罗茨真空泵的结构与工作原理

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　　罗茨真空泵的结构简图如下图所示。在泵腔内，有二个"8"字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。

　　由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。

罗茨泵的工作原理

　　罗茨泵抽气时两个转子由传动比为1的一对齿轮带动，作彼此反向的同步旋转运动。转子彼此无接触，其间存在间隙。

罗茨泵的抽气特点

　　在较宽的压力范围内有较大的抽速；

　　转子之间、转子与泵腔壁之间有间隙，泵腔内运动件无摩擦，不必润滑，泵腔内无油；

　　转子形状对称，动平衡性能良好，运转平稳，选择高精度的齿轮传动，运转时噪音低;可获得较高转速(抽速)；

　　罗茨泵在抽气过程中其工作空间容积是不变的，即“无内压缩”，这与大多数的变容式真空泵不同。

　　气体的排出：当转子顶部转过排气口边缘，封闭空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压力较高，则有一部分高压气体返冲到封闭空间中，使空间内气体压强突然升高到排气压力，即所谓的“外压缩过程”。当转子继续转动时，气体排出泵外。

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　　大多数的罗茨真空泵 ( 除直排大气罗茨泵以外 ) 都需与前级泵组合成罗茨泵真空机组应用于各个领域。根据用途不同，罗茨泵机组常用的前级泵有旋片泵、滑阀泵、水环泵等。

　　罗茨泵与各种前级真空泵组合后的真空机组抽速可以通过计算求出，在以下计算中忽略前级连接管路的流阻影响。

　　罗茨泵工作时的有效气体流量为：

Qe = Qth - Qv ( 5.2 )

　　式中：Qe ──罗茨泵的有效流量，Pa.L/s；Qth──罗茨泵的几何流量， Qth = PA.Sth；Qv 一罗茨泵的泄漏返流流量

Qv =Qv1 + Qv2

　　Qv1 为由于罗茨泵转子之间及转子与泵壳之间的间隙而造成的气体返流量， Qv1 可用下式表达：

Qv1 = U ( Pv - PA ) (5.3)

　　式中：U ──罗茨泵内上述所有间隙的等效通导；Pv ──罗茨泵排气压力 ( 泵前级压力 )；PA ──罗茨泵吸入压力。

　　Qv2 为罗茨泵转子在高压排气侧吸附及携带返回低压吸入侧的气体量，称返扩散气体量，所以有：

Qv2 = Sr.Pv (5.4)

　　式中 Sr ──泵返扩散气体的等量抽速。

　　于是式 (5.2) 可表达成：

Qe = Qth - (Qv1 + Qv2) = PA · Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.5)

　　根据罗茨泵零流量压缩比 K0 定义：关闭泵进气管路，气体流量为零时，前级真空管路中压力与泵入口压力之比为零流量压缩比 K0 =Pv /PA ， 该压缩比的最大值用 K0max 表示，称最大零流量压缩比。令 (5.5) 式中 Qe 等于零 ( 实测中用肓板将泵进气口法兰堵死 ) 则有

PASth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] = 0(5.6)

　　目前利用公式 (5.6) 对 K0max 进行定量计算很困难。首先由于 K0max 与等效通导 U 有关，即与泵内转子间隙有关，而转子间隙与转子加工精度、泵体公差及加工精度、泵的安装精度、轴承间隙等一系列因素有关。另外，影响 K0max 的 Sr 值与转子表面精度有关，每台泵转子的表面在加工中也不能做到完全一致。因此目前都是通过实测求得 K0曲线及 K0max 值。

　　罗茨泵机组在实际抽气过程中存在以下关系:

Qe = PA · Se = Pv Sv = PA Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.7)

　　式中：Se ──罗茨泵机组有效抽速；Sv ──前级泵的实际抽速，它随压力变化而变化。

　　对(5.7)式化简有： (Sth + U) PA = (Sv + U + Sr) Pv (5.8)

　　同时有： Ke = Se / Sv = Pv / PA (5.9)

　　于是有：

　　由于 Sth》U ，令： Kth = Sth / Sv(5.11)

