罗茨真空泵概述和设备要求课件.ppt

1、l一. 真空技术发展概况 （杨乃恒）l二. 真空工程理论基础 （孙丽娜）l三. 真空系统设计 （刘坤）l四. 低真空获得设备 （张以忱）l五. 清洁真空获得技术 （巴德纯）l六. 中真空获得设备 （张以忱）l七. 高真空与超高真空获得设备 （杨乃恒）l八. 真空测量 （刘玉岱）l九. 真空检漏 （刘玉岱）l十. 真空镀膜（一）：PVD物理气相沉积 （张以忱）l十一. 真空镀膜（二）：CVD化学气相沉积 张世伟）l十二. 真空冷冻干燥技术 （徐成海）l十三. 真空设备的自动化控制 （王庆）l十四. 真空材料与真空卫生 （张以忱）培训系列之培训系列之 罗茨泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵罗茨泵是

2、一种无内压缩的旋转变容式真空泵l在中真空范围作为机械增压泵应用，一般与前级在中真空范围作为机械增压泵应用，一般与前级泵（旋片泵，滑阀泵和水环泵等）串联构成真空泵（旋片泵，滑阀泵和水环泵等）串联构成真空机组；机组；l 双级或多级罗茨泵机组可获得高真空；双级或多级罗茨泵机组可获得高真空；l 对于干式清洁无油的抽气系统多用气冷式罗茨对于干式清洁无油的抽气系统多用气冷式罗茨泵机组；泵机组；l 对于含水蒸气的被抽系统，多用湿式罗茨泵。对于含水蒸气的被抽系统，多用湿式罗茨泵。 1前端端盖；前端端盖；2油标；油标；3压力传感器；压力传感器；4注油塞；注油塞；5放油塞；放油塞；6齿轮侧轴承端盖；齿轮侧轴承端盖

3、；7泵体；泵体；8入口法兰入口法兰9出口法兰；出口法兰；10转子；转子；11马达侧轴承盖；马达侧轴承盖；12中间法兰；中间法兰；13油封处注油塞；油封处注油塞；14油封处放油塞；油封处放油塞；15笼形支架；笼形支架；16电动机；电动机；17泵底座泵底座 两个转子按一定相位安装在一对平行轴上，两个转子按一定相位安装在一对平行轴上，由轴端齿轮（由轴端齿轮（i =1）驱动做同步反向旋转运动。转）驱动做同步反向旋转运动。转子彼此无接触，转子与泵腔壁也无接触，其间通常子彼此无接触，转子与泵腔壁也无接触，其间通常有有0.151.0mm的间隙。泵腔靠间隙及高转速来密的间隙。泵腔靠间隙及高转速来密封（相对密封

4、）。封（相对密封）。 由于泵腔内无摩擦，转子可高速运转，一般：由于泵腔内无摩擦，转子可高速运转，一般：5003000rmin。泵的润滑部位仅限于轴承、齿。泵的润滑部位仅限于轴承、齿轮及动密封处（齿轮箱有油，且与泵腔之间有压差，轮及动密封处（齿轮箱有油，且与泵腔之间有压差，预抽管通前级侧）。预抽管通前级侧）。 转子在泵体中如何安装决定了泵的总体结构。目前国内外转子在泵体中如何安装决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵大致有两种型式：的罗茨泵大致有两种型式：1）立式：这种结构的进、排气口成水平位置，装配和连接都）立式：这种结构的进、排气口成水平位置，装配和连接都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转

5、时稳定性差，故比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故多用于小泵。多用于小泵。 2）卧式：泵的进气口在上，排气口在下。有时排气口水平方）卧式：泵的进气口在上，排气口在下。有时排气口水平方向接出，因而，进、排气方向是相互垂直的。排气口可以向接出，因而，进、排气方向是相互垂直的。排气口可以从两个方向接出，一端接排气管道，另一端堵死或接旁通从两个方向接出，一端接排气管道，另一端堵死或接旁通阀。这种结构重心低，高速运转时稳定性好，一般用于大、阀。这种结构重心低，高速运转时稳定性好，一般用于大、中型泵。中型泵。 立式结构立式结构卧式结构卧式结构传动方式有如下两种：传动方式有如下两种： 1）电动

