第三讲：机械真空泵(二)

张以忱
(东北大学)

四、油封式旋转机械真空泵

    (一)油封机械真空泵工作原理

    用油来保持运动部件的密封、靠泵腔容积变化而实现抽气的机械真空泵统称油封机械真空泵。它们的工作原理都是使泵腔工作室容积机械地增大和缩小而抽气。当泵腔内工作室容积变得最小时，与泵的入口管道连通，于是气体进入泵吸入腔，一直到吸入腔容积最大并重新与进气口分开时为止。当容积减少时，气体被压缩，直到气体的压力大于一个大气压，排气阀被打开，将气体排出。

    (二)用油作密封泵液的必要性

    当前大量使用的机械真空泵，即使设计得最好，相向运动的零件间配合精度即使很高。在泵达到极限真空时，也难以阻止气体由低真空端向入口端“突破”返流。另外，由于泵在设计制造及装配中不可避免地存在有害空间，这也降低泵的极限真空度。油封机械真空泵就是用油将相向运动的零部件和排气阀零件间密封起来；将有害空间充填，使得高压气体反“突破”的机会少得多，密封性能也就好得多，从而使泵能达到较高的真空度。

    (三)油封机械真空泵的应用

    油封式旋转机械真空泵按照结构型式可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式四种。目前，油封机械真空泵是国内真空获得技术中应用最广的一种泵，它可单独用作低真空设备的排气用泵，也可用作高真空排气时的前级真空泵。因此，它已在国民经济的很多部门，例如电真空、电子、轻化工、钢铁、有色冶炼等工业部门中发挥着越来越大的作用。由于这类泵均装有气镇装置，故也可以抽除潮湿气体。但现在还不适于抽除含氧过高、有爆炸性、对黑色金属有腐蚀性，对泵密封油起化学作用、及含有颗粒灰尘的气体。

    目前，国内的许多研究单位和生产厂家正在设计和生产出抽除水蒸气和耐腐蚀的油封真空泵系列。随着新技术、新材料的发展和应用，性能更好的、能满足各种工业需要的、适应能力强的各种油封机械真空泵必将生产出来。

    (四)定片式真空泵

    1．工作原理

    定片式真空泵的典型结构及工作原理如图4所示。在圆柱泵腔(1)内有旋转的偏心转子(2)，在泵缸体上装有可以上下滑动的定片(3)，借助于弹簧(4)的作用压向转子，将泵腔分隔成A、B两个空间。随着转子旋转角度不同，两个空间体积交替增大或缩小，从而完成吸气和排气作用。

    在泵的工作过程中，滑片作垂直往复运动，并在转子表面上滑动。弹簧是通过一直角形杠杆(5)与滑片发生作用。泵内的一切运动表面都覆盖着油层，形成吸气腔和排气腔之间的油封。此外，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。

    2．特点

    定片式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真空可达10-1Pa。泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易，但由于其工作性能不如旋片泵，所以目前已经很少生产和应用。

    (五)旋片式真空泵

    旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。

    1．单级旋片泵结构与工作原理

    如图5所示，单级旋片泵只有一个工作室。泵主要由定子、旋片、转子组成。在泵腔内偏心地装有转子，转子槽中装有两块旋片，由于弹簧弹力作用而紧贴于缸壁(转动后还有旋片离心力)。转子和旋片将定子腔分成吸气和排气两部分。

    当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出。

    排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。泵油通过油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。

    2．双级旋片泵的结构与工作原理

    单级旋片泵一般极限压力只能达到1.3Pa(个别可达0.1Pa)，为什么极限压力不能再低呢？主要由于：

    (1)泵的结构上存在有害空间(见图6)，该空间中的气体是无法排除的。当旋片转过排气口后，这一部分气体又被压缩，经过转子与泵腔间的缝隙又回到吸气空间，所以每次总有些气体排不尽。

    (2)由于在泵工作时，泵腔的吸气空间与排气空间存在着一定的压力差。当排气空间的气体被压缩得很小时，它的压力很高，会通过各种可能的途径突破到吸气空间去，使泵真空度下降。

    (3)泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气。在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高。

    为了提高泵的极限真空度，除了提高泵体、转子、旋片的加工精度，尽量减少装配间隙和有害空间以外，最有效的办法是将两只单级泵串接起来，组成双级泵。

    图7为双级泵的工作原理图。泵由两个工作室组成。两室前后串联，同向等速旋转，A室是B室的前级，A是低真空级，B是高真空级。被抽气体经高真空级(B室) 进入前级，由排气阀排出泵外。前级(A)和单级泵一样，随时有油进入泵腔，而高真空级(B)仅在开始工作时存有少量的油，工作一段时间后，便没有油进入泵腔了。当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时(例如从大气压力开始抽气)，气体经B室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀(1)排出，另一部分则经由前级排出。

