罗茨真空泵的最大允许压差和溢流阀压差(1)

　　罗茨真空泵是一种旋转式容积泵。根据工作压力范围的不同, 分为低真空(直排大气) 罗茨泵和中真空罗茨泵。直排大气罗茨泵根据冷却介质的不同,又可分为气冷式罗茨泵和(水冷) 湿式罗茨泵。中真空罗茨泵不能承受高压差, 因此必须配备前级泵才能工作。本文论述的就是中真空罗茨泵(以下简称罗茨泵) 的最大允许压差和溢流阀压差。

1、罗茨泵的最大允许压差

　　最大允许压差是罗茨泵最重要的性能指标之一, 它是指罗茨泵入口压力等于或低于1 kPa时, 连续运转1 h, 不发生故障所允许的出口压力和入口压力差值的最大值。最大允许压差是衡量罗茨泵能否在最大消耗功率和高温下无故障运转的重要指标, 也就是在最大消耗功率下考验罗茨泵的轴、转子、轴承和齿轮强度, 转子、齿轮与轴之间联接的可靠性, 在高温下考验罗茨泵的各部分间隙是否能保证正常运转。

　　罗茨泵的消耗功率N _c 为

　　式中S th ——罗茨泵的理论抽速,L/s
　　　　ÀP ——罗茨泵出口与入口的压力差, Pa
　　　　Gm ——机械效率, 一般在0. 85 左右

　　罗茨泵的功率消耗中主要是压缩功, 随着压差的升高, 它的压缩功也随着增大, 而且有很大一部分压缩功转化为热能, 因此压差愈大泵温也愈高。故罗茨泵允许的压差越大, 允许的泵温越高, 泵的工作就越可靠, 德国“HEDRICH ”公司样本中就指出, 该公司罗茨泵的允许工作温度可达130℃。

　　目前国内罗茨泵整体水平在最大允许压差这个指标上差距较大, 指标偏低, 因此运转的可靠性相对要差一些。西安一个厂原使用某厂生产的ZJ-1200型罗茨泵, 启动压力偏低, 承受不了工作压力下的压差, 经常发生故障。经多次修理也无济于事, 因而转向我们公司要求提供性能优异、能连续工作的罗茨泵。我们实地观察后认为除ZJ-1200 泵性能较差之外, 与前级泵的配比不合理, 管道也过长, 决定用高性能的ZJ-600 型罗茨泵机组取代。该机组验收时在模拟工况下经受了300 h 连续运转的考验。其中1. 3×10² Pa下运转14 h, 4×10² Pa 下运转8 h。用户安装使用后, 无论在真空度、抽速及运转可靠性方面完全满足了生产工艺的要求。遂将其余9 套机组全部更新。从上述例子可看出, ZJ -1200 型罗茨泵如在4×10² Pa 压力下运转8 h, 则压差达2.8×10³Pa, 而该泵最高允许工作温度为60℃, 最大允许压差在(1.3～ 2) ×10³ Pa 之间, 因此长时间运行必然会出问题。我们公司的ZJ-1200 A 型罗茨泵最高允许工作温度为130℃, 最大允许压差达5×10³ Pa, 而我们采用的高性能ZJ-600 型罗茨泵, 它的最大允许压差达5. 5×10³ Pa, 因此运转更可靠。

　　为了将最大允许压差这一关键指标赶上国外水平, 我们公司始终坚持“以质量求发展, 在发展中上水平”的方针, 在发展罗茨泵产品时, 就突破原标准的框框, 坚决贯彻执行欧洲“PNEUROP ”的罗茨泵验收规则, 以LEYBOLD,BALZERS, HEDRICH 和ALCATEL 等公司罗茨泵的性能数据为目标, 不断改进, 不断提高。就以最大允许压差这一性能指标来说, 我们已达到国外同类产品的先进水平。而且对这一关键指标, 我们每台泵出厂均经严格考核, 录入档案, 不合格决不出厂。
♂
　　最大允许压差试验时, 按我公司内控标准(相当于国外同类产品先进指标) 检测, 泵出口表面温度可达130～150℃, 内部转子温度高达150～ 170℃。考虑到泵体和转子的热膨胀, 泵各部分之间间隙必须大到足以抵消热膨胀。但间隙过大, 必然导致零流量压缩比的下降, 因此罗茨泵各部分间隙要适中, 既能承受高压差考验, 又要保证有较高的零流量压缩比。影响罗茨泵最大允许压差的间隙主要有三方面, 一是转子与泵体之间的间隙, 高压差运转时, 罗茨泵出口处表面温度可达130～150℃。但入口处表面温度仅为50℃左右, 因此险情易出在泵体入口处与转子之间的间隙处。二是转子与侧盖处间隙, 高温转子热膨胀时, 转子的死端间隙基本不变, 转子活端的间隙则急剧缩小, 最易发生咬死现象。三是转子与转子之间的间隙, 它首先要求设计出优良的转子型线以保证两转子在啮合过程中间隙均匀, 其次是工艺和加工设备, 要保证加工出的转子线型符合设计要求, 这样才能避免运转中高温时转子与转子之间的摩擦与碰撞。罗茨泵这三方面间隙都很重要, 要根据最大允许压差的要求来适当选择, 并严格控制。另一个问题值得注意, 我们的罗茨泵各部分间隙均严格控制, 照理在作最大允许压差试验时不会发生异常, 但却数次发生转子端面与侧盖咬死现象, 经拆检和分析, 认定系滚动轴承的轴向游隙过大所造成。我们抽检了一批轴承, 发现轴向游隙小的只有0.05 mm , 大的可达0.20 mm 以上, 这就给罗茨泵装配时对转子与侧盖之间的间隙调整带来很大困难,因此必须选择轴向游隙小的优质轴承。