　　则据(5.6)式有： 1 / Ke = 1 / Kth + 1 / K0max

　　即

　　用容积效率η表示罗茨泵机组 ( 即罗茨泵 ) 的有效抽速 Se 与罗茨泵 ( 机组 ) 的理论抽速 Sth 之比，则据公式 (5.9) 、 (5.11) ，可得

　　于是当机组中 K0max 、 Sth 、 Sv 已知时，可通过公式 (5.13) 求出η，进而求出罗茨泵机组此时的最大抽速

Se = ηSth (5.14)

　　罗茨泵机组中罗茨泵的有效抽速实际上就是机组的抽速。由以上分析可知，它除了与罗茨泵本身的理论抽速有关外，还决定于泵的最大零流量压缩比 K0max 及前级泵的实际抽速Sv 。对于某一型号的罗茨泵来说， Sth 值为已定值， K0max 值由实验测试所得。生产厂家应该在产品样本上给出泵的 K0 曲线，且应规定出 K0 值的范围，所生产的泵的 K0max 必须大于或等于规定值。

　　罗茨泵机组中的前级泵与主泵的配比也相当重要。若配用前级泵不当，则机组的有效抽速达不到罗茨直空泵技术条件 (ZBJ78013·2-89) 中规定的要求。一般根据经验，机组中罗茨泵的理论抽速与前级泵理论抽速的配比关系为 5:1 ～ 8:1 。

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罗茨真空泵的最大允许压差和溢流阀压差
分析了影响提高罗茨真空泵最大允许压差因素, 提出了解决方法。介绍了带溢流阀罗茨泵的特点和溢流阀压差的试验方法, 明确提出应对带溢流阀罗茨泵考核溢流阀压差。

　　罗茨真空泵是一种旋转式容积泵。根据工作压力范围的不同, 分为低真空(直排大气) 罗茨泵和中真空罗茨泵。直排大气罗茨泵根据冷却介质的不同,又可分为气冷式罗茨泵和(水冷) 湿式罗茨泵。中真空罗茨泵不能承受高压差, 因此必须配备前级泵才能工作。本文论述的就是中真空罗茨泵(以下简称罗茨泵) 的最大允许压差和溢流阀压差。

1、罗茨泵的最大允许压差
　　最大允许压差是罗茨泵最重要的性能指标之一, 它是指罗茨泵入口压力等于或低于1 kPa时, 连续运转1 h, 不发生故障所允许的出口压力和入口压力差值的最大值。最大允许压差是衡量罗茨泵能否在最大消耗功率和高温下无故障运转的重要指标, 也就是在最大消耗功率下考验罗茨泵的轴、转子、轴承和齿轮强度, 转子、齿轮与轴之间联接的可靠性, 在高温下考验罗茨泵的各部分间隙是否能保证正常运转。

　　罗茨泵的消耗功率N c 为



　　式中S th ——罗茨泵的理论抽速,L/s
　　　　ÀP ——罗茨泵出口与入口的压力差, Pa
　　　　Gm ——机械效率, 一般在0. 85 左右

　　罗茨泵的功率消耗中主要是压缩功, 随着压差的升高, 它的压缩功也随着增大, 而且有很大一部分压缩功转化为热能, 因此压差愈大泵温也愈高。故罗茨泵允许的压差越大, 允许的泵温越高, 泵的工作就越可靠, 德国“HEDRICH ”公司样本中就指出, 该公司罗茨泵的允许工作温度可达130℃。