6、机与齿轮放在转子的同一侧，从动转子的）电动机与齿轮放在转子的同一侧，从动转子的扭矩由电动机端齿轮直接传过去，所以主动转子扭矩由电动机端齿轮直接传过去，所以主动转子轴的扭转变形小，因而转子与转子之间的间隙就轴的扭转变形小，因而转子与转子之间的间隙就不会因主动轴的扭转变形较大而改变，故使间隙不会因主动轴的扭转变形较大而改变，故使间隙在运转过程中均匀。在运转过程中均匀。 缺点：主动轴上有三个轴承，给加工和装配带来缺点：主动轴上有三个轴承，给加工和装配带来一定困难，对齿轮的拆装和检查都不方便，整个一定困难，对齿轮的拆装和检查都不方便，整个结构也显得不匀称，使泵的重心移向电动机和齿结构也显得不匀称，使泵

7、的重心移向电动机和齿轮箱一端。所以，采用这种结构的较少轮箱一端。所以，采用这种结构的较少。l 这种结构克服了上述的缺点，但主动轴扭转这种结构克服了上述的缺点，但主动轴扭转变形较大。为了保证转子在运转过程中的间隙，变形较大。为了保证转子在运转过程中的间隙，要求轴应有足够的刚度。要求轴应有足够的刚度。l 轴与转子要轴与转子要 固结（铸造的转子采用轴转子整固结（铸造的转子采用轴转子整体结构或热压过盈配合，焊接的转子采用转子和体结构或热压过盈配合，焊接的转子采用转子和轴直接焊在一起的整体结构）。轴直接焊在一起的整体结构）。l 这种结构拆卸和装配都很方便这种结构拆卸和装配都很方便。主要有主要有3个部位：

8、个部位：l主动轴外伸部分的动密封（密封外部大气与齿轮主动轴外伸部分的动密封（密封外部大气与齿轮箱之间）；箱之间）；l端盖或齿轮箱与泵体间的静密封；端盖或齿轮箱与泵体间的静密封；l齿轮箱和泵体间的转子轴的动密封（避免油进入齿轮箱和泵体间的转子轴的动密封（避免油进入泵腔，同时预真空与高真空之间得到密封）。泵腔，同时预真空与高真空之间得到密封）。目前采用较多的是：目前采用较多的是：l 双端面摩擦环式机械密封；双端面摩擦环式机械密封；l 带加强环的带加强环的JO圈密封。圈密封。l 机械密封运转可靠，耗功率小允许线速度大；机械密封运转可靠，耗功率小允许线速度大；但结构复杂，制造成本高。但结构复杂，制造成

9、本高。l JO圈密封结构简单，耗功率大，胶圈容易磨损，圈密封结构简单，耗功率大，胶圈容易磨损，但更换方便，成本低。但更换方便，成本低。l磁流体密封是一种密封效果及使用寿命长的动密磁流体密封是一种密封效果及使用寿命长的动密封型式，功耗小，但成本高。封型式，功耗小，但成本高。 l由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这两部分的真空度与前级泵入口基本口相通，即这两部分的真空度与前级泵入口基本相同。所以齿轮箱与泵腔之间的压差较小，通常相同。所以齿轮箱与泵腔之间的压差较小，通常采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。采用迷宫式密封、反螺旋式密封

10、或活塞胀圈密封。l真空耐油橡胶圈密封，不仅可靠而且拆卸方便。真空耐油橡胶圈密封，不仅可靠而且拆卸方便。l采用聚氨酯胶垫进行平面密封，不用加工密封槽，采用聚氨酯胶垫进行平面密封，不用加工密封槽，拆卸方便。拆卸方便。l有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封可靠并且不用有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封可靠并且不用加工密封槽。但用户须备有这种材料，否则不能加工密封槽。但用户须备有这种材料，否则不能自行拆装修理。自行拆装修理。l轴封轴封l齿轮齿轮l轴承。轴承。用油封机械泵作前级泵时：用油封机械泵作前级泵时：l单级罗茨泵极限全压力：单级罗茨泵极限全压力：510-1110-2 Pal极限分压力极限分压力 ：510-2

11、510-3 Pal双级罗茨泵极限全压力：双级罗茨泵极限全压力：110-2510-3 Pal极限分压力极限分压力 ：110-3510-4 Pa用水环泵作前级泵时：用水环泵作前级泵时：l单级罗茨泵极限分压力：单级罗茨泵极限分压力： 200 Pa ，l双级罗茨泵极限分压力双级罗茨泵极限分压力 ： 4 Pa 。 圆弧线、渐开线和摆线。圆弧线、渐开线和摆线。 实用上，整个转子的外轮廓型线由：圆弧线、实用上，整个转子的外轮廓型线由：圆弧线、渐开线和摆线组合而成。渐开线和摆线组合而成。 “圆弧渐开线摆线圆弧渐开线摆线”型转子型线气阻大，型转子型线气阻大，改善了泵在低压下的性能，提高了泵的抽气效率，改善了泵在

