羅茨真空泵概述和設備要求

1、羅茨真空泵概述和設備要求真空技術(shù)一. 真空技術(shù)發(fā)展概況 （楊乃恒）二. 真空工程理論基礎 （孫麗娜）三. 真空系統(tǒng)設計 （劉坤）四. 低真空獲得設備 （張以忱）五. 清潔真空獲得技術(shù) （巴德純）六. 中真空獲得設備 （張以忱）七. 高真空與超高真空獲得設備 （楊乃恒）八. 真空測量 （劉玉岱）九. 真空檢漏 （劉玉岱）十. 真空鍍膜（一）：PVD物理氣相沉積 （張以忱）十一. 真空鍍膜（二）：CVD化學氣相沉積 張世偉）十二. 真空冷凍干燥技術(shù) （徐成海）十三. 真空設備的自動化控制 （王慶）十四. 真空材料與真空衛(wèi)生 （張以忱）培訓系列之概述 羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菔秸婵毡昧_茨泵的種

2、類低真空羅茨泵： 直排大氣的干式單級羅茨泵（10000Pa）和濕式羅茨泵(2000Pa)；中真空羅茨泵： 機械增壓泵（110-1 Pa）；高真空羅茨泵： 多級干式羅茨泵（高真空多級羅茨泵）羅茨泵在真空工程領域中應用：在中真空范圍作為機械增壓泵應用，一般與前級泵（旋片泵，滑閥泵和水環(huán)泵等）串聯(lián)構(gòu)成真空機組； 雙級或多級羅茨泵機組可獲得高真空； 對于干式清潔無油的抽氣系統(tǒng)多用氣冷式羅茨泵機組； 對于含水蒸氣的被抽系統(tǒng)，多用濕式羅茨泵。旋片羅茨泵機組滑閥羅茨泵機組2羅茨泵的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點羅茨泵的工作原理 羅茨泵抽氣時兩個轉(zhuǎn)子由傳動比為1的一對齒輪帶動，作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動 。轉(zhuǎn)子彼此無接觸

3、，其間存在間隙。羅茨泵具有以下特點： 在較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速 ； 轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵腔壁之間有間隙，泵腔內(nèi)運動件無摩擦，不必潤滑，泵腔內(nèi)無油； 轉(zhuǎn)子形狀對稱，動平衡性能良好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，選擇高精度的齒輪傳動，運轉(zhuǎn)時噪音低；可獲得較高轉(zhuǎn)速（抽速）； 對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；抽氣特點： 羅茨泵在抽氣過程中其工作空間容積是不變的，即“無內(nèi)壓縮”，這與大多數(shù)的變?nèi)菔秸婵毡貌煌?氣體的排出：當轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過排氣口邊緣，封閉空間與排氣側(cè)相通時，由于排氣側(cè)氣體壓力較高，則有一部分高壓氣體返沖到封閉空間中，使空間內(nèi)氣體壓強突然升高到排氣壓力，即所謂的“外壓縮過程”。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，氣體排

4、出泵外。 羅茨泵的結(jié)構(gòu)1前端端蓋；2油標；3壓力傳感器；4注油塞；5放油塞；6齒輪側(cè)軸承端蓋；7泵體；8入口法蘭9出口法蘭；10轉(zhuǎn)子；11馬達側(cè)軸承蓋；12中間法蘭；13油封處注油塞；14油封處放油塞；15籠形支架；16電動機；17泵底座 羅茨泵是雙轉(zhuǎn)子容積式真空泵。其在泵腔內(nèi)有兩個形狀對稱的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子形狀有兩葉、三葉和四葉。 兩個轉(zhuǎn)子按一定相位安裝在一對平行軸上，由軸端齒輪（i =1）驅(qū)動做同步反向旋轉(zhuǎn)運動。轉(zhuǎn)子彼此無接觸，轉(zhuǎn)子與泵腔壁也無接觸，其間通常有的間隙。泵腔靠間隙及高轉(zhuǎn)速來密封（相對密封）。 由于泵腔內(nèi)無摩擦，轉(zhuǎn)子可高速運轉(zhuǎn)，一般：5003000rmin。泵的潤滑部位僅限于軸承、齒

