羅茨真空泵基礎知識講解
來源：成都新德南光機械設備有限公司 | 發布時間：2016-03-30 |
羅茨真空泵的性能一直以來都沒有嚴格區分，即使在國外也大都如此，哪一些是泵本身的特征性能，哪一些是除了本身的因素外還在很大程度上取決于前級泵的性能，也即是羅茨泵機組的性能。以至于一些是泵本身的特征性能沒有去充分考核，而一些應該屬于羅茨泵機組的性能卻作為羅茨泵的性能在考核，雖然這種情況不斷在改進。此外，羅茨泵性能的測量方法也有待改進、有所創新，使它更接近、更符合實際運行狀態。
1、基礎壓力和漏率
1.1、基礎壓力
一直以來所有真空泵都有一個非常重要的性能指標———極限壓力，但極限壓力對真空泵而言其實并不十分確切，正如ISO21360-1 所指出的那樣：極限壓力是測試罩內漸近的壓力值，它是泵可獲得的最低壓力，但沒有一個實際的測量方法或規范。也就是說，它是一個無限的漸近的值，它永遠也達不到所謂的極限和最低，是一個無法測量的值。ISO21360-1 提出了一個新概念—基礎壓力，但它并沒有給基礎壓力提出一個確切的定義，我們認為可以這樣定義：基礎壓力———泵按規定條件工作，在不引入氣體的情況下，標準測試罩內趨向穩定的壓力，單位為Pa。與極限壓力的定義相比較，基礎壓力的定義中取消了“最低”，也就沒有了極限的含義。這是一個可以測量的值，我們認為所有真空泵都應該將性能指標中的“極限壓力”修改為“基礎壓力”，尤其是單獨使用的、直接排大氣的真空泵，如滑閥泵、旋片泵、液環泵、活塞泵、渦旋泵、爪式泵、濕式羅茨泵和氣冷式羅茨泵等等。基礎壓力對羅茨泵而言，并不是羅茨泵本身的特征性能指標，它在很大的程度上取決于前級泵的類型(基礎壓力)和溫度，因此在標注泵的基礎壓力時，必須同時注明所配置的前級泵類型。過去曾一度認為，我們羅茨泵的基礎壓力始終不如國外的好，后來查明是因為當時作為前級泵的旋片泵質量不是最好，更換上質量好的前級泵，羅茨泵的基礎壓力就完全達到了國外泵的先進水平，這就充分說明基礎壓力并不是羅茨泵本身的特征性能。考慮到基礎壓力比較直觀，生產廠商和用戶的習慣，改變和認識還需要一個過程，這次羅茨泵新標準中仍將基礎壓力列入主要性能指標。
基礎壓力的測量中，全壓的測量示值過去規定為經校準的熱偶真空計的示值，實際上國際標準中早已規定測量儀表為薄膜計，目前我國薄膜真空計的使用已經普及，而且它的精度遠高于熱偶真空計，因此新標準中全壓的測量示值已規定為經校準的薄膜真空計的示值。
薄膜真空計使用中必須注意一個問題，因為薄膜計從結構上可分為二種型式：相對式和基準式。基準式中有一個高真空基準膜盒，薄膜計的示值實際上是傳感器的測量值與基準膜盒相比較的結果，基準膜盒由于放氣和漏氣，它的真空度雖然非常緩慢，但都在不斷地下降，因此薄膜計的零位應該經常進行校準，尤其是對低量程的1 Torr(100 Pa)和0.1 Torr(10 Pa)的傳感器而言，故基準膜盒應根據具體情況，限期進行高真空處理或更換。相對式是以一臺高真空泵(如分子泵)替代基準膜盒，因此薄膜計的零位不需進行校準，有條件的單位應采用這種型式的薄膜真空計。當然薄膜真空計整計(包括傳感器、顯示儀和電纜等)必須定期送規定的計量部門檢定。
1.2、漏率
