羅茨真空泵的最大允許壓差和溢流閥壓差

羅茨真空泵 羅根松 浙江真空設備集團有限公司

  分析了影響提高羅茨真空泵最大允許壓差因素, 提出了解決方法。介紹了帶溢流閥羅茨泵的特點和溢流閥壓差的試驗方法, 明確提出應對帶溢流閥羅茨泵考核溢流閥壓差。

  羅茨真空泵是一種旋轉式容積泵。根據工作壓力范圍的不同, 分為低真空(直排大氣) 羅茨泵和中真空羅茨泵。直排大氣羅茨泵根據冷卻介質的不同,又可分為氣冷式羅茨泵和(水冷) 濕式羅茨泵。中真空羅茨泵不能承受高壓差, 因此必須配備前級泵才能工作。本文論述的就是中真空羅茨泵(以下簡稱羅茨泵) 的最大允許壓差和溢流閥壓差。

1、羅茨泵的最大允許壓差

  最大允許壓差是羅茨泵最重要的性能指標之一, 它是指羅茨泵入口壓力等于或低于1 kPa時, 連續運轉1 h, 不發生故障所允許的出口壓力和入口壓力差值的最大值。最大允許壓差是衡量羅茨泵能否在最大消耗功率和高溫下無故障運轉的重要指標, 也就是在最大消耗功率下考驗羅茨泵的軸、轉子、軸承和齒輪強度, 轉子、齒輪與軸之間聯接的可靠性, 在高溫下考驗羅茨泵的各部分間隙是否能保證正常運轉。

  羅茨泵的消耗功率N c

  式中S th ——羅茨泵的理論抽速,L/s
    ÀP ——羅茨泵出口與入口的壓力差, Pa
    Gm ——機械效率, 一般在0. 85 左右

  羅茨泵的功率消耗中主要是壓縮功, 隨著壓差的升高, 它的壓縮功也隨著增大, 而且有很大一部分壓縮功轉化為熱能, 因此壓差愈大泵溫也愈高。故羅茨泵允許的壓差越大, 允許的泵溫越高, 泵的工作就越可靠, 德國“HEDRICH ”公司樣本中就指出, 該公司羅茨泵的允許工作溫度可達130℃。

  目前國內羅茨泵整體水平在最大允許壓差這個指標上差距較大, 指標偏低, 因此運轉的可靠性相對要差一些。西安一個廠原使用某廠生產的ZJ-1200型羅茨泵, 啟動壓力偏低, 承受不了工作壓力下的壓差, 經常發生故障。經多次修理也無濟于事, 因而轉向我們公司要求提供性能優異、能連續工作的羅茨泵。我們實地觀察后認為除ZJ-1200 泵性能較差之外, 與前級泵的配比不合理, 管道也過長, 決定用高性能的ZJ-600 型羅茨泵機組取代。該機組驗收時在模擬工況下經受了300 h 連續運轉的考驗。其中1. 3×102 Pa下運轉14 h, 4×102 Pa 下運轉8 h。用戶安裝使用后, 無論在真空度、抽速及運轉可靠性方面完全滿足了生產工藝的要求。遂將其余9 套機組全部更新。從上述例子可看出, ZJ -1200 型羅茨泵如在4×102 Pa 壓力下運轉8 h, 則壓差達2.8×103Pa, 而該泵最高允許工作溫度為60℃, 最大允許壓差在(1.3~ 2) ×103 Pa 之間, 因此長時間運行必然會出問題。我們公司的ZJ-1200 A 型羅茨泵最高允許工作溫度為130℃, 最大允許壓差達5×103 Pa, 而我們采用的高性能ZJ-600 型羅茨泵, 它的最大允許壓差達5. 5×103 Pa, 因此運轉更可靠。

  為了將最大允許壓差這一關鍵指標趕上國外水平, 我們公司始終堅持“以質量求發展, 在發展中上水平”的方針, 在發展羅茨泵產品時, 就突破原標準的框框, 堅決貫徹執行歐洲“PNEUROP ”的羅茨泵驗收規則, 以LEYBOLD,BALZERS, HEDRICH 和ALCATEL 等公司羅茨泵的性能數據為目標, 不斷改進, 不斷提高。就以最大允許壓差這一性能指標來說, 我們已達到國外同類產品的先進水平。而且對這一關鍵指標, 我們每臺泵出廠均經嚴格考核, 錄入檔案, 不合格決不出廠。