5、輪及動密封處（齒輪箱有油，且與泵腔之間有壓差，預抽管通前級側(cè)）。泵的結(jié)構(gòu)特點 轉(zhuǎn)子在泵體中如何安裝決定了泵的總體結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外的羅茨泵大致有兩種型式：1）立式：這種結(jié)構(gòu)的進、排氣口成水平位置，裝配和連接都比較方便。但泵的重心較高，在高速運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定性差，故多用于小泵。 2）臥式：泵的進氣口在上，排氣口在下。有時排氣口水平方向接出，因而，進、排氣方向是相互垂直的。排氣口可以從兩個方向接出，一端接排氣管道，另一端堵死或接旁通閥。這種結(jié)構(gòu)重心低，高速運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定性好，一般用于大、中型泵。 結(jié)構(gòu)型式示意圖1立式結(jié)構(gòu)臥式結(jié)構(gòu)泵的傳動方式傳動方式有如下兩種： 1）電動機與齒輪放在轉(zhuǎn)子的同一側(cè)，從動轉(zhuǎn)子的扭矩

6、由電動機端齒輪直接傳過去，所以主動轉(zhuǎn)子軸的扭轉(zhuǎn)變形小，因而轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的間隙就不會因主動軸的扭轉(zhuǎn)變形較大而改變，故使間隙在運轉(zhuǎn)過程中均勻。 缺點：主動軸上有三個軸承，給加工和裝配帶來一定困難，對齒輪的拆裝和檢查都不方便，整個結(jié)構(gòu)也顯得不勻稱，使泵的重心移向電動機和齒輪箱一端。所以，采用這種結(jié)構(gòu)的較少。傳動方式示意圖2） 電動機與齒輪傳動設在轉(zhuǎn)子的兩側(cè) 這種結(jié)構(gòu)克服了上述的缺點，但主動軸扭轉(zhuǎn)變形較大。為了保證轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中的間隙，要求軸應有足夠的剛度。 軸與轉(zhuǎn)子要 固結(jié)（鑄造的轉(zhuǎn)子采用軸轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)或熱壓過盈配合，焊接的轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)子和軸直接焊在一起的整體結(jié)構(gòu)）。 這種結(jié)構(gòu)拆卸和裝配都很方便。

7、結(jié)構(gòu)圖泵的密封結(jié)構(gòu)主要有3個部位：主動軸外伸部分的動密封（密封外部大氣與齒輪箱之間）；端蓋或齒輪箱與泵體間的靜密封；齒輪箱和泵體間的轉(zhuǎn)子軸的動密封（避免油進入泵腔，同時預真空與高真空之間得到密封）。1、主動軸外伸部分的動密封目前采用較多的是： 雙端面摩擦環(huán)式機械密封； 帶加強環(huán)的JO圈密封。 機械密封運轉(zhuǎn)可靠，耗功率小允許線速度大；但結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高。 JO圈密封結(jié)構(gòu)簡單，耗功率大，膠圈容易磨損，但更換方便，成本低。磁流體密封是一種密封效果及使用壽命長的動密封型式，功耗小，但成本高。 2、齒輪箱與泵體之間的軸封由于齒輪箱或端蓋殼體內(nèi)均有預抽管道與泵的出口相通，即這兩部分的真空度與前級泵入口

