爪型干式真空泵的原理研究

1、多級爪型干式真空泵原理分析 唐琳 徐曦 朱紅梅（北京朗禾科技有限公司，北京 100054） 摘要：多級爪型干式真空泵的結構對于其材料消耗、體積、能耗等性能有著非常重要的作用。本文就其原理和國際上最經(jīng)典的兩種結構：螺旋型（德國）、反爪型（英國）做了介紹和對比，并提出了最新的結構：螺旋反爪結構。 關鍵詞：爪型干式真空泵 “螺旋爪型”干式真空泵 “反爪型干式真空泵” “螺旋反爪型干式真空泵” Princple of claw dry pumpAbstract： Key words:claw dry pump; newest princple多級爪型干式真空泵是上世紀末其快速發(fā)展成熟的新型真空泵，由于

2、其如下突出優(yōu)點：泵腔內(nèi)無油、對被抽容器沒有油污染、并能直排大氣、單泵就能達到3帕等，在電子行業(yè)得到了非常廣泛的應用，替代了油封機械泵以及滑閥真空泵。由于其性能卓越而越來越廣泛的應用于航天、核工業(yè)、化工、制藥、環(huán)保等行業(yè)、并逐年成上升的趨勢。 其主要的結構型式有：1）螺旋型 2）反爪型；其結構各有優(yōu)勢，相比較而言反爪型比螺旋型優(yōu)勢更明顯。但由于其結構限制，泵的抽速目前基本上均做到小于600M3/h，不能夠滿足化工和制藥等大抽速的需要。本文介紹了北京朗禾科技的最新型結構，結合了以上兩種結構的優(yōu)勢，相比較而言有如下優(yōu)勢：更少材料、更低能耗、更好維護、更大抽速。它更能適合化工、制藥、環(huán)保等領域的需要。

3、它對爪型干式真空泵的發(fā)展和應用起到了巨大的推動作用。一 、 單級爪泵的工作原理： 如上圖所示 排氣口 1 轉子對 2 泵體3 進氣口4在圖一位置 A腔和進氣口4接通,隨著轉子對2的同步反方向運動A腔容積變大,氣體就吸入泵內(nèi),B腔內(nèi)的氣體也在轉子對的作用下得到了逐漸壓縮,我們稱為吸氣過程;圖二位置A腔容積繼續(xù)變大,繼續(xù)吸氣,同時,B腔的容積在轉子對2的同步反方向運動下逐漸變小,運動到和排氣口1接通的位置氣體通過排氣口排到下一級,這個過程一直回持續(xù)到圖三位置,吸氣和排氣同時進行,簡稱為吸排氣過程;在圖三位置 A腔達到了最大容積,吸氣結束和B腔的容積達到了最小,排氣結束.轉子擋住了進氣口4和排氣口1

4、,起到了自動關閉的作用;在圖四位置 隨著轉子的運轉,B腔內(nèi)沒有被排出去的氣體和A腔內(nèi)被吸入的氣體混合到了一起,既不吸氣也不排氣,我們稱為過渡過程;不間斷重復以上3個過程，達到了連續(xù)不間斷抽真空的目的，由于泵腔內(nèi)無需用水或油等介質(zhì)，有如下的優(yōu)勢：能抽各種化學氣體、特殊不銹鋼材料制做的爪泵還能抽腐蝕性氣體。在航天、制藥、化工、核工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應用。二、常見的多級爪泵原理： 1、 螺旋型的結構和性能： a 螺旋型結構的三維示意圖： 圖一 b 螺旋型結構原理圖：圖二在第一級的排氣口1位置，設計一個長長的通道5，以便于第一級排出去的氣體能進入第二級的進氣口4B.同時，為了保證在第一級排氣時，第二

5、級泵體3B開始吸氣，所以，第二級的同步轉子對比第一級落后一定角度的相位差為a2-a1，通過研究發(fā)現(xiàn)a2-a1=30度-120度之間都是合理，最合理的角度還需要進一步研究。第三點，通道5要不能設計得太小。依此方法來設計第三級轉子對以及第四級轉子對和通道，就會發(fā)現(xiàn)各級轉子依次沿著轉子對旋轉的方向落后于上一級，串聯(lián)在主軸上就呈現(xiàn)了螺旋型布局，稱為螺旋型。其結構有如下優(yōu)點而被廣泛采用: 轉子的放置都如上圖放置，從上世紀80年代末期歐洲幾家企業(yè)生產(chǎn)過這樣的泵以后，產(chǎn)品在市場方面得到了非常好的反應和使用效果，目前在中國均得到了最廣泛的采用。圖三四級泵結構如圖所示，頂蓋1 第一級泵腔2 一級轉子對3 第一級

6、隔板4 第二級轉子對5第二級泵腔6 第二級隔板7 第三級轉子對8 第三級泵腔9 第三級隔板10 第四級泵腔11 第四級轉子對12 底座13 如圖所示 其工作過程是這樣的，氣體從頂蓋1進入沿箭頭方向進入到第一級泵體2內(nèi)，通過第一級轉子對3的作用，壓縮氣體沿箭頭方向繼續(xù)進入第一級隔板4內(nèi)。分別通過第二級泵腔6，第三級泵腔9第四級泵腔11，氣體通過了比較慢長而又復雜的運動。 通過，我們經(jīng)過大量的實驗以及用戶的使用，從加工成本和制造方面有如下的缺點：1）第一級隔板4第二級隔板7以及第三級隔板10 中間的氣體通道長，不好加工；2）加工完成后氣體通道還需要有工藝堵來密封，容易泄漏；3）隔板的厚度較厚，導致

