罗茨真空泵概述和设备要求课件

罗茨真空泵概述和设备要求罗茨真空泵概述和设备要求《真空技术》一.真空技术发展概况（杨乃恒）二.真空工程理论基础（孙丽娜）三.真空系统设计（刘坤）四.低真空获得设备（张以忱）五.清洁真空获得技术（巴德纯）六.中真空获得设备（张以忱）七.高真空与超高真空获得设备（杨乃恒）八.真空测量（刘玉岱）九.真空检漏（刘玉岱）十.真空镀膜（一）：PVD物理气相沉积（张以忱）十一.真空镀膜（二）：CVD化学气相沉积张世伟）十二.真空冷冻干燥技术（徐成海）十三.真空设备的自动化控制（王庆）十四.真空材料与真空卫生（张以忱）培训系列之《真空技术》一.真空技术发展概况（杨乃恒）培训系列之6.1.1概述

罗茨泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵6.1.1概述罗茨泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵6.1.1.1罗茨泵的种类低真空罗茨泵：直排大气的干式单级罗茨泵（10000Pa）和湿式罗茨泵(2000Pa)；中真空罗茨泵：机械增压泵（1×10-1Pa）；高真空罗茨泵：多级干式罗茨泵（高真空多级罗茨泵）6.1.1.1罗茨泵的种类低真空罗茨泵：6.1.1.2罗茨泵在真空工程领域中应用：在中真空范围作为机械增压泵应用，一般与前级泵（旋片泵，滑阀泵和水环泵等）串联构成真空机组；双级或多级罗茨泵机组可获得高真空；对于干式清洁无油的抽气系统多用气冷式罗茨泵机组；对于含水蒸气的被抽系统，多用湿式罗茨泵。6.1.1.2罗茨泵在真空工程领域中应用：在中真空范围作为机水环－罗茨泵机组2水环－罗茨泵机组2旋片－罗茨泵机组旋片－罗茨泵机组滑阀－罗茨泵机组2滑阀－罗茨泵机组26.1.2罗茨泵的工作原理及其结构特点

6.1.2.1罗茨泵的工作原理

罗茨泵抽气时两个转子由传动比为1的一对齿轮带动，作彼此反向的同步旋转运动。转子彼此无接触，其间存在间隙。6.1.2罗茨泵的工作原理及其结构特点

6.1.2.1罗茨泵6.1.2.2罗茨泵具有以下特点：

在较宽的压力范围内有较大的抽速；转子之间、转子与泵腔壁之间有间隙，泵腔内运动件无摩擦，不必润滑，泵腔内无油；转子形状对称，动平衡性能良好，运转平稳，选择高精度的齿轮传动，运转时噪音低；可获得较高转速（抽速）；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；6.1.2.2罗茨泵具有以下特点：抽气特点：

罗茨泵在抽气过程中其工作空间容积是不变的，即“无内压缩”，这与大多数的变容式真空泵不同。气体的排出：当转子顶部转过排气口边缘，封闭空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压力较高，则有一部分高压气体返冲到封闭空间中，使空间内气体压强突然升高到排气压力，即所谓的“外压缩过程”。当转子继续转动时，气体排出泵外。

抽气特点：罗茨泵在抽气过程中其工作空间容积6.1.3罗茨泵的结构1－前端端盖；2－油标；3－压力传感器；4－注油塞；5－放油塞；6－齿轮侧轴承端盖；7－泵体；8－入口法兰9－出口法兰；10－转子；11－马达侧轴承盖；12－中间法兰；13－油封处注油塞；14－油封处放油塞；15－笼形支架；16－电动机；17－泵底座6.1.3罗茨泵的结构1－前端端盖；2－油标；3－压力传感器

罗茨泵是双转子容积式真空泵。其在泵腔内有两个形状对称的转子，转子形状有两叶、三叶和四叶。

两个转子按一定相位安装在一对平行轴上，由轴端齿轮（i=1）驱动做同步反向旋转运动。转子彼此无接触，转子与泵腔壁也无接触，其间通常有0.15～1.0mm的间隙。泵腔靠间隙及高转速来密封（相对密封）。由于泵腔内无摩擦，转子可高速运转，一般：500～3000r／min。泵的润滑部位仅限于轴承、齿轮及动密封处（齿轮箱有油，且与泵腔之间有压差，预抽管通前级侧）。罗茨泵是双转子容积式真空泵。其在泵腔内有两个形6.1.3.1泵的结构特点

转子在泵体中如何安装决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵大致有两种型式：1）立式：这种结构的进、排气口成水平位置，装配和连接都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故多用于小泵。

2）卧式：泵的进气口在上，排气口在下。有时排气口水平方向接出，因而，进、排气方向是相互垂直的。排气口可以从两个方向接出，一端接排气管道，另一端堵死或接旁通阀。这种结构重心低，高速运转时稳定性好，一般用于大、中型泵。6.1.3.1泵的结构特点转子在泵体中如何安装决定了结构型式示意图1立式结构卧式结构结构型式示意图1立式结构卧式结构6.1.3.2泵的传动方式传动方式有如下两种：

1）电动机与齿轮放在转子的同一侧，从动转子的扭矩由电动机端齿轮直接传过去，所以主动转子轴的扭转变形小，因而转子与转子之间的间隙就不会因主动轴的扭转变形较大而改变，故使间隙在运转过程中均匀。缺点：主动轴上有三个轴承，给加工和装配带来一定困难，对齿轮的拆装和检查都不方便，整个结构也显得不匀称，使泵的重心移向电动机和齿轮箱一端。所以，采用这种结构的较少。6.1.3.2泵的传动方式传动方式有如下两种：传动方式示意图传动方式示意图2）电动机与齿轮传动设在转子的两侧

这种结构克服了上述的缺点，但主动轴扭转变形较大。为了保证转子在运转过程中的间隙，要求轴应有足够的刚度。轴与转子要固结（铸造的转子采用轴转子整体结构或热压过盈配合，焊接的转子采用转子和轴直接焊在一起的整体结构）。这种结构拆卸和装配都很方便。2）电动机与齿轮传动设在转子的两侧这种结构克结构图结构图6.1.3.3泵的密封结构主要有3个部位：主动轴外伸部分的动密封（密封外部大气与齿轮箱之间）；端盖或齿轮箱与泵体间的静密封；齿轮箱和泵体间的转子轴的动密封（避免油进入泵腔，同时预真空与高真空之间得到密封）。6.1.3.3泵的密封结构主要有3个部位：1、主动轴外伸部分的动密封目前采用较多的是：

双端面摩擦环式机械密封