8、基本相同。所以齒輪箱與泵腔之間的壓差較小，通常采用迷宮式密封、反螺旋式密封或活塞脹圈密封。3、泵體端面的靜密封真空耐油橡膠圈密封，不僅可靠而且拆卸方便。采用聚氨酯膠墊進行平面密封，不用加工密封槽，拆卸方便。有機硅室溫硫化橡膠膜密封，密封可靠并且不用加工密封槽。但用戶須備有這種材料，否則不能自行拆裝修理。羅茨泵的潤滑部位主要有三處 ：軸封齒輪軸承。羅茨泵達到的極限壓力與前級泵的極限壓力有關：用油封機械泵作前級泵時：單級羅茨泵極限全壓力：510-1110-2 Pa極限分壓力 ：510-2510-3 Pa雙級羅茨泵極限全壓力：110-2510-3 Pa極限分壓力 ：110-3510-4 Pa用水環(huán)泵

9、作前級泵時：單級羅茨泵極限分壓力： 200 Pa ，雙級羅茨泵極限分壓力 ： 4 Pa 。羅茨泵的轉(zhuǎn)子型線概述轉(zhuǎn)子型線要求和條件：轉(zhuǎn)子橫斷面的外廓線稱為轉(zhuǎn)子的型線。理論型線：保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，兩個轉(zhuǎn)子始終相互嚙合。實際型線：由理論型線去掉間隙的部分得來的。它要保證兩個轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中間隙永遠保持定值。轉(zhuǎn)子的型線必須做成共軛曲線。 共軛轉(zhuǎn)子型線可做成各種各樣的曲線（只要給出一條曲線，就可以做出一條與之相應的共軛曲線）。型線的選擇要考慮以下幾個條件：1） 泵有最好的工作性能（增加抽速和提高壓縮比） a） 容積利用系數(shù)要盡可能大，即轉(zhuǎn)子在泵腔內(nèi)占的體積要??； b）為減少返流，轉(zhuǎn)子之間及轉(zhuǎn)子與泵體間的

10、密封面積應大2）要有良好的幾何對稱性，保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，互換性好；3）保證轉(zhuǎn)子齒形有足夠的強度，加工工藝性要好，容易獲得較高的表面精度。常用的型線線形有： 圓弧線、漸開線和擺線。 實用上，整個轉(zhuǎn)子的外輪廓型線由：圓弧線、漸開線和擺線組合而成。 “圓弧漸開線擺線”型轉(zhuǎn)子型線氣阻大，改善了泵在低壓下的性能，提高了泵的抽氣效率，得到較廣泛的應用。幾種型線的比較容積利用系數(shù)：是表征泵腔面積或是體積有效利用程度的系數(shù)。對于羅茨泵來說，大的容積利用系數(shù)對于提高泵的性能，減小泵的體積是比較有利的。 在以上幾種型線中，圓弧型轉(zhuǎn)子型線和漸開線轉(zhuǎn)子型線的容積利用系數(shù)比較好；而氣冷式羅茨泵漸開線轉(zhuǎn)子型線的容積利

11、用系數(shù)則比較小。 而在強度方面，氣冷式羅茨泵漸開線轉(zhuǎn)子比較好，而圓弧型轉(zhuǎn)子則是比較差的，因此在使用此型線時應該校核一下其薄弱腰部的強度。6.1.4.4 實際型線6.1.4.4.1 工作間隙與裝配間隙為了減少氣體的返流，要求轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼間的工作間隙要盡量小。 考慮轉(zhuǎn)子工作時產(chǎn)生熱膨脹和受力變形等影響，要求各處的裝配間隙不等而且要比工作間隙大。 泵在實際運轉(zhuǎn)中，下列因素會使間隙減?。篿）轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中因升溫而產(chǎn)生熱膨脹；ii）轉(zhuǎn)子在離心力和排氣壓力作用下產(chǎn)生變形；iii）隨著齒輪傳動磨損程度的增加，齒側(cè)間隙增大，由于磨損是不均勻的，所以必然引起轉(zhuǎn)子相對位置發(fā)生變化，造成間隙減?。籭v）泵軸的彎

