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正航整理高速直聯(lián)旋片真空泵
2015-08-07 來源：正航儀器 作者：小曾 閱讀：次
正航整理高速直聯(lián)旋片真空泵
高速直聯(lián)旋片真空泵，簡稱直聯(lián)泵。它是旋片泵的一個(gè)新型分支產(chǎn)品。老式的旋片泵出
現(xiàn)較早，是一種結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用量大面廣的產(chǎn)品。但是這種老結(jié)構(gòu)的旋片泵轉(zhuǎn)速低，大都在400r/min左 右。采用皮帶傳動(dòng)減速，因而體積大，重量重。欲使泵體小質(zhì)輕，從泵的幾何抽速的計(jì)算理論中可知，當(dāng)抽速一定時(shí)，其主要手段是提高泵的轉(zhuǎn)速。欲提高真空泵的 轉(zhuǎn)速的主要關(guān)鍵是必須使直接承受高轉(zhuǎn)速負(fù)荷的零件適應(yīng)這種工況，即泵體和旋片的材質(zhì)及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)轉(zhuǎn)速提高后的工況。
1965年德國雷暴一海拉斯公司在原有旋片泵的基礎(chǔ)上，對(duì)泵的結(jié)構(gòu)、材料和工藝都作了重大改進(jìn)，試制成功了 高速直聯(lián)旋片真空泵，為旋片泵的小型化、儀器化開辟了新的途徑。到七十年代初期，英國、美國、瑞士等國家也都相繼有了直聯(lián)泵系列產(chǎn)品。國內(nèi)的許多生產(chǎn)廠家 從七十年代中期至今先后試制成功了不同型號(hào)的直聯(lián)泵，目前已有抽速從0.5L/s～15L/s的系列產(chǎn)品。
直聯(lián)旋片泵采取由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泵轉(zhuǎn)子，把轉(zhuǎn)速提高到1400r/min以上。這樣可使泵的結(jié)構(gòu)緊湊；體積顯著縮��；重量減輕；泵的抽氣性能提高；振動(dòng)和噪音大大降低。
1.氣鎮(zhèn)原理、裝置及其參量計(jì)算
為了從真空系統(tǒng)或真空容器中抽除可凝性氣體，油封式機(jī)械泵普遍設(shè)有氣鎮(zhèn)裝置。
(1) 氣鎮(zhèn)的作用與原理
由于大氣中都含有一定量的水蒸氣，所以泵工作時(shí)所抽除的氣體多是某些可凝性氣體和永久性氣體的混合物。這種 混合氣體在泵內(nèi)被壓縮排氣的過程中，如果可凝性氣體的分壓力超過了泵溫下的飽和蒸氣壓，那么它們就會(huì)凝結(jié)并與泵油混合，隨油一起循環(huán)。當(dāng)它們返回到高真空 端時(shí)又重新蒸發(fā)變成蒸汽。隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，凝結(jié)物不斷增加，使泵的極限真空和抽速降低。當(dāng)抽除的氣體中濕度較大時(shí)，泵油的污染更加嚴(yán)重，使泵的密封、潤滑和 冷卻性能變差，以至于經(jīng)常更換新油。
氣鎮(zhèn)法是防止蒸汽凝結(jié)從而避免油污染的有效方法。這種方法是將室溫干燥的空氣經(jīng)氣鎮(zhèn)孔進(jìn)入泵的壓縮腔中與被 抽氣體相混合。當(dāng)把這種混合氣體壓縮到排氣壓力時(shí)，由于摻氣作用使得其中的蒸汽分壓能保持在泵溫狀態(tài)的飽和蒸氣壓以下，因而蒸汽不會(huì)凝結(jié)而與其它氣體一起 被排至泵外。被抽氣體中蒸汽的含量越多，摻入的干燥氣體量就需越多。
