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多級(jí)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(jí)爪型干式真空泵的結(jié)構(gòu)對(duì)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(guó)際上最經(jīng)典的兩種結(jié)構(gòu):螺旋型(德國(guó))、反爪型(英國(guó))做了介紹和對(duì)比,并提出了最新的結(jié)構(gòu):螺旋反爪結(jié)構(gòu)。關(guān)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”P(pán)rincpleofclawdrypumpAbstract:Keywords:clawdrypump;newestprincple多級(jí)爪型干式真空泵是上世紀(jì)末其快速發(fā)展成熟的新型真空泵,由于其如下突出優(yōu)點(diǎn):泵腔內(nèi)無(wú)油、對(duì)被抽容器沒(méi)有油污染、并能直排大氣、單泵就能達(dá)到3帕等,在電子行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用,替代了油封機(jī)械泵以及滑閥真空泵。由于其性能卓越而越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(shì)。其主要的結(jié)構(gòu)型式有:1)螺旋型2)反爪型;其結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì),相比較而言反爪型比螺旋型優(yōu)勢(shì)更明顯。但由于其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),結(jié)合了以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),相比較而言有如下優(yōu)勢(shì):更少材料、更低能耗、更好維護(hù)、更大抽速。它更能適合化工、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域的需要。它對(duì)爪型干式真空泵的發(fā)展和應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用。一、單級(jí)爪泵的工作原理:如上圖所示排氣口1轉(zhuǎn)子對(duì)2泵體3進(jìn)氣口4在圖一位置A腔和進(jìn)氣口4接通,隨著轉(zhuǎn)子對(duì)2的同步反方向運(yùn)動(dòng)A腔容積變大,氣體就吸入泵內(nèi),B腔內(nèi)的氣體也在轉(zhuǎn)子對(duì)的作用下得到了逐漸壓縮,我們稱(chēng)為吸氣過(guò)程;圖二位置A腔容積繼續(xù)變大,繼續(xù)吸氣,同時(shí),B腔的容積在轉(zhuǎn)子對(duì)2的同步反方向運(yùn)動(dòng)下逐漸變小,運(yùn)動(dòng)到和排氣口1接通的位置氣體通過(guò)排氣口排到下一級(jí),這個(gè)過(guò)程一直回持續(xù)到圖三位置,吸氣和排氣同時(shí)進(jìn)行,簡(jiǎn)稱(chēng)為吸排氣過(guò)程;在圖三位置A腔達(dá)到了最大容積,吸氣結(jié)束和B腔的容積達(dá)到了最小,排氣結(jié)束.轉(zhuǎn)子擋住了進(jìn)氣口4和排氣口1,起到了自動(dòng)關(guān)閉的作用;在圖四位置隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn),B腔內(nèi)沒(méi)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(chēng)為過(guò)渡過(guò)程;不間斷重復(fù)以上3個(gè)過(guò)程,達(dá)到了連續(xù)不間斷抽真空的目的,由于泵腔內(nèi)無(wú)需用水或油等介質(zhì),有如下的優(yōu)勢(shì):能抽各種化學(xué)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(yīng)用。二、常見(jiàn)的多級(jí)爪泵原理:1、螺旋型的結(jié)構(gòu)和性能:a反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖:b反爪型結(jié)構(gòu)原理圖:圖四圖四從上圖可以看出,第一級(jí)的排氣口1和第二級(jí)的進(jìn)氣口1B在同一位置,第一級(jí)的爪型轉(zhuǎn)子對(duì)2和第二級(jí)的爪型轉(zhuǎn)子對(duì)2B是相反的,隔板上沒(méi)有了氣體通道了,第三級(jí)泵體內(nèi)轉(zhuǎn)子以及氣道和第一級(jí)泵體內(nèi)結(jié)構(gòu)相同,第四級(jí)和第二級(jí)結(jié)構(gòu)相同,級(jí)間交錯(cuò)分布。我們稱(chēng)這樣的結(jié)構(gòu)為“反爪型干式真空泵”。可是此結(jié)構(gòu)不能保證第一級(jí)在排氣時(shí),第二級(jí)正好吸氣,在第一級(jí)排氣結(jié)束時(shí)第二級(jí)吸氣也結(jié)束,就通過(guò)在隔板上加工臺(tái)階的氣體通道來(lái)實(shí)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(jì)80年代末期英國(guó)某公司生產(chǎn)過(guò)這樣的泵以后,目前在中國(guó)均得到了采用,四級(jí)泵設(shè)計(jì)完成后基本如下圖所示意結(jié)構(gòu)。