12、曲變形或扭轉(zhuǎn)變形；v）軸與轉(zhuǎn)子因制造和裝配誤差而產(chǎn)生不同軸等。裝配間隙是確定轉(zhuǎn)子實際型線的根據(jù)：1 轉(zhuǎn)子與泵殼的徑向間隙； 2 轉(zhuǎn)子相互之間的間隙； 3 軸活端（如齒輪端）的轉(zhuǎn)子側(cè)面與側(cè)蓋間的軸向間隙；4 軸死端的轉(zhuǎn)子側(cè)面與端蓋之間的軸向間隙。6.1.4.4.2 裝配間隙的選取 裝配間隙的選取很重要，它將直接影響到泵腔的泄漏量，進而影響泵的極限真空、實際抽速等指標。 裝配間隙的大小與泵的工作壓力和泵的冷卻方式有關，轉(zhuǎn)子的材料性質(zhì)（如線性膨脹率、彈性模量、密度）、泵工作時的轉(zhuǎn)子的工作溫度都是影響轉(zhuǎn)子表面發(fā)生位移的因素，因此在確定轉(zhuǎn)子的裝配溫度時應該把它們考慮進去。裝配間隙在一定程度上衡量了泵的設

13、計和制造水平。6.1.5 羅茨泵設計中的關鍵問題1羅茨泵的關鍵零件是轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的關鍵是型線。泵工作時，轉(zhuǎn)子之間的間隙要保持一定，這樣轉(zhuǎn)子的型線必須做成共軛曲線。理論型線的選擇 和 實際型線的計算和加工工藝是關鍵。 2為了控制泵轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼間的間隙，要求軸承的軸向、徑向位移量控制在一定范圍內(nèi)。在設計時，應正確選擇軸承精度，并選擇適合泵工作條件的軸承型號。考慮轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹影響，轉(zhuǎn)子軸應留有活端，以允許軸因熱膨脹等因素而產(chǎn)生軸向移動。軸活端的轉(zhuǎn)子與側(cè)端面的軸向間隙可以選大一些；而軸固定端的轉(zhuǎn)子與端蓋之間的軸向間隙則應選得小一些。 3要求齒輪耐磨性強，傳動平穩(wěn)，齒間的間隙不得過大。齒輪的精度

14、常選用56級。為使傳動平穩(wěn)，噪音小，常用斜齒輪。為使齒輪裝配和調(diào)整轉(zhuǎn)子間的間隙方便，可選用調(diào)隙結(jié)構(gòu)齒輪并在齒輪與軸之間采用漲套聯(lián)接方式。6.1.6 羅茨泵轉(zhuǎn)子的冷卻 羅茨泵在運轉(zhuǎn)過程中，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，與氣體產(chǎn)生摩擦攪拌作用及在排氣口處對氣體的外壓縮，使氣體及轉(zhuǎn)子的溫度升高。而轉(zhuǎn)子的熱量較難散發(fā)出去。當泵的抽氣量較大時（大泵），或入口氣體溫度較高時，需要對轉(zhuǎn)子進行冷卻，以免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過大的熱變形現(xiàn)象，使裝配間隙過小或消失，致使轉(zhuǎn)子卡死。6.1.6.1 轉(zhuǎn)子的空氣冷卻在泵的排氣口處安裝冷卻器，對出口處的氣體進行冷卻，當被冷卻的氣體反沖到泵腔內(nèi)時，使轉(zhuǎn)子得到冷卻。這種方法一般可散出轉(zhuǎn)子80左右的

15、熱量。當排氣壓力較高時，氣體分子密度大，傳熱效果好，可以保證泵在較高壓差下正常工作。6.1.6.2 氣冷式羅茨泵將冷卻后的出口氣體回流到泵腔內(nèi)去直接冷卻熱態(tài)的轉(zhuǎn)子，提高了泵的抗熱能力，使泵仍可保持較小的轉(zhuǎn)子裝配間隙。氣冷式羅茨泵適用于長期在高壓差下工作或被抽氣體的溫度比較高的情況下工作。6.1.7 羅茨泵的運行過載6.1.7.1 過載分析 由功率計算公式(6-22)可知，泵壓縮氣體所需的功率與壓差成正比：6.1.7.2 防止過載的措施解決泵過載的方法 ：機械式自動調(diào)壓旁通閥采用液力聯(lián)軸器真空電氣元件控制泵入口壓力油擴散噴射真空泵油擴散噴射泵 油擴散噴射泵是油蒸汽流泵的一種，主要油擴散噴嘴、噴射