ab表示蒸汽吸入過程，蒸氣的吸入壓力為Pv。對(duì)于氣鎮(zhèn)泵，吸氣終了后，稍加壓縮至b'點(diǎn)，開始向泵腔內(nèi)摻氣，并壓縮至排氣壓力PT2，由b'c'表示。然后泵等壓排出混合氣體，由c'f表示，對(duì)于非氣鎮(zhèn)泵，蒸汽吸入后被壓縮到泵溫時(shí)的飽和壓力PST，以bc表示。泵繼續(xù)壓縮，蒸汽逐漸液化，其過程由cd表示。泵對(duì)液體(液化的蒸氣及泵油)繼續(xù)進(jìn)行壓縮，使壓力突然上升到達(dá)排氣壓力PT2，如de所示。最后液體被排至油箱中，與泵油相混，如ef所示。在摻氣過程中，可凝性氣體的壓縮達(dá)到c點(diǎn)時(shí)，空氣與蒸氣混合物的全壓力就已達(dá)到排氣壓力，而此時(shí)，蒸氣的分壓力只達(dá)到PST。但因全壓力已達(dá)到排氣壓力，排氣閥被推開進(jìn)行排氣，未凝結(jié)的蒸氣保持氣體狀態(tài)被一起排至泵外。這就是氣鎮(zhèn)泵的工作原理。
采取氣鎮(zhèn)方法，雖然達(dá)到了排除蒸氣的目的，但由于摻氣增加了大氣突破漏入到吸氣端的可能性，因此對(duì)泵的抽速 與極限真空都有影響。泵在摻氣過程中，其極限真空要比不摻氣時(shí)下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。一般在使用時(shí)，先使用氣鎮(zhèn)閥摻氣排除可凝性氣體。等到蒸氣基本抽除后， 即可關(guān)閉氣鎮(zhèn)閥，繼續(xù)抽氣，經(jīng)過一定時(shí)間后，就可達(dá)到不摻氣時(shí)泵的極限真空了。
由于氣鎮(zhèn)方法主要是防止泵在壓縮過程中蒸氣的凝結(jié)，所以對(duì)那些從氣相狀態(tài)就能溶解在泵油中的蒸氣的抽除效果就比較差。
加裝了氣鎮(zhèn)裝置的機(jī)械真空泵，還有自凈化泵油的作用：當(dāng)泵油被少量凝結(jié)液污染后，只要將泵入口封死，然后打開氣鎮(zhèn)閥，經(jīng)一定時(shí)間抽氣運(yùn)轉(zhuǎn)，泵油便能恢復(fù)原來的性能。
(2) 氣鎮(zhèn)參量計(jì)算
1）防止泵內(nèi)凝結(jié)液生成的最小氣鎮(zhèn)量
假定：a．泵腔內(nèi)氣體是按等溫壓縮過程進(jìn)行的；b．在排氣瞬時(shí)，可凝性氣體的分壓力剛好達(dá)到泵溫下的飽和蒸氣壓；c．被抽氣體全部是可凝性蒸氣；d．摻入氣體為干燥氣體蒸氣分壓為零。
最小氣鎮(zhèn)速率B為：(4—1)
Pυ——蒸氣的吸入壓力 Pa；
Pαt——摻氣壓力(大氣壓力)Pa；
PT2——排氣壓力 Pa；
PST——泵溫下的飽和蒸氣壓力 Pa；
S1——泵的抽速 L／SI
如果氣鎮(zhèn)速率用氣鎮(zhèn)量G表示，則有 (4—2)
2）最大允許的吸入水蒸氣壓力[Pυ]
當(dāng)氣鎮(zhèn)速率B為已知值時(shí)，相應(yīng)地確定了一個(gè)最大允許的吸入水蒸氣壓力[Pυ]
式中：PL1——吸入氣體中永久性氣體的分壓力；
PD——摻入氣體中水蒸氣分壓力
其余同(4—1)式。
據(jù)(4—3)式分析可得出下面幾種特例：
A．摻入氣體為永久性氣體，PD =0，則有：(A)
B．吸入氣體全部為水蒸氣，PL1 = 0，而PD ≠ 0，則有：(B)
C．若PD = 0；PL1 = 0，則有(C)
D．若B = 0，即不摻入氣體，則有(D)