12、低压下的性能，提高了泵的抽气效率，得到较广泛的应用。得到较广泛的应用。l为了减少气体的返流，要求转子间、转子与泵壳为了减少气体的返流，要求转子间、转子与泵壳间的工作间隙要尽量小。间的工作间隙要尽量小。l 考虑转子工作时产生热膨胀和受力变形等影响，考虑转子工作时产生热膨胀和受力变形等影响，要求各处的装配间隙不等而且要比工作间隙大。要求各处的装配间隙不等而且要比工作间隙大。 i） 转子在运转中因升温而产生热膨胀；转子在运转中因升温而产生热膨胀；ii）转子在离心力和排气压力作用下产生变形；）转子在离心力和排气压力作用下产生变形；iii）随着齿轮传动磨损程度的增加，齿侧间隙增大，）随着齿轮传动磨损程度

13、的增加，齿侧间隙增大，由于磨损是不均匀的，所以必然引起转子相对位由于磨损是不均匀的，所以必然引起转子相对位置发生变化，造成间隙减小；置发生变化，造成间隙减小；iv） 泵轴的弯曲变形或扭转变形；泵轴的弯曲变形或扭转变形；v） 轴与转子因制造和装配误差而产生不同轴等。轴与转子因制造和装配误差而产生不同轴等。1 转子与泵壳的径向间隙；转子与泵壳的径向间隙； 2 转子相互之间的间隙；转子相互之间的间隙； 3 轴活端（如齿轮端）的转子侧面与轴活端（如齿轮端）的转子侧面与侧盖间的轴向间隙；侧盖间的轴向间隙；4 轴死端的转子侧面与端盖之间的轴轴死端的转子侧面与端盖之间的轴向间隙。向间隙。1罗茨泵的关键零件是

14、转子，而转子的关键是型罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是型线。泵工作时，转子之间的间隙要保持一定，这线。泵工作时，转子之间的间隙要保持一定，这样转子的型线必须做成共轭曲线。理论型线的选样转子的型线必须做成共轭曲线。理论型线的选择择 和和 实际型线的计算和加工工艺是关键。实际型线的计算和加工工艺是关键。 2为了控制泵转子间、转子与泵壳间的间隙，要为了控制泵转子间、转子与泵壳间的间隙，要求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵工作条件的轴承型号。考虑转子轴向热膨胀影响

15、，工作条件的轴承型号。考虑转子轴向热膨胀影响，转子轴应留有活端，以允许轴因热膨胀等因素而转子轴应留有活端，以允许轴因热膨胀等因素而产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间的轴向间隙则应选得小一些。的轴向间隙则应选得小一些。 3要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的精度常选用得过大。齿轮的精度常选用56级。为使传动平级。为使传动平稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整转

16、子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿转子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿轮与轴之间采用涨套联接方式。轮与轴之间采用涨套联接方式。 罗茨泵在运转过程中，由于转子的高速旋转，与罗茨泵在运转过程中，由于转子的高速旋转，与气体产生摩擦搅拌作用及在排气口处对气体的外压缩，气体产生摩擦搅拌作用及在排气口处对气体的外压缩，使气体及转子的温度升高。而转子的热量较难散发出使气体及转子的温度升高。而转子的热量较难散发出去。当泵的抽气量较大时（大泵），或入口气体温度去。当泵的抽气量较大时（大泵），或入口气体温度较高时，需要对转子进行冷却，以免转子出现过大的较高时，需要对转子进行冷却，以免转子出现过大的热变

17、形现象，使装配间隙过小或消失，致使转子卡死。热变形现象，使装配间隙过小或消失，致使转子卡死。l在泵的排气口处安装冷在泵的排气口处安装冷却器，对出口处的气体却器，对出口处的气体进行冷却，当被冷却的进行冷却，当被冷却的气体反冲到泵腔内时，气体反冲到泵腔内时，使转子得到冷却。这种使转子得到冷却。这种方法一般可散出转子方法一般可散出转子80左右的热量。当排气左右的热量。当排气压力较高时，气体分子压力较高时，气体分子密度大，传热效果好，密度大，传热效果好，可以保证泵在较高压差可以保证泵在较高压差下正常工作。下正常工作。l将冷却后的出口气体回流到泵腔内去直接冷却热将冷却后的出口气体回流到泵腔内去直接冷却热