真正代表羅茨泵在這方面的特征性能的是漏率，只要漏率達到了要求，羅茨泵的基礎壓力就保證能達到要求。由于它與前級泵無關，也基本上不受溫度的影響，所以應當將漏率作為羅茨泵的主要性能指標來考核。這次修訂羅茨泵標準時，我們已將漏率列入羅茨泵的主要性能指標。至于基礎壓力，因為不是泵本身的特征性能指標，不應在質量檢驗時再作為主要性能來考核。
早在1998 年我們就提出用漏率取代極限壓力作為羅茨泵的主要性能指標，但一直沒被接受和引起重視。我們自己在羅茨泵的極限壓力(基礎壓力)達不到標準要求時，就常常用檢測泵的漏率和泄漏處的方法來解決的，漏率達到了要求，極限壓力(基礎壓力)也就達到了要求。尤其是近些年來，我們陸續接到不少用戶，特別是那些被抽的工作氣體不容許外泄的用戶，要求對羅茨泵進行漏率檢測并提供漏率數據，可見漏率也已受到許多用戶的關注和重視。國外兩大羅茨泵生產商PFEIFFER 和LEYBOLD 公司的羅茨泵樣本上都一直標注了漏率指標，他們的駐外檢修部門在修理羅茨泵后也只檢測漏率。我公司在送德國海德里希公司檢測羅茨泵時，他們并不檢測基礎壓力，而是檢測漏率。檢測數據中，泵的漏率<1×10-4 Pa·m3/s，完全達到了上述兩公司的指標要求。至所以國外許多公司至今還將極限壓力(基礎壓力)作為主要性能指標，一方面是極限壓力(基礎壓力)比較直觀，習慣成自然，當然觀點和認識也各有不同，我們相信隨著時間的進程，未來必然會達到認識的統一的。
漏率的定義是：在規定條件下，一種特定氣體通過漏孔的流量，單位為Pa·m3/s。在我們修訂的羅茨泵標準中，基本參數中漏率的指標與PFEIFFER公司的指標完全一致，標準中也規定了漏率的測量方法。
漏率測量的原理是：采用噴吹法，噴槍的示漏氣體通過漏孔進入被檢真空系統，并被引入檢漏儀，引起檢漏儀輸出指示的變化，將該變化值與標準漏孔在檢漏儀上引起的輸出指示變化值進行比較，確定羅茨泵被檢部位的漏率。
2、最大容許壓差
最大容許壓差原稱最大允許壓差，據查，允許是答應、同意的意思，而容許則是許可的意思，因此改稱為最大容許壓差比較符合原意。最大容許壓差是考核羅茨泵運轉可靠性的特征性能指標。它與泵相互轉動零部件之間的間隙有關，也與轉速有關。如果僅從提高最大容許壓差的觀點出發，相互轉動零部件之間的間隙以大為好，轉速也以低為好。
我們新修訂的羅茨泵標準中，最大容許壓差的測量方法與德國DIN28426.2 的最大區別是，將測量方法中“當入口壓力調整到1×103 Pa 或更低壓力時”修改為“使泵入口壓力等于1×103 Pa”。通過我們的試驗表明，雖然壓差相同，但入口壓力不同時，引入的(冷卻)氣體量就不同；入口壓力越低，引入的(冷卻)氣體量就越少，泵溫就越高(見圖2)，泵的熱膨脹就越大，這將導致泵的最大容許壓差的降低。為了保證測試條件一致，有利于最大容許壓差運轉時考核的準確性，應該使泵入口壓力等于1×103 Pa。
羅茨真空泵特性指標及測試方法研究
型羅茨泵在壓差相同(5.5×103)時，不同入口壓力下運轉1 h 的泵溫前級管路直徑大小對零流量壓縮比測量的影響
羅茨真空泵特性指標及測試方法研究