　　罗茨泵的配套电机功率是根据用户的使用条件来决定的, 当它使用在真空度较高的压力范围内时,电机的功率可以取得较小。但在泵设计时, 必须按最大允许压差时的功率来校核罗茨泵转子、轴、齿轮的强度, 当然选择轴承时也必须这样考虑。

　　现行罗茨泵标准在最大允许压差的试验中, 对前级泵作了严格的限制, 是没有必要的。我们认为只须规定罗茨泵与前级泵的配比在一定范围内(例如4～ 10) 即可。从公式(1) 可以看出, 对某一抽速的罗茨泵来说, 它的消耗功率取决于出口与入口的压差,也就是说泵的发热、转子的热膨胀程度完全取决于出口与入口的压差的大小。因此只要按该罗茨泵的最大允许压差指标, 按规定的测量步骤进行试验即可, 至于取什么样的前级泵, 完全可以由制造厂适当自行选择。欧洲的“PNEUROP”机械增压真空泵(罗茨真空泵) 验收规则对前级泵也没有作任何规定。

　　上述的罗茨泵最大允许压差只是衡量和考核罗茨泵制造和运行质量的一个指标, 并不是说罗茨泵可以在这个压差下长期运转, 也不是说必须在这个压差下才能起动。国外一些厂商的样本上, 在最大允许压差一栏里就有连续工作与短时工作之分, 连续工作时最大允许压差即是罗茨泵应在此压差下保证能无故障运转1 h, 而短时工作时最大允许压差则是罗茨泵可以在此压差下工作3～ 5 min, 我们可以根据这个短时工作最大允许压差和被抽容器的大小来决定罗茨泵的起动压力。

　　某些特殊情况下, 罗茨泵的工作真空使泵的压差接近最大允许压差, 势必造成泵长期在高温下工作, 这是不可取的。必要时可在罗茨泵的出口安装水冷却器, 能收到明显的效果。

2、罗茨泵的溢流阀压差

　　罗茨泵如果带溢流阀, 就能与前级泵同时起动,并可以在任何入口压力下连续工作。这种罗茨泵的溢流阀在压差超过某一规定值时会自动开启, 将入口和出口接通, 可以有效防止泵的过载而不影响泵的正常运转。因此, 溢流阀压差的定义是罗茨泵的溢流阀开启时阀上、下二侧的压力的差值, 并在此压差下无故障运转1 h。有必要指出, 过去有一种误解,认为溢流阀的作用只是防止泵过载, 同时还增加了额外的功率消耗。实际上这种观点是片面的, 带溢流阀罗茨泵的最大优点是扩展了泵的工作区间, 它覆盖了从大气压到102² Pa 之间的宽广的压力范围, 并可以有效缩短真空系统在低真空下的抽气时间(30%～ 50% )。图1 表示了带溢流阀罗茨泵在低真空范围内所增加的抽速。

A. 前级泵抽速曲线　B. 罗茨泵抽速曲级(1300 Pa 启动) 　C+ B. 带溢流阀罗茨泵抽速曲线　D. 由于溢流阀而增加的抽速

图1　罗茨泵抽速曲线

　　溢流阀如在规定压差下不能正常开启, 则将严重影响罗茨泵在低真空范围的工作, 而开启后不能顺利关闭, 又会导致罗茨泵在中真空区域内的性能异常, 这种情况时有发生。因此必须对带溢流阀罗茨泵的溢流阀压差进行检测。鉴于国内外目前尚无溢流阀压差试验方法的标准, 我们提出如下测试装置和试验方法。

测试装置: (见图2)

测量程序:

　　溢流阀压差是对空气而言, 罗茨泵和前级泵应处于室温中, 在试验时罗茨泵和前级泵应同时起动,并在极限压力下至少运转0.5 h。通过微调阀向罗茨泵的试验罩内缓慢放入空气, 在罗茨泵的入口侧与前级真空侧产生一个压力差。当压差到达某一值时, 罗茨泵的入口压力突然升高, 表示溢流阀已开启, 这时的压差即为溢流阀压差, 在此压差下泵必须保证无故障运转1 h。

