爪型干式真空泵的原理研究

1、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。本文就其原理和國際上最經(jīng)典的兩種結(jié)構(gòu)：螺旋型（德國）、反爪型（英國）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” Princple of claw dry pumpAbstract： Key words:claw dry pump; newest princple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

2、其如下突出優(yōu)點(diǎn)：泵腔內(nèi)無油、對(duì)被抽容器沒有油污染、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。 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，相比較而言反爪型比螺旋型優(yōu)勢更明顯。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，相比較而言有如下優(yōu)勢：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。

3、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(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排氣口排到下一級(jí),這個(gè)過程一直回持續(xù)到圖三位置,吸氣和排氣同時(shí)進(jìn)行,簡稱為吸排氣過程;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

4、,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(fù)以上3個(gè)過程，達(dá)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(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、常見的多級(jí)爪泵原理： 1、 螺旋型的結(jié)構(gòu)和性能： a 螺旋型結(jié)構(gòu)的三維示意圖： 圖一 b 螺旋型結(jié)構(gòu)原理圖：圖二在第一級(jí)的排氣口1位置，設(shè)計(jì)一個(gè)長長的通道5，以便于第一級(jí)排出去的氣體能進(jìn)入第二級(jí)的進(jìn)氣口4B.同時(shí)，為了保證在第一級(jí)排氣時(shí)，第二

5、級(jí)泵體3B開始吸氣，所以，第二級(jí)的同步轉(zhuǎn)子對(duì)比第一級(jí)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(jìn)一步研究。第三點(diǎn)，通道5要不能設(shè)計(jì)得太小。依此方法來設(shè)計(jì)第三級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)以及第四級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)和通道，就會(huì)發(fā)現(xiàn)各級(jí)轉(zhuǎn)子依次沿著轉(zhuǎn)子對(duì)旋轉(zhuǎn)的方向落后于上一級(jí)，串聯(lián)在主軸上就呈現(xiàn)了螺旋型布局，稱為螺旋型。其結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用: 轉(zhuǎn)子的放置都如上圖放置，從上世紀(jì)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(yīng)和使用效果，目前在中國均得到了最廣泛的采用。圖三四級(jí)泵結(jié)構(gòu)如圖所示，頂蓋1 第一級(jí)泵腔2 一級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)3 第一級(jí)

6、隔板4 第二級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)5第二級(jí)泵腔6 第二級(jí)隔板7 第三級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)8 第三級(jí)泵腔9 第三級(jí)隔板10 第四級(jí)泵腔11 第四級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)12 底座13 如圖所示 其工作過程是這樣的，氣體從頂蓋1進(jìn)入沿箭頭方向進(jìn)入到第一級(jí)泵體2內(nèi)，通過第一級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)3的作用，壓縮氣體沿箭頭方向繼續(xù)進(jìn)入第一級(jí)隔板4內(nèi)。分別通過第二級(jí)泵腔6，第三級(jí)泵腔9第四級(jí)泵腔11，氣體通過了比較慢長而又復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 通過，我們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)以及用戶的使用，從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn)：1）第一級(jí)隔板4第二級(jí)隔板7以及第三級(jí)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(dǎo)致

7、泵的長度較長，同樣的四級(jí)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(diǎn)：1）由于充分利用了爪型干式真空泵的原理優(yōu)勢，轉(zhuǎn)子壓縮過過程中能自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口這個(gè)特點(diǎn)，所以，很容易做到較高的極限真空。2）由于氣體通道流導(dǎo)往往由于結(jié)構(gòu)的制約，容易形成較大的氣體流動(dòng)阻力，所以，泵入口壓力增加到一定值后，電機(jī)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(shí)間太長。對(duì)應(yīng)的壓力Pa和電流（A）的關(guān)系如下圖所示：二、“反爪泵”的原理和性能分析： 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：圖四從上圖可以

8、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。我們稱這樣的結(jié)構(gòu)為“反爪型干式真空泵”?？墒谴私Y(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，就通過在隔板上加工臺(tái)階的氣體通道來實(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(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)氣口通過轉(zhuǎn)子對(duì)3以及泵腔2，壓縮通過

9、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(jí)泵腔9第四級(jí)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(diǎn)：1）隔板依然較厚，整泵太長。2）轉(zhuǎn)子成反爪布置，動(dòng)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(jí)排氣口就是下一級(jí)的進(jìn)氣口，工作過程中氣體流導(dǎo)過小將會(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)

10、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(tái)階通道來保證氣體的通排吸氣的相位差了，通過設(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(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

11、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有突然增長。 四、幾種原理的實(shí)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(jié)構(gòu)形式相似，極限真空可以通過不同的加工精度實(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 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(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(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，螺旋爪泵存在內(nèi)部過壓縮情況，由此可以說明轉(zhuǎn)子之間的相位角度以及整個(gè)泵的設(shè)計(jì)是存