在最大容許壓差測量時泵溫很高，因為氣體的壓縮主要在出口處，所以泵出口處溫度高達130℃~160 ℃，而出口處的氣流溫度更高，可達240 ℃ ~260 ℃，由于出口處泵體和轉子都處于高溫狀態下，溫差雖達100 ℃左右，但也一般不會發生碰擦，當然這是必須保證泵的間隙處在正常情況下；而泵進口處溫度一般只有40 ℃~50 ℃，故進、出口處溫差高達200 ℃以上，因此該處與高溫轉子容易發生碰擦，甚至卡住，故而轉子中心應相對于泵缸中心適當下移，以增大該處間隙，保證高壓差運轉的安全性和可靠性。
在最大容許壓差測量時應同時記錄室溫，泵進、出口處溫度，運轉時間和消耗功率。不同泵之間消耗功率受諸多因素影響，并不一致，如見超常必須立即檢查、解決。如常用的梅花形聯軸器就是其中之一，通常梅花形彈性塊材質采用聚胺脂，它的質地較硬，所以對聯軸器體的梅花形孔的分度要求較高，如加工中偏差較大，彈性塊與聯軸器體之間將產生過度擠壓，使消耗功率異常，一般聯軸器表面溫度不高，如出現聯軸器發燙，就可確定是上述原因；再如泵的二個側蓋上轉子軸孔距離偏差過大，轉子軸強度不足至使工作時撓度過大等原因，使軸承轉角超過容許限度，產生超常摩擦，也將使消耗功率異常；此外齒輪中心距偏小，齒形偏胖等也將造成齒輪之間嚴重擠壓，導致消耗功率增大。
最大容許壓差測量時要求運轉1 h，不發生異常和故障。如使用中有特殊要求，在較高壓差下運轉的時間需要適當延長，可以在泵出口處鄰近轉子的部位設置冷卻器，它由翅片型冷卻盤管組成，根據需要可以采取單重、雙重和三重冷卻盤管，它的結構簡單、冷卻效果好，對泵抽速的影響僅為(1~2)%，價格低廉，實用價值高。
3、零流量壓縮比與抽速
3.1、零流量壓縮比與抽速
零流量壓縮比是羅茨泵有關抽氣性能的非常重要的特征性能指標，它與泵相互轉動零部件之間的間隙有關，也與轉速和氣體種類有關。從提高零流量壓縮比的觀點出發，相互轉動零部件之間的間隙以小為好，轉速越高越好。因此它與最大容許壓差之間是一對相互制約、又相輔相成的矛盾，必須相互兼顧、慎重考慮。不能單純為了某些利益需要，突出泵的運轉可靠性，而片面增加相關間隙，置影響泵的抽氣效能和用戶的效益于不顧。為了處理好零流量壓縮比與最大容許壓差這一對矛盾，我們曾選取大、中、小三臺典型的羅茨泵，對泵相互轉動零部件之間的間隙關系進行了類似于破壞性的各項試驗，取得了很好的效果，為以后的發展打下了堅實的基礎。零流量壓縮比也與氣體種類有關，我們做了空氣與氮氣、氬氣、二氧化碳等幾種氣體的對比試驗，從試驗數據看，零流量壓縮比與試驗氣體的分子量有關，分子量大的氣體，它的零流量壓縮比要大一些，也就是它的抽速也大一些。
根據所測得的羅茨泵的零流量壓縮比和所配置的前級泵的類型、抽速—入口壓力曲線就可以通過計算得到羅茨泵在各種工況下的抽速，當然由于存在各種不確定因素，這個計算過程是近似的，不過對于羅茨泵的選型和配套方案的選擇已經是足夠的了。
3.2、零流量壓縮比的測量裝置
3.2.1、前級管路
零流量壓縮比的測量裝置中的前級管路，在德國DIN28426.2 中只有一個示意圖，沒有具體規定。在GB/T 25753.2 中又規定得太多，執行起來不是很方便。為此我們作了許多試驗，如前級管路直徑大小和前級管路測試罩直徑大小對零流量壓縮比測量的影響，前級管路中測試罩兩側的管路長度(a 和b)對零流量壓縮比測量的影響。