　　溢流阀(罗茨泵出口与入口) 的压差达到某规定值时, 溢流阀开启, 这时入口压力再继续增加, 溢流阀压差则不再升高。当然溢流阀的流导应足够大, 以保证溢流阀压差在一定的入口压力范围内保持不变。

1. 罗茨泵试验罩　2、3　真空计　4.前级试验罩　5. 微调阀　6. 罗茨泵　7. 前级泵(滑阀泵或旋片泵)

图2　溢流阀压差测试装置示意图

　　前面提到带溢流阀罗茨泵可以在任何入口压力下连续工作, 但实际上罗茨泵不可能在溢流阀打开的情况下长期工作, 所以只要能保证罗茨泵与前级泵能同时起动, 并在溢流阀压差下运转1h, 不发生故障即可。
♂
　　值得注意的是, 不能以为罗茨泵有了溢流阀就万无一失, 由于意外的原因可能导致溢流阀失灵。如不能正常开启, 则罗茨泵可能超载, 导致泵发热卡死和损坏电机; 如不能完全关闭, 则将影响罗茨泵的入口压力和抽速。属于设计、加工和安装的问题是阻尼块过长, 弹簧过硬, 卡住阀芯, 不能正常开启和关闭;属于使用的问题是粉尘和脏物粘住阀芯或是锈(腐)蚀, 使阀不能开启和关闭。

　　还有一个问题必须注意, 万一阻尼块失去阻尼作用, 则在溢流阀开启后会产生连续不断的跳动, 发出清脆的撞击噪声, 并导致压力和抽速的波动, 使罗茨泵不能正常工作。

　　由于带溢流阀的罗茨泵能显著缩短真空系统真空范围的抽气时间, 给用户带来明显的经济效益,而且运转安全可靠, 因此目前带溢流阀罗茨泵在整个罗茨泵的需求中已占有极其重要的地位。现行罗茨泵标准还没有将溢流阀的有关指标和试验方法列入其中, 因此应尽快规定不带溢流阀的罗茨泵考核最大允许压差, 带溢流阀的罗茨泵考核溢流阀压差。溢流阀压差参照国外有关资料和国内实际情况, 建议按表1 选取。

　　现时流行的带溢流阀的罗茨泵, 不管抽速多大,都只有一个溢流阀, 因此造成外形不美观, 高度和宽度都偏大, 尤其是大抽速泵, 更是如此。经笔者建议,我们公司生产的ZJY-2200 的溢流阀设计成二个,这一改进, 泵的高度减少了140 mm , 宽度减少了70mm , 使泵的外形也更美观。经试验这种带二个溢流阀的的罗茨泵完全达到了设计和使用要求。

3、罗茨泵的型号

　　JB/T 7674-95 的型号表示方法中罗茨泵类型规定带旁通阀的代号为P, 我们认为很不确切。旁通阀是旁通管路中的一种真空截止阀, 而旁通管路在真空技术术语中的定义, 是与真空系统管路并联装配的一种真空管路系统, 它可同时和系统管路一起工作或者可以单独工作, 而罗茨泵的所谓旁通管路根本不能单独工作。从气体流动方向上来说, 旁通管路实际上是起预抽作用的, 它的气流是从罗茨泵入口绕过罗茨泵向前级泵方向流动, 是一种正向气流; 而(带溢流阀) 罗茨泵上的管路的气流是, 当罗茨泵的压差达到一定值(溢流阀压差) 时, 阀自动打开, 气流从罗茨泵出口通过管路向罗茨泵入口返流, 是一种溢流状态, 是一种反向气流。因此说这种管路应称作溢流管路, 它的逆止阀应称作溢流阀, 这才能名符其实。

　　BALZERS 公司样本中W KP 型罗茨泵英文名为Roots Pump with Overflow Valve, 中文即为带溢流阀罗茨泵, 溢流阀的压差英文名为Differential Pressureat  verflow Valve。综上所述“带旁通阀”罗茨泵应正名为带溢流阀罗茨泵, 它的型号也应改为ZJY 型罗茨泵。

4、结束语

　　罗茨泵是否带溢流阀可以按其真空工艺流程的要求来决定。不带溢流阀的罗茨泵由于最大允许压差较大, 而且在短时工作时可以承受更大的压差, 因此适用于中真空范围工作, 在粗低真空时, 可以用前级泵由旁通(预抽) 管路抽气。例如某些工艺流程要求在低真空工作数小时, 甚至十多小时, 然后在较大压差下启动罗茨泵, 再在中真空下工作十几小时或者几十小时, 这时就可采用上述方案。至于频繁工作在从低真空到中真空之间的场合, 则比较适合采用带溢流阀的罗茨泵。