7、泵的長度較長，同樣的四級泵比別的干泵要長，重量要重；4）隔板內(nèi)有死空間，不利于做防腐蝕泵等處理。 從性能和使用方面以下優(yōu)缺點：1）由于充分利用了爪型干式真空泵的原理優(yōu)勢，轉子壓縮過過程中能自動關閉進氣口和排氣口這個特點，所以，很容易做到較高的極限真空。2）由于氣體通道流導往往由于結構的制約，容易形成較大的氣體流動阻力，所以，泵入口壓力增加到一定值后，電機的電流將大幅度的上升，并且不成線性變化，氣體過壓縮的現(xiàn)象特別突出，所以，破空階段效率很低并且時間太長。對應的壓力Pa和電流（A）的關系如下圖所示：二、“反爪泵”的原理和性能分析： a 反爪型結構的三維示意圖：b 反爪型結構原理圖：圖四從上圖可以

8、看出，第一級的排氣口1和第二級的進氣口1B在同一位置，第一級的爪型轉子對2和第二級的爪型轉子對2B是相反的，隔板上沒有了氣體通道了，第三級泵體內(nèi)轉子以及氣道和第一級泵體內(nèi)結構相同，第四級和第二級結構相同，級間交錯分布。我們稱這樣的結構為“反爪型干式真空泵”?？墒谴私Y構不能保證第一級在排氣時，第二級正好吸氣，在第一級排氣結束時第二級吸氣也結束，就通過在隔板上加工臺階的氣體通道來實現(xiàn)，為了保證不影響氣體的流量，隔板的厚度比較厚。從上世紀80年代末期英國某公司生產(chǎn)過這樣的泵以后，目前在中國均得到了采用，四級泵設計完成后基本如下圖所示意結構。圖五如上圖所示，氣體從進氣口通過轉子對3以及泵腔2，壓縮通過

9、隔板4上的一級泵體排氣口（同時就是二級泵體進氣口）進入第二級泵體6內(nèi)。依次類推，氣體沿箭頭方向，幾乎比螺旋原理短一倍的距離，依次通過第三級泵腔9第四級泵腔11，再通過排氣口排出泵外。和螺旋原理比較，從加工成本和制造方面有如下的缺點：1）隔板依然較厚，整泵太長。2）轉子成反爪布置，動平衡精度要求更高；3）整泵的長度依然較長，重量較重；4） 由于通過隔板來調(diào)節(jié)吸排氣，上一級排氣口就是下一級的進氣口，工作過程中氣體流導過小將會出現(xiàn)返流現(xiàn)象，對設備抽速造成一定的影響。三、一種新型的多級爪泵（螺旋反爪泵）工作原理： a 螺旋反爪型結構的三維示意圖：b 螺旋反爪型結構原理圖：圖六從上圖可以看出，第一級的轉

10、子為正爪，第二級轉子為反爪，為了保證第一級排氣時第二級吸氣；同時，第一級排氣結束時，第二級吸氣結束。第二級轉子對與第一級轉子有個相位差為a度，以防氣體形成返流現(xiàn)象。依次后面的轉子對也正反交錯排列，并依然各自保持相位差為a度，我們稱此種原理為“螺旋反爪原理”。這樣一來，在隔板上的氣體氣體通道，不需要臺階通道來保證氣體的通排吸氣的相位差了，通過設計四級泵就演變成了如下結構，下圖為本公司完全采用的參考圖：圖七圖中可以看出 隔板已經(jīng)可以做到非常薄，從理論上可以無限薄，從實踐考慮到加工和彈性變形的影響，依然留有一定的厚度。整臺泵就可以變的非常短，主軸等均大幅度變短，整機的重量可以大幅度降低。所以，在制造

11、方面有如下的優(yōu)點：1）體積小，由于各級的厚度可以優(yōu)化設計，比變節(jié)距螺桿干泵的長度更短，主軸等相應的變短，可以大幅度的節(jié)省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低運輸成本，提高組裝效率；2）由于變節(jié)距設計，長期工作能耗更低；內(nèi)部氣體通道流導大于泵的設計抽速，所以，在大氣壓下能耗也沒有突然增長。 四、幾種原理的實際性能測試比較：真空泵最重要的性能有：極限真空、抽氣速率和能耗。由于結構形式相似，極限真空可以通過不同的加工精度實現(xiàn)，因而，抽速曲線和能耗曲線決定了泵的性能優(yōu)越程度：1幾種原理泵型的實際抽速比較，以LH-150PHC為例：圖八 如圖八所示，三種泵原理的泵在入口壓力1000Pa以內(nèi)的區(qū)間，抽速

12、并沒有明顯的差別；在入口壓力1000Pa-2000Pa之間，螺旋原理的干泵實際抽速為反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而當入口壓力超過2000Pa時，螺旋原理爪泵的實際抽速大幅度降低，出現(xiàn)明顯的抽氣拐點；而反爪原理 在入口壓力10000Pa以上才開始衰減，而螺旋反爪泵是在入口壓力25000Pa才開始衰減。由此可見：螺旋反爪原理是在三種具體原理中抽氣效率是最優(yōu)越的。2幾種原理泵型的實際能耗比較，以LH-150PHC為例：圖九 如圖九所示，當入口壓力在2000Pa以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，達到滿載功率的3到四倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在電流大幅度上升的情況下。有此可見，螺旋爪泵存在內(nèi)部過壓縮情況，由此可以說明轉子之間的相位角度以及整個泵的設計是存