16、噴嘴等組成，使之在高真空方面有較大的抽速，在低真空方面有足夠的臨界前級壓力。具有結(jié)構(gòu)簡單、無機械傳動部分、運轉(zhuǎn)可靠、維護方便、使用壽命長等特點。主要配置在高真空系統(tǒng)作為主泵與前級泵的中間級，也可單獨作為高真空泵應用于冶金或抽出含有少量水氣的工作場合。 概述 油擴散噴射泵是從油擴散泵發(fā)展而來的，兼有擴散泵和噴射泵的特點，工作壓力范圍在（10-10-2）Pa。在此壓力區(qū)間內(nèi)，油擴散噴射泵有較大的抽速和較高的最大出口壓力，其抽氣量是擴散泵的4-20倍，加熱功率是擴散泵的2-5倍。 由于油擴散噴射泵的工作壓力范圍正處于油擴散泵和油封機械泵抽氣能力下降區(qū)域，因此，該泵除可以做主泵外，還常常用于大型油擴散

17、泵和前級機械泵之間，保證真空系統(tǒng)的有效工作，與羅茨泵的作用相似，所以油擴散噴射泵也被稱為油增壓泵。工作原理和結(jié)構(gòu)特點工作原理油擴散噴射泵工作壓力范圍內(nèi)的被抽氣體流動狀態(tài)處于粘滯流和分子流之間。在壓力較高時，油蒸汽射流對被抽氣體的抽出以粘性攜帶為主。這時要求蒸汽射流具有足夠的密度。在壓力較低時，油蒸汽射流對被抽氣體的抽出以擴散攜帶為主.這時要求蒸汽射流有一定的稀薄程度。多級噴嘴串聯(lián)抽氣原理為了使泵在更寬的壓力范圍內(nèi)具有大的抽速，同時又有高的出口壓力，在實際應用中都是多級噴嘴串聯(lián)起來工作的。在多級噴嘴結(jié)構(gòu)中，下一級噴嘴要保證上一級噴嘴的正常工作，因此，每個單級噴嘴的抽氣特性應滿足：式中：G泵的抽氣

18、量； S1，S2，.Sn各級噴嘴的抽速； P1，P2，Pn各級噴嘴的入口壓力。 結(jié)構(gòu)特點右圖為雙級噴嘴油擴散噴射泵的結(jié)構(gòu)。圖8-451.加熱器因為擴散噴射泵工作壓力較高，所以無需對泵油進行分餾。由于擴散噴射泵的加熱供率較高，因此其鍋爐蒸發(fā)面積和加熱面積比油擴散泵的大。泵的加熱器有裸露式和封閉式兩種。鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力為1-2KPa，個別情況可達4KPa。2.噴嘴在油擴散噴射泵中采用傘形噴嘴，傘形噴嘴由下唇a和上帽b組成。蒸汽由與下唇相連的導流管進入噴嘴，改變方向后經(jīng)噴嘴最小斷面處時，蒸汽流達到音速。在之后逐漸擴大的通道內(nèi)連續(xù)膨脹，達到超音速。噴嘴的張角為40o-60o 擴張度（出口斷面積與最小斷面積之比），入口級為20-50，出口級為2-3。 為了提高泵的最大出口壓力，在大型油擴散噴射泵中，出口級往往采用噴射噴嘴。噴射級噴嘴需要的高壓力蒸汽由鍋爐直接提供。經(jīng)過對高壓力蒸汽進行孔板節(jié)流降壓后的蒸汽供給其余各級噴嘴，使各級噴嘴的工作蒸汽壓力分布更為合理。3.泵體 油擴散噴射泵的泵體用碳鋼制成，有圓筒形，也