墨铸铁，

它的特点是韧性和塑性较高且有一定的抗温度急

变性和耐蚀性[6~7]。其材料属性和压力加载见表 2。表 2 转子材料属性和压力加载

Table 2 Material properties of rotor and pressure setting values

3 计算结果及其分析

条件屈服强度 σ、抗拉强度 σb 和变形 δ 率

是测定材料强度的三个常用性能指标。QT450- 10没有明显的屈服点，通常把其残余塑性变形为

0.2％时 的 应 力 值 称 为 条 件 屈 服 强 度 ， 用 表 示

σ0.2；其断裂前所达到的最大应力值，称强度极

限，用表示 σb；本文的变形率是最大变形量与叶

轮半径的百分比 [8~11]。由图 4 液环泵转子的位移变形图可知：转子

的变形不均匀分布，两根轴变形较小，叶片变形

较大，且越接近叶片末端变形越大；这是因为两

根轴都有轴承的约束作用，而悬臂的叶片受到流

体压力的作用。叶片中间由于有隔板的保护，相

对变形量比叶片左右两边要小。叶片变形方向和

叶片转动方向相反。另外，随着液环泵转速的提

零件 几何参数 单位 数值

泵轴

长轴长度 m 0.415

短轴长度 m 0.6

最小直径 m 0.12

叶片角 β deg 45

宽度 B m 0.708

叶轮半径 r2 m 0.355

轮毂半径 r1 m 0.175

叶片厚度 δ m 0.012

叶片数 Z - 18

参数 单位 数值

转子材料属性

弹性模量 Pa 2.06E+11

泊松比 无量纲 0.3

密度 Kg/m3 7.8E+3

加载的压力n=372 r/min Pa 1.0 E+4

n=630 r/min Pa 2.9 E+4

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第 1 期 王宏君，等：液环真空泵转子力学性能的数值分析

高，叶轮的位移变形值越大。转速为 n=372 r/min时，最大变形量为 0.348 mm，变形率为 δ=9.8×10-4；

转速为 n=630 r/min 时，最 大 变 形 量 为 1.01 mm，

变形率为 δ=2.8×10-3，见表 3。

图 4 液环泵转子位移图

Fig.4 Displacement of rotor

分析和校核液环泵转子强度的关键是要校

核它的最大应力、应变值是否在允许范围之内。由图 5、图 6 可知，转子最大的应力和应变量发

生在整根轴的中间部位和叶片根部，这是因为该

处的形状发生了突变，叶片的变形受到了轮毂的

约束，轮毂的变形又受到了轴的约束。而且随着转

速的增加，转子的应力和应变值也会相应增加。转

速为 n=372 r/min 时，最大应力值为 43 MPa,应变为

2.08×10-3；转速为 n=630 r/min 时，最大应力值为

124 MPa,应变为 6.02×10-4，见表 3。

图 5 液环泵转子应力图

Fig.5 The von Mises stress of rotor

图 6 液环泵转子应变图

Fig.6 The von Mises strain of the rotor in a liquid- ring pump

本文选取转速 n=630 r/min(n=372 r/min 时的

情况类似）时转子的两处进行切片来分析其位移

和应力分布情况：一处靠近叶片的端面；另一处

靠近叶片中间隔板的位置，如图 7。可见：位移值

由轴中心到叶片末端呈现层次分明的变化，这是

因为随着半径的增加，叶轮旋转的绝对速度增

大。叶片中间的变形比左右两边明显减小，可见

中间的隔板不仅起到了分割叶轮的作用，而且有

效地减小了叶片末端的变形，较好地保护了叶

轮；为了减小叶片两边的变形量，也可分别在叶片

两端设置加强筋。但中间隔板和加强筋也会在一

定程度上造成应力的集中，在同一转速下，两端无

加强筋的转子中间的应力值比两边明显增大。

图 7 位移应力切片图（n=630 r/min）Fig.7 Segmented displacement and stress（n=630 r/min）

查 转 子 QT450- 10 的 材 料 力 学 性 能 有 关 资

料，进行力学性能校核，如表 3：表 3 转子力学性能校核

Table 3 Checking of mechanical properties of rotor

由表 3 可见，该液环泵的转子完全符合力学

性能要求。但留意到：旋转速度对转子的力学性

能有重要的影响，因此转速不宜过大；而且叶片

随着叶轮的转动始终处于交变状态，当叶轮转速

增加时，液环对叶片的反作用会越来越大以致不

能忽略，故还应考虑疲劳破坏影响。

4 结论

转子是液环真空泵最主要的部件，它的设计

是一个重要的问题，它的发展是工业技术的进步

和人类认识世界和自然发展规律的一个缩影。本

QT450- 10性能指标

条件屈服强

度σ屈服极限

σb变形率 δ

σ0.2≥205(MPa)

σb≥450(MPa)

δ≥10%

校

核

转 速

(r/min)最大应力

(MPa)最大应变

变形量

(mm)变形率

(%)

372 43＜σ0.2=2.5 2.08×10-4 0.348 0.1%＜10%

630 124＜σ0.2=2.5 6.02×10-4 1.01 0.28%＜10%

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真 空 VACUUM 第 47 卷

文基于 Ansys 有限元软件给出了一种新的液环泵

转子的强度计算方法。与传统算法相比 , 此法可

以准确地了解应力和变形的大小和位置，进行精

确的力学性能的计算和校核。通过有限元分析，

我们认识到转子受力的复杂性和转速对力学性

能的影响，对解决转子设计、加工和制造中的问

题提供了较好的理论依据。

参考文献

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度的有限元分析[J].机械工程师，2008(11):65- 66.

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北京真维嘉真空技术发展有限公司简介

北京真维嘉真空技术发展有限公司(原北京真维嘉真空设备有限公司)是设计、生产制造真空设备

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