18、态的转子，提高了泵的抗热能力，使泵仍可保持态的转子，提高了泵的抗热能力，使泵仍可保持较小的转子装配间隙。气冷式罗茨泵适用于长期较小的转子装配间隙。气冷式罗茨泵适用于长期在高压差下工作或被抽气体的温度比较高的情况在高压差下工作或被抽气体的温度比较高的情况下工作。下工作。 由功率计算公式由功率计算公式(6-22)可知，泵压缩气体所需的可知，泵压缩气体所需的功率与压差成正比：功率与压差成正比：thfthiSpSSSppN.) 1()(112解决泵过载的方法解决泵过载的方法 ：l机械式自动调压旁通阀机械式自动调压旁通阀l采用液力联轴器采用液力联轴器l真空电气元件控制泵入口压力真空电气元件控制泵入口压力

19、l 油扩散喷射泵是油蒸汽流泵的一种，主要油扩散喷嘴、喷射喷嘴等组成，使之在高真空方面有较大的抽速，在低真空方面有足够的临界前级压力。具有结构简单、无机械传动部分、运转可靠、维护方便、使用寿命长等特点。主要配置在高真空系统作为主泵与前级泵的中间级，也可单独作为高真空泵应用于冶金或抽出含有少量水气的工作场合。 l 油扩散喷射泵是从油扩散泵发展而来的，兼有扩散泵和喷射泵的特点，工作压力范围在（10-10-2）Pa。在此压力区间内，油扩散喷射泵有较大的抽速和较高的最大出口压力，其抽气量是扩散泵的4-20倍，加热功率是扩散泵的2-5倍。l 由于油扩散喷射泵的工作压力范围正处于油扩散泵和油封机械泵抽气能力

20、下降区域，因此，该泵除可以做主泵外，还常常用于大型油扩散泵和前级机械泵之间，保证真空系统的有效工作，与罗茨泵的作用相似，所以油扩散喷射泵也被称为油增压泵。l油扩散喷射泵工作压力范围内的被抽气体流动状态处于粘滞流和分子流之间。在压力较高时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以粘性携带为主。这时要求蒸汽射流具有足够的密度。在压力较低时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以扩散携带为主.这时要求蒸汽射流有一定的稀薄程度。多级喷嘴串联抽气原理l为了使泵在更宽的压力范围内具有大的抽速，同时又有高的出口压力，在实际应用中都是多级喷嘴串联起来工作的。在多级喷嘴结构中，下一级喷嘴要保证上一级喷嘴的正常工作，因此，每个单级喷嘴

21、的抽气特性应满足：nnPSPSPSG 2211式中：G泵的抽气量； S1，S2，.Sn各级喷嘴的抽速； P1，P2，Pn各级喷嘴的入口压力。 l右图为双级喷嘴油扩散喷射泵的结构。图8-45 为了提高泵的最大出口压力，在大型油扩散喷射泵中，出口级往往采用喷射喷嘴。喷射级喷嘴需要的高压力蒸汽由锅炉直接提供。经过对高压力蒸汽进行孔板节流降压后的蒸汽供给其余各级喷嘴，使各级喷嘴的工作蒸汽压力分布更为合理。3.泵体 油扩散喷射泵的泵体用碳钢制成，有圆筒形，也有圆锥形。小型泵采用焊在泵壳外壁上的螺旋铜管通冷却，大型泵的冷却采用水套结构。 l油扩散喷射泵的抽气特性可用泵入口压力与泵抽速之间关系曲线来表示，如

22、下图。从图中可见，在泵工作压力范围内泵的抽速有一个最大值，对应的入口压力与蒸汽射流的状态有关。图8-48 泵的加热功率对抽气量和最大出口压力也有影响。当泵加热功率变化时，泵抽气量与泵入口压力之间的关系如下图所示。当加热功率变小时，锅炉温度降低，蒸汽射流密度降低，增加了被抽气体向蒸汽射流内的扩散作用，在低压时抽气量有所增加，而在高压时抽气量有所降低。 图1 图2 l 单级喷嘴的抽速与喷嘴出口压力的关系如下图所示。从图中可见，当泵出口压力低于最大出口压力时，抽速不随出口压力的增加而变化。当出口压力超过最大出口压力后，泵抽速急剧下降，不能正常工作 l 喷嘴喉部断面积影响泵的蒸汽消耗量，蒸汽消耗量对抽气量的影响如下图1所示。当入口压力较高时，增加工作蒸汽量可以提高泵的抽气量，在低压时，增加工作蒸汽量则对抽气量影响不大。l 泵的抽气特性与被抽气体的种类有关，对于小分子气体的抽速较大，如图2。 图1 图2l 由于油扩散喷射泵在（10-10-2）Pa区域内有较大的抽气量，因此要求泵油有好的热稳定性、抗氧化性，在锅炉工作温度下有较高的饱和蒸汽压，以提高蒸汽射流强度及泵的最大出口压力。泵油的汽化潜热要小，馏分要窄。泵油在室温下的饱和蒸汽压在10-3Pa数量级。