无油涡旋真空泵主轴冷却装置数值模拟研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230226

摘要/Abstract

摘要：

针对某企业现有的无油涡旋真空泵主轴冷却结构开展研究，基于该真空泵主轴冷却装置实际结构和工作原理，分析了影响主轴冷却效率的主要技术参数.进一步构建了其内部的几何模型，并利用ANSYS Fluent软件对其流场特性和温度场特性进行了数值模拟仿真.此外，还研究了变截面冷却管道在不同管径和不同出口数量等条件下对装置温降效率的影响.结果表明：当入口段直径从3.0　mm增大至5.0　mm，轴表面温度下降了12.74%；当出口段直径从2.5　mm增大至3.5　mm，轴表面温度下降了19.68%；当管道出口数量从1个增加至4个，轴表面温度下降了23.61%.轴表面温度对中间段直径和末尾段直径的改变响应不明显.故冷却管道入口段直径、出口段直径以及管道出口的数量是影响真空泵偏心主轴温降的主要因素.

关键词: 无油涡旋真空泵, 冷却装置, 流场特性, 温度场特性, 数值模拟

Abstract:

A study is carried out on the spindle cooling structure for the existing oil‑free scroll vacuum pump in an enterprise. Based on the actual structure and working principle of the spindle cooling device for this vacuum pump， the main technical parameters affecting the cooling efficiency of the spindle are analyzed. Its internal geometric model is further constructed， and the numerical simulations of its flow field characteristics and temperature field characteristics are performed using the ANSYS Fluent software. In addition， the effect of variable cross‑section cooling pipes on the temperature drop efficiency of the device is investigated under conditions such as different pipe diameters and different numbers of outlets. The results show that when the diameter of the inlet section increases from 3.0　mm to 5.0　mm， the shaft surface temperature decreases by 12.74%； when the diameter of the outlet section increases from 2.5　mm to 3.5　mm， the shaft surface temperature decreases by 19.68%； and when the number of pipe outlets increases from 1 to 4， the shaft surface temperature decreases by 23.61%. The response of the shaft surface temperature to the change of the diameter of the middle section and the end section is not obvious. Hence， the diameter of the inlet section， the diameter of the outlet section and the number of pipe outlets are the main factors affecting the temperature drop of the eccentric spindle for the vacuum pump.

Key words: oil?free scroll vacuum pump, cooling device, flow field characteristics, temperature field characteristics, numerical simulation

中图分类号:

TB 752

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图/表 19

图1 偏心主轴冷却装置结构剖面

Fig.1 Structural profile of the eccentric spindle cooling device

图2 流场分析模型

Fig.2 Fluid field analysis model

图3 温度场分析模型

Fig.3 Temperature field analysis model

表1 流场分析模型网格无关性验证结果 (the flow field analysis model)

Table 1 Grid independence verification results for

参数	网格1		网格2	网格3
旋转区域单元尺寸/mm	3		2	2
管道区域单元尺寸/mm	2		2	1
节点数	289 040		650 376	655 513
单元数	1 226 643		3 278 208	3 295 124
冷空气平均流量×10⁵/（kg·s^-1）		6.776	6.552	6.545
与网格1流量对比/%	—		3.30	3.41

表2 温度场分析模型网格无关性验证结果 (temperature field analysis model)

Table 2 Grid independence verification results for

参数	网格1	网格2	网格3
偏心主轴单元尺寸/mm	4	3	2
管道区域单元尺寸/mm	2	2	2
节点数	79 271	79 596	82 903
单元数	283 889	285 296	302 413
主轴表面平均温度/℃	58.164	58.141	57.527
与网格1温度对比/%	—	0.007	0.192

图4 流场分析CFD模型

Fig.4 CFD model for flow field analysis

图5 温度场分析CFD模型

Fig.5 CFD model for temperature field analysis

表3 模型设计基本参数

Table 3 Basic parameters of the model design

参数	符号	单位	数值
主轴表面温度	—	℃	69.85
冷空气温度	—	℃	20
风扇外径	D_fan	mm	180
叶片数量	—	—	18
风扇转速	n	r/min	1 500
管道入口段长度	l_in	mm	25.5
管道入口段直径	ϕ_in	mm	4.2
管道中间段长度	l_mid	mm	118
管道中间段直径	ϕ_mid	mm	7
管道末尾段长度	l_end	mm	34.2
管道末尾段直径	ϕ_end	mm	5.0
管道出口段直径	ϕ_out	mm	3.0
管道出口数量	—	—	1.0

图6 主要截面压力场云图

Fig.6 Pressure field contour of the main section

图7 主要截面速度场云图

Fig.7 Velocity field contour of the main section

图8 主要截面速度场流线图

Fig.8 Velocity field streamline of the main section

图9 主要截面温度场云图

Fig.9 Temperature field contour of the main section

表4 模型仿真主要结果

Table 4 Main results of the model simulation

参数	符号	单位	数值
管道气体流量	q	kg·s^-1	6.78×10^-5
管道入口平均压力	p_in	Pa	-18.39
管道中部平均压力	p_mid	Pa	-30.29
管道出口平均压力	p_out	Pa	-128.18
主轴发热表面温度	t_sur	℃	57.68

图10 不同入口段直径对压力和温度的影响

Fig.10 Effects of different inlet section diameters on pressure and temperature

图11 不同中间段直径对压力和温度的影响

Fig.11 Effects of different medium section diameters on pressure and temperature

图12 不同末尾段直径对压力和温度的影响

Fig.12 Effects of different end section diameters on pressure and temperature

图13 不同出口段直径对压力和温度的影响

Fig.13 Effects of different outlet section diameters on pressure and temperature

图14 管道出口分布（a）—1个出口；（b）—2个出口；（c）—3个出口；（d）—4个出口.

Fig.14 Distribution of pipe outlets

图15 不同出口数量对压力和温度的影响

Fig.15 Effects of different numbers of outlets on pressure and temperature

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