  最大允許壓差試驗時, 按我公司內控標準(相當于國外同類產品先進指標) 檢測, 泵出口表面溫度可達130~150℃, 內部轉子溫度高達150~ 170℃。考慮到泵體和轉子的熱膨脹, 泵各部分之間間隙必須大到足以抵消熱膨脹。但間隙過大, 必然導致零流量壓縮比的下降, 因此羅茨泵各部分間隙要適中, 既能承受高壓差考驗, 又要保證有較高的零流量壓縮比。影響羅茨泵最大允許壓差的間隙主要有三方面, 一是轉子與泵體之間的間隙, 高壓差運轉時, 羅茨泵出口處表面溫度可達130~150℃。但入口處表面溫度僅為50℃左右, 因此險情易出在泵體入口處與轉子之間的間隙處。二是轉子與側蓋處間隙, 高溫轉子熱膨脹時, 轉子的死端間隙基本不變, 轉子活端的間隙則急劇縮小, 最易發生咬死現象。三是轉子與轉子之間的間隙, 它首先要求設計出優良的轉子型線以保證兩轉子在嚙合過程中間隙均勻, 其次是工藝和加工設備, 要保證加工出的轉子線型符合設計要求, 這樣才能避免運轉中高溫時轉子與轉子之間的摩擦與碰撞。羅茨泵這三方面間隙都很重要, 要根據最大允許壓差的要求來適當選擇, 并嚴格控制。另一個問題值得注意, 我們的羅茨泵各部分間隙均嚴格控制, 照理在作最大允許壓差試驗時不會發生異常, 但卻數次發生轉子端面與側蓋咬死現象, 經拆檢和分析, 認定系滾動軸承的軸向游隙過大所造成。我們抽檢了一批軸承, 發現軸向游隙小的只有0.05 mm , 大的可達0.20 mm 以上, 這就給羅茨泵裝配時對轉子與側蓋之間的間隙調整帶來很大困難,因此必須選擇軸向游隙小的優質軸承。

  羅茨泵的配套電機功率是根據用戶的使用條件來決定的, 當它使用在真空度較高的壓力范圍內時,電機的功率可以取得較小。但在泵設計時, 必須按最大允許壓差時的功率來校核羅茨泵轉子、軸、齒輪的強度, 當然選擇軸承時也必須這樣考慮。

  現行羅茨泵標準在最大允許壓差的試驗中, 對前級泵作了嚴格的限制, 是沒有必要的。我們認為只須規定羅茨泵與前級泵的配比在一定范圍內(例如4~ 10) 即可。從公式(1) 可以看出, 對某一抽速的羅茨泵來說, 它的消耗功率取決于出口與入口的壓差,也就是說泵的發熱、轉子的熱膨脹程度完全取決于出口與入口的壓差的大小。因此只要按該羅茨泵的最大允許壓差指標, 按規定的測量步驟進行試驗即可, 至于取什么樣的前級泵, 完全可以由制造廠適當自行選擇。歐洲的“PNEUROP”機械增壓真空泵(羅茨真空泵) 驗收規則對前級泵也沒有作任何規定。

  上述的羅茨泵最大允許壓差只是衡量和考核羅茨泵制造和運行質量的一個指標, 并不是說羅茨泵可以在這個壓差下長期運轉, 也不是說必須在這個壓差下才能起動。國外一些廠商的樣本上, 在最大允許壓差一欄里就有連續工作與短時工作之分, 連續工作時最大允許壓差即是羅茨泵應在此壓差下保證能無故障運轉1 h, 而短時工作時最大允許壓差則是羅茨泵可以在此壓差下工作3~ 5 min, 我們可以根據這個短時工作最大允許壓差和被抽容器的大小來決定羅茨泵的起動壓力。

  某些特殊情況下, 羅茨泵的工作真空使泵的壓差接近最大允許壓差, 勢必造成泵長期在高溫下工作, 這是不可取的。必要時可在羅茨泵的出口安裝水冷卻器, 能收到明顯的效果。