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正航整理高速直联旋片真空泵
2015-08-07 来源：正航仪器 作者：小曾 阅读：次
正航整理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��；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大降低。
1.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。
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PT2，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PST，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PT2，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PST。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)
Pυ——蒸气的吸入压力 Pa；
Pαt——掺气压力(大气压力)Pa；
PT2——排气压力 Pa；
PST——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[Pυ]
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[Pυ]
式中：PL1——吸入气体中永久性气体的分压力；
PD——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，PD =0，则有：(A)
B．吸入气体全部为水蒸气，PL1 = 0，而PD ≠ 0，则有：(B)
C．若PD = 0；PL1 = 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[Pυ]，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PT2。
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PST。
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PL1。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PD，尽可能掺入干燥气体。
3）抽除水蒸气排出量GD。
对于水蒸气的抽除量，取决于泵吸入口蒸气分压力Pυ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Pυ的参数有：B/S1、PST、PD、PT2和Pαt
1) B/S1的选择
B/S1是影响[Pυ] 较大的参数。B/S1值选得很大，说明向泵内掺气量大，因而[Pυ]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）PST的选择
由于水蒸气的饱和蒸气压和温度有密切的关系。PST 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PST选择必须适当，一般作为气镇泵，泵温可在70～90oC左右。
3）PT2的确定
气镇泵的排气压力PT2 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PT2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(20oC)；南方可选T1 = 303K(30oC)。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）PD的选择
掺气用的空气若湿度过大对气镇性能将产生不良影响。油封机械泵测试标准(GB6306·1—86)规定，相对湿度不大于75％。
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