    当泵工作一段时间后，B室吸入的气体压力较低时，虽经B室的压缩，压力也达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀(1)，则吸入的气体全部进入前级A室，经A室的继续压缩，由排气阀(3)排出。

    泵工作一段时间后，由于高真空级进气时压力大大降低，其出口压力也很小，这样B室进出气口的压力差也较小，被压缩气体返回的数量也相应减少；同时，后级泵中易蒸发的油分子不断被前级A室抽走，油蒸气的分压减少了，因而双级泵的油污染比单级小，极限真空度将大大提高。国前的双级旋片真空泵的极限压力可10^-2pa，国外有的泵可达到10^-3Pa。

    3．高速直联旋片真空泵

    高速直联旋片真空泵，简称直联泵。它是旋片泵的一个新型分支产品。老式的旋片泵出

    现较早，是一种结构简单，应用量大面广的产品。但是这种老结构的旋片泵转速低，大都在400r/min左右。采用皮带传动减速，因而体积大，重量重。欲使泵体小质轻，从泵的几何抽速的计算理论中可知，当抽速一定时，其主要手段是提高泵的转速。欲提高真空泵的转速的主要关键是必须使直接承受高转速负荷的零件适应这种工况，即泵体和旋片的材质及转子的结构应适应转速提高后的工况。

    1965年德国雷暴一海拉斯公司在原有旋片泵的基础上，对泵的结构、材料和工艺都作了重大改进，试制成功了高速直联旋片真空泵，为旋片泵的小型化、仪器化开辟了新的途径。到七十年代初期，英国、美国、瑞士等国家也都相继有了直联泵系列产品。国内的许多生产厂家从七十年代中期至今先后试制成功了不同型号的直联泵，目前已有抽速从0.5L/s～15L/s的系列产品。

    直联旋片泵采取由电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上。这样可使泵的结构紧凑；体积显著缩小；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大降低。

    4．气镇原理、装置及其参量计算

    为了从真空系统或真空容器中抽除可凝性气体，油封式机械泵普遍设有气镇装置。

    (1) 气镇的作用与原理

    由于大气中都含有一定量的水蒸气，所以泵工作时所抽除的气体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。这种混合气体在泵内被压缩排气的过程中，如果可凝性气体的分压力超过了泵温下的饱和蒸气压，那么它们就会凝结并与泵油混合，随油一起循环。当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。随着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油。

    气镇法是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。这种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔中与被抽气体相混合。当把这种混合气体压缩到排气压力时，由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温状态的饱和蒸气压以下，因而蒸汽不会凝结而与其它气体一起被排至泵外。被抽气体中蒸汽的含量越多，掺入的干燥气体量就需越多。

    图8描述了上述的气镇过程。ab表示蒸汽吸入过程，蒸气的吸入压力为Pv。对于气镇泵，吸气终了后，稍加压缩至b'点，开始向泵腔内掺气，并压缩至排气压力P_T2，由b'c'表示。然后泵等压排出混合气体，由c'f表示，对于非气镇泵，蒸汽吸入后被压缩到泵温时的饱和压力P_ST，以bc表示。泵继续压缩，蒸汽逐渐液化，其过程由cd表示。泵对液体(液化的蒸气及泵油)继续进行压缩，使压力突然上升到达排气压力P_T2，如de所示。最后液体被排至油箱中，与泵油相混，如ef所示。在掺气过程中，可凝性气体的压缩达到c点时，空气与蒸气混合物的全压力就已达到排气压力，而此时，蒸气的分压力只达到P_ST。但因全压力已达到排气压力，排气阀被推开进行排气，未凝结的蒸气保持气体状态被一起排至泵外。这就是气镇泵的工作原理。

    采取气镇方法，虽然达到了排除蒸气的目的，但由于掺气增加了大气突破漏入到吸气端的可能性，因此对泵的抽速与极限真空都有影响。泵在掺气过程中，其极限真空要比不掺气时下降1～2个数量级。一般在使用时，先使用气镇阀掺气排除可凝性气体。等到蒸气基本抽除后，即可关闭气镇阀，继续抽气，经过一定时间后，就可达到不掺气时泵的极限真空了。