圖五如上圖所示,氣體從進(jìn)氣口通過(guò)轉(zhuǎn)子對(duì)3以及泵腔2,壓縮通過(guò)隔板4上的一級(jí)泵體排氣口(同時(shí)就是二級(jí)泵體進(jìn)氣口)進(jìn)入第二級(jí)泵體6內(nèi)。依次類(lèi)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(guò)第三級(jí)泵腔9第四級(jí)泵腔11,再通過(guò)排氣口排出泵外。圖五和螺旋原理比較,從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn):1)隔板依然較厚,整泵太長(zhǎng)。2)轉(zhuǎn)子成反爪布置,動(dòng)平衡精度要求更高;3)整泵的長(zhǎng)度依然較長(zhǎng),重量較重;4)由于通過(guò)隔板來(lái)調(diào)節(jié)吸排氣,上一級(jí)排氣口就是下一級(jí)的進(jìn)氣口,工作過(guò)程中氣體流導(dǎo)過(guò)小將會(huì)出現(xiàn)返流現(xiàn)象,對(duì)設(shè)備抽速造成一定的影響。三、一種新型的多級(jí)爪泵(螺旋反爪泵)工作原理:a螺旋反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖:b螺旋反爪型結(jié)構(gòu)原理圖:圖六從上圖可以看出,第一級(jí)的轉(zhuǎn)子為正爪,第二級(jí)轉(zhuǎn)子為反爪,為了保證第一級(jí)排氣時(shí)第二級(jí)吸氣;同時(shí),第一級(jí)排氣結(jié)束時(shí),第二級(jí)吸氣結(jié)束。第二級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)與第一級(jí)轉(zhuǎn)子有個(gè)相位差為a度,以防氣體形成返流現(xiàn)象。依次后面的轉(zhuǎn)子對(duì)也正反交錯(cuò)排列,并依然各自保持相位差為a度,我們稱(chēng)此種原理為“螺旋反爪原理”。這樣一來(lái),在隔板上的氣體氣體通道,不需要臺(tái)階通道來(lái)保證氣體的通排吸氣的相位差了,通過(guò)設(shè)計(jì)四級(jí)泵就演變成了如下結(jié)構(gòu),下圖為本公司完全采用的參考圖:圖六圖七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(wú)限薄,從實(shí)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(tái)泵就可以變的非常短,主軸等均大幅度變短,整機(jī)的重量可以大幅度降低。所以,在制造方面有如下的優(yōu)點(diǎn):1)體積小,由于各級(jí)的厚度可以優(yōu)化設(shè)計(jì),比變節(jié)距螺桿干泵的長(zhǎng)度更短,主軸等相應(yīng)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(yùn)輸成本,提高組裝效率;2)由于變節(jié)距設(shè)計(jì),長(zhǎng)期工作能耗更低;內(nèi)部氣體通道流導(dǎo)大于泵的設(shè)計(jì)抽速,所以,在大氣壓下能耗也沒(méi)有突然增長(zhǎng)。四、幾種原理的實(shí)際性能測(cè)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(jié)構(gòu)形式相似,極限真空可以通過(guò)不同的加工精度實(shí)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(shí)際抽速比較,以LH-150PHC為例:圖八圖八如圖八所示,三種泵原理的泵在入口壓力1000Pa以內(nèi)的區(qū)間,抽速并沒(méi)有明顯的差別;在入口壓力1000Pa-2000Pa之間,螺旋原理的干泵實(shí)際抽速為反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右;而當(dāng)入口壓力超過(guò)2000Pa時(shí),螺旋原理爪泵的實(shí)際抽速大幅度降低,出現(xiàn)明顯的抽氣拐點(diǎn);而反爪原理在入口壓力10000Pa以上才開(kāi)始衰減,而螺旋反爪泵是在入口壓力25000Pa才開(kāi)始衰減。由此可見(jiàn):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(shí)際能耗比較,以LH-150PHC為例:圖九如圖九所示,當(dāng)入口壓力在2000Pa以上后,螺旋爪泵的能耗就大幅度上升,達(dá)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(jiàn),螺旋爪泵存在內(nèi)部過(guò)壓縮情況,由此可以說(shuō)明轉(zhuǎn)子之間的相位角度以及整個(gè)泵的設(shè)計(jì)是存在缺陷和不足的。5結(jié)論通過(guò)以上三種結(jié)構(gòu)方式的比較,可以得出如下結(jié)論:爪型干式真空泵的最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)有螺旋型、

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