　　目前国内罗茨泵整体水平在最大允许压差这个指标上差距较大, 指标偏低, 因此运转的可靠性相对要差一些。西安一个厂原使用某厂生产的ZJ-1200型罗茨泵, 启动压力偏低, 承受不了工作压力下的压差, 经常发生故障。经多次修理也无济于事, 因而转向我们公司要求提供性能优异、能连续工作的罗茨泵。我们实地观察后认为除ZJ-1200 泵性能较差之外, 与前级泵的配比不合理, 管道也过长, 决定用高性能的ZJ-600 型罗茨泵机组取代。该机组验收时在模拟工况下经受了300 h 连续运转的考验。其中1. 3×102 Pa下运转14 h, 4×102 Pa 下运转8 h。用户安装使用后, 无论在真空度、抽速及运转可靠性方面完全满足了生产工艺的要求。遂将其余9 套机组全部更新。从上述例子可看出, ZJ -1200 型罗茨泵如在4×102 Pa 压力下运转8 h, 则压差达2.8×103Pa, 而该泵最高允许工作温度为60℃, 最大允许压差在(1.3～ 2) ×103 Pa 之间, 因此长时间运行必然会出问题。我们公司的ZJ-1200 A 型罗茨泵最高允许工作温度为130℃, 最大允许压差达5×103 Pa, 而我们采用的高性能ZJ-600 型罗茨泵, 它的最大允许压差达5. 5×103 Pa, 因此运转更可靠。

　　为了将最大允许压差这一关键指标赶上国外水平, 我们公司始终坚持“以质量求发展, 在发展中上水平”的方针, 在发展罗茨泵产品时, 就突破原标准的框框, 坚决贯彻执行欧洲“PNEUROP ”的罗茨泵验收规则, 以LEYBOLD,BALZERS, HEDRICH 和ALCATEL 等公司罗茨泵的性能数据为目标, 不断改进, 不断提高。就以最大允许压差这一性能指标来说, 我们已达到国外同类产品的先进水平。而且对这一关键指标, 我们每台泵出厂均经严格考核, 录入档案, 不合格决不出厂。

　　最大允许压差试验时, 按我公司内控标准(相当于国外同类产品先进指标) 检测, 泵出口表面温度可达130～150℃, 内部转子温度高达150～ 170℃。考虑到泵体和转子的热膨胀, 泵各部分之间间隙必须大到足以抵消热膨胀。但间隙过大, 必然导致零流量压缩比的下降, 因此罗茨泵各部分间隙要适中, 既能承受高压差考验, 又要保证有较高的零流量压缩比。影响罗茨泵最大允许压差的间隙主要有三方面, 一是转子与泵体之间的间隙, 高压差运转时, 罗茨泵出口处表面温度可达130～150℃。但入口处表面温度仅为50℃左右, 因此险情易出在泵体入口处与转子之间的间隙处。二是转子与侧盖处间隙, 高温转子热膨胀时, 转子的死端间隙基本不变, 转子活端的间隙则急剧缩小, 最易发生咬死现象。三是转子与转子之间的间隙, 它首先要求设计出优良的转子型线以保证两转子在啮合过程中间隙均匀, 其次是工艺和加工设备, 要保证加工出的转子线型符合设计要求, 这样才能避免运转中高温时转子与转子之间的摩擦与碰撞。罗茨泵这三方面间隙都很重要, 要根据最大允许压差的要求来适当选择, 并严格控制。另一个问题值得注意, 我们的罗茨泵各部分间隙均严格控制, 照理在作最大允许压差试验时不会发生异常, 但却数次发生转子端面与侧盖咬死现象, 经拆检和分析, 认定系滚动轴承的轴向游隙过大所造成。我们抽检了一批轴承, 发现轴向游隙小的只有0.05 mm , 大的可达0.20 mm 以上, 这就给罗茨泵装配时对转子与侧盖之间的间隙调整带来很大困难,因此必须选择轴向游隙小的优质轴承。

　　罗茨泵的配套电机功率是根据用户的使用条件来决定的, 当它使用在真空度较高的压力范围内时,电机的功率可以取得较小。但在泵设计时, 必须按最大允许压差时的功率来校核罗茨泵转子、轴、齿轮的强度, 当然选择轴承时也必须这样考虑。

　　现行罗茨泵标准在最大允许压差的试验中, 对前级泵作了严格的限制, 是没有必要的。我们认为只须规定罗茨泵与前级泵的配比在一定范围内(例如4～ 10) 即可。从公式(1) 可以看出, 对某一抽速的罗茨泵来说, 它的消耗功率取决于出口与入口的压差,也就是说泵的发热、转子的热膨胀程度完全取决于出口与入口的压差的大小。因此只要按该罗茨泵的最大允许压差指标, 按规定的测量步骤进行试验即可, 至于取什么样的前级泵, 完全可以由制造厂适当自行选择。欧洲的“PNEUROP”机械增压真空泵(罗茨真空泵) 验收规则对前级泵也没有作任何规定。