    由于气镇方法主要是防止泵在压缩过程中蒸气的凝结，所以对那些从气相状态就能溶解在泵油中的蒸气的抽除效果就比较差。

    加装了气镇装置的机械真空泵，还有自净化泵油的作用：当泵油被少量凝结液污染后，只要将泵入口封死，然后打开气镇阀，经一定时间抽气运转，泵油便能恢复原来的性能。

    (2) 气镇参量计算

    1）防止泵内凝结液生成的最小气镇量

    假定：a．泵腔内气体是按等温压缩过程进行的；b．在排气瞬时，可凝性气体的分压力刚好达到泵温下的饱和蒸气压；c．被抽气体全部是可凝性蒸气；d．掺入气体为干燥气体蒸气分压为零。

    最小气镇速率B为：(4—1)

    P_υ——蒸气的吸入压力  Pa；

    P_αt——掺气压力(大气压力)Pa；

    P_T2——排气压力  Pa；

    P_ST——泵温下的饱和蒸气压力  Pa；

    S₁——泵的抽速  L／SI

    如果气镇速率用气镇量G表示，则有 (4—2)

    2）最大允许的吸入水蒸气压力[P_υ]

    当气镇速率B为已知值时，相应地确定了一个最大允许的吸入水蒸气压力[P_υ]

        (4—3)

    式中：P_L1——吸入气体中永久性气体的分压力；

    P_D——掺入气体中水蒸气分压力

    其余同(4—1)式。

    据(4—3)式分析可得出下面几种特例：

    A．掺入气体为永久性气体，P_D =0，则有：(A) 

    B．吸入气体全部为水蒸气，P_L1 = 0，而P_D ≠ 0，则有：(B)

    C．若P_D = 0；P_L1 = 0，则有(C)

    D．若B = 0，即不掺入气体，则有(D)

    说明在不掺气的情况下，泵本身也有一定抽除可凝性气体的能力。

    从以上公式分析可得出下述结论；

    A．当泵吸入的水蒸气压力P。增高时即水蒸气含量较多，此时所需掺入的气镇量应该相应增加。但气镇量不宜过大，过大容易产生串气，影响泵的性能。

    B．当掺入的气镇量为定值时，为提高最大允许的吸入蒸气压力[P_υ]，可用下面几种办法：

    a)减少被抽气体在泵腔内的压缩比，即降低排气压力P_T2。

    b)适当提高泵的工作温度，即提高泵腔内水蒸气的饱和蒸气压力P_ST。

    c)尽量控制吸入气体的温度，提高泵入口处永久性气体压力P_L1。若吸入高温蒸气可先通过前置冷凝器使之预先冷却一部分，然后再进入泵内。

    d)减低气镇气体中可凝性蒸气压力P_D，尽可能掺入干燥气体。

    3）抽除水蒸气排出量G_D。

    对于水蒸气的抽除量，取决于泵吸入口蒸气分压力P_υ和吸入口的抽气速率S₁。

    当考虑泵入口状态，对尚未凝结的水蒸气的抽除量可由气体状态方程导出：(4—4)

    式中  R——气体普适常数，R = 8314.3    Pa·L/mol·K ；

    m——分子量，水为18g/mol。

    (3)气镇计算中主要参数的选择

    气镇泵性能计算中，恰当地选择参数极为重要，它关系到能否消除可凝性蒸气对泵的污染，能否有效地抽除水蒸汽。

    从公式(4—3)可看出影响P_υ的参数有：B/S₁、P_ST、P_D、P_T2和P_αt

    1) B/S₁的选择

    B/S₁是影响[P_υ] 较大的参数。B/S₁值选得很大，说明向泵内掺气量大，因而[P_υ]就大。但这将造成泵内压缩腔和吸入腔之间长期有较大的压差，因而返流量增加，降低了泵的极限真空。掺气量大，排气所需功率也增加，同时泵排气时的喷油也会加剧。此外B胚，值选得太大，气镇孔相应要大，实际结构也是不许可的。一般选B/S₁  = 0.1～0.15

    2）P_ST的选择

    由于水蒸气的饱和蒸气压和温度有密切的关系。P_ST 选得过大，泵内的温度必须高。但泵内的温度过高，将使泵油性能变差，因而P_ST选择必须适当，一般作为气镇泵，泵温可在70～90^oC左右。

    3）P_T2的确定

    气镇泵的排气压力P_T2 之值，是根据排气阀的具体结构而定，与排气阀片的重量、阀片上油柱重量以及阀片上是否有压力弹簧作用等因素有关。一般P_T2在101325～146650Pa之间确定。

    4）泵的工作环境温度T₁。

    一般情况下泵多工作在室内，所以选定T₁时，北方可选T₁ = 293K(20^oC)；南方可选T₁ = 303K(30^oC)。根据环境温度T₁可以决定最大允许吸入的水蒸气压力，即不同温度下水蒸汽的饱和蒸气压值。

    5）P_D的选择