說明在不摻氣的情況下，泵本身也有一定抽除可凝性氣體的能力。
從以上公式分析可得出下述結(jié)論；
A．當(dāng)泵吸入的水蒸氣壓力P。增高時(shí)即水蒸氣含量較多，此時(shí)所需摻入的氣鎮(zhèn)量應(yīng)該相應(yīng)增加。但氣鎮(zhèn)量不宜過大，過大容易產(chǎn)生串氣，影響泵的性能。
B．當(dāng)摻入的氣鎮(zhèn)量為定值時(shí)，為提高最大允許的吸入蒸氣壓力[Pυ]，可用下面幾種辦法：
a)減少被抽氣體在泵腔內(nèi)的壓縮比，即降低排氣壓力PT2。
b)適當(dāng)提高泵的工作溫度，即提高泵腔內(nèi)水蒸氣的飽和蒸氣壓力PST。
c)盡量控制吸入氣體的溫度，提高泵入口處永久性氣體壓力PL1。若吸入高溫蒸氣可先通過前置冷凝器使之預(yù)先冷卻一部分，然后再進(jìn)入泵內(nèi)。
d)減低氣鎮(zhèn)氣體中可凝性蒸氣壓力PD，盡可能摻入干燥氣體。
3）抽除水蒸氣排出量GD。
對(duì)于水蒸氣的抽除量，取決于泵吸入口蒸氣分壓力Pυ和吸入口的抽氣速率S1。
當(dāng)考慮泵入口狀態(tài)，對(duì)尚未凝結(jié)的水蒸氣的抽除量可由氣體狀態(tài)方程導(dǎo)出：(4—4)
式中 R——氣體普適常數(shù)，R = 8314.3 Pa·L/mol·K ；
m——分子量，水為18g/mol。
(3)氣鎮(zhèn)計(jì)算中主要參數(shù)的選擇
氣鎮(zhèn)泵性能計(jì)算中，恰當(dāng)?shù)剡x擇參數(shù)極為重要，它關(guān)系到能否消除可凝性蒸氣對(duì)泵的污染，能否有效地抽除水蒸汽。
從公式(4—3)可看出影響Pυ的參數(shù)有：B/S1、PST、PD、PT2和Pαt
1) B/S1的選擇
B/S1是影響[Pυ] 較大的參數(shù)。B/S1值選得很大，說明向泵內(nèi)摻氣量大，因而[Pυ]就大。但這將造成泵內(nèi)壓縮腔和吸入腔之間長期有較大的壓差，因而返流量增加，降低了泵的極限真空。摻氣量大，排氣所需功率也增加，同時(shí)泵排氣時(shí)的噴油也會(huì)加劇。此外B胚，值選得太大，氣鎮(zhèn)孔相應(yīng)要大，實(shí)際結(jié)構(gòu)也是不許可的。一般選B/S1 = 0.1～0.15
2）PST的選擇
由于水蒸氣的飽和蒸氣壓和溫度有密切的關(guān)系。PST 選得過大，泵內(nèi)的溫度必須高。但泵內(nèi)的溫度過高，將使泵油性能變差，因而PST選擇必須適當(dāng)，一般作為氣鎮(zhèn)泵，泵溫可在70～90oC左右。
3）PT2的確定
氣鎮(zhèn)泵的排氣壓力PT2 之值，是根據(jù)排氣閥的具體結(jié)構(gòu)而定，與排氣閥片的重量、閥片上油柱重量以及閥片上是否有壓力彈簧作用等因素有關(guān)。一般PT2在101325～146650Pa之間確定。
4）泵的工作環(huán)境溫度T1。
一般情況下泵多工作在室內(nèi)，所以選定T1時(shí)，北方可選T1 = 293K(20oC)；南方可選T1 = 303K(30oC)。根據(jù)環(huán)境溫度T1可以決定最大允許吸入的水蒸氣壓力，即不同溫度下水蒸汽的飽和蒸氣壓值。
5）PD的選擇
摻氣用的空氣若濕度過大對(duì)氣鎮(zhèn)性能將產(chǎn)生不良影響。油封機(jī)械泵測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(GB6306·1—86)規(guī)定，相對(duì)濕度不大于75％。