　　上述的罗茨泵最大允许压差只是衡量和考核罗茨泵制造和运行质量的一个指标, 并不是说罗茨泵可以在这个压差下长期运转, 也不是说必须在这个压差下才能起动。国外一些厂商的样本上, 在最大允许压差一栏里就有连续工作与短时工作之分, 连续工作时最大允许压差即是罗茨泵应在此压差下保证能无故障运转1 h, 而短时工作时最大允许压差则是罗茨泵可以在此压差下工作3～ 5 min, 我们可以根据这个短时工作最大允许压差和被抽容器的大小来决定罗茨泵的起动压力。

　　某些特殊情况下, 罗茨泵的工作真空使泵的压差接近最大允许压差, 势必造成泵长期在高温下工作, 这是不可取的。必要时可在罗茨泵的出口安装水冷却器, 能收到明显的效果。

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水环-罗茨泵真空机组工作原理详解
　　　用于较高真空的罗茨真空泵(机械增压泵)不能直排大气，如直排大气会造成罗茨真空泵吸气口与排气口压差太大，从而使罗茨真空泵过载，如单纯加大罗茨真空泵电机功率又会造成罗茨真空泵过热以致罗茨真空泵转子之间的微小间隙很快因热膨胀而卡死。为保证罗茨真空泵能达到较高真空必须保证罗茨真空泵转子之间的间隙。所以罗茨真空泵使用时必须设有前级泵，用前级泵将系统内压力抽至一定范围内时再启动罗茨真空泵，如此可以避免罗茨真空泵过载。前级泵可以选用水(液)环式真空泵、旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵等可直排大气的真空泵。

　　罗茨真空机组在一般情况下，选用水环泵作为前级泵比其它真空泵更为有利，这主要是由于它能够抽除大量的可凝性蒸汽，特别是当气镇油封机械真空泵排除可凝性蒸汽能力不够，或使用的溶剂能使泵油恶化而影响性能，或者是真空系统不允许油污染的时候更为明显。

　　罗茨泵－水环泵机组广泛地用于化工、食品升华干燥、高空模拟试验等的抽真空系统中。这类联合机组，大致有如下几种类型。

　　（1）罗茨泵－水环泵：机组中水环泵的作用是造成罗茨泵所需的预备真空，因此要求该水环泵的最大允许排气压力，即是说，一方面要尽量提高水环泵的极限真空，另一方面，也要设法提高罗茨泵的最大允许排气压力。一般情况，单级水环泵极限真空度不高，而目前我国生产的罗茨泵要求的预真空又较高，故实际上不用单级水环泵作为罗茨泵的前级泵，而用能提高极限真空度的双级水环泵作为前级泵使用，采用双级水环泵，还可以提高机组的极限真空度。一台罗茨泵的极限真空度是较低的，特别是当它与水环泵组合运行时，使用范围受到限制，整个机组的极限真空度可能更低，但若用两台罗茨泵串联再与水环泵组合，就能大大提高机组的极限真空度。故在这种类型里通常见到的是两台罗茨泵串联后再用双级水环泵作前级泵组成机组。

　　（2）罗茨泵－水环泵－大气泵机组：即使采用双级水环泵，极限真空度的提高也只是在一定的范围之内，这是因为受到水的饱和蒸汽压的限制。水环泵的理论极限压力就是水的饱和蒸汽压。如果考虑气体返流等因素的影响，实际上水环泵的极限压力显著比该水温上的饱和蒸汽压力为高。为了提高前级泵的极限真空度，还可以使水环泵与大气泵组合使用。这样，串联一级大气泵后的极限真空度可达20~30Torr,如果水环泵与二级大气泵组合，则极限真空可达2~10Torr。

　　（3）罗茨泵－水环泵并联机械真空泵：此机组主要用于需要处理大量水蒸汽，且极限真空度要求较高的抽真空系统，例如在真空干燥方面。要求处理大量水蒸汽的真空系统中，使用水环泵是较合适的，但由于其极限真空度不高，致使整个机组的极限真空度较低。虽然在要求真空度较高的抽真空系统中，需要极限真空较高的机械真空泵作为前级泵使用。但由于水环泵的耗电量大，效率很低，噪声高，在需要长时间的真空干燥系统中，用水环泵作为罗茨泵前级泵很不经济。

　　在上述情况下，可将气镇机械真空泵与水环泵并联，作为罗茨泵的前级泵。真空干燥时，先用水环泵进行预抽，直至水蒸汽大量减少时，再开动气镇机械真空泵，切断水环泵。如需要较长时间才能完成干燥的场合，所需冷却水和功率都较少，如图3所示。

罗茨泵-水环泵机组的运行

（1）机组前装冷凝器

　　为了尽量使机组的体积小些，可设法使待抽的蒸汽在进入泵机组之前冷凝，这样剩下来的就是非可凝性气体和微量残余蒸汽。气体降温后在相同压力下体积也减小。所以冷凝后所需抽气量减小，相应地泵也可以选得小一些。

　　采用哪种方式较经济？应视其具体情况而定，举例说明如下：

　　冷凝蒸汽有两种方式：一种是安装一台冷却装置，另一种是在机组的高压级中装一台冷凝器，以便能用普通的水冷却。

　　其系统需要每小时抽除50kg的水蒸汽量，在吸入压力为1Torr时的容积流量为50000m3/h。

　　1）要抽吸上述的水蒸汽量，需要三个罗茨泵串联，并用一台水环泵作前级组成的机组，该机组的总功率90kW。

　　2）为了使蒸汽在到达真空泵之前冷凝，就要在位于A处装一个冷凝器和一个功率为30000kcal/h的冷却装置，如图4所示。在1Torr的吸入压力下，水蒸汽的冷凝温度均为-19℃，为了能保证连续工作，应取冷凝装置的冷凝温度为-25℃，且并联安装2台冷凝器。根据非冷凝气体的组成部分计算得，真空泵的抽气量就可以降低到1000~2000m3/h，总机组（包括冷凝器的消耗功率）的功率同样是90kW。

　　3）先用罗茨泵抽出水蒸汽，并在45Torr压力下进行冷凝，该压力下有的冷凝温度约为36℃，于是可使冷凝器的冷凝温度保持在30~35℃之间，可用普通冷却水冷却。冷凝器设在B处。这时总功率的消耗为75kW左右。

　　通过上述三组方式的比较可知，第三种方案最好，可减少15kW的动力消耗。

　　综上所述，水蒸汽冷却后只剩下非可凝性气体。在压力很低时，水蒸汽的比容相当大，这些可凝性蒸汽冷凝后，泵所需要的抽气量显然就大为降低了。另外，不论蒸汽是否冷凝，在同样压力下只要气体温度降低，其容积流量就会减少。例如化工流程中200~300℃温度的气体并不少见。若从300℃冷却到50℃之后，干燥空气的容积减少45%左右，这样就可以选择较小容量的抽气真空泵机组装置。

（2）机组的操作顺序：

　　1）机组中无旁通阀时，应先开动水环泵，被抽系统中的气体由罗茨泵（气体推动罗茨泵转子自行转动，如同流量计一般）进入水环泵后再排至大气，待水环泵的吸入压力（如串联有大气泵，则为大气泵的吸入压力）达到罗茨泵的起初规定值时（即允许排气压力），始启动罗茨泵，机组正式运转，开始工作。

　　2）机组中有旁通阀时，如图5所示，先启动水环泵，接着开动罗茨泵，此时，罗茨泵进排气压差较大，旁通阀自动开启，被抽容器中的气体一部分经过旁通阀进入水环泵，另一部分在罗茨泵的作用下通过该泵也进入水环泵，显然抽气速率增加，这样很快达到罗茨泵的预真空，进排气压差较小，阀门自动关闭（或人工关闭），机组正式工作。这种方法能大大缩短预抽时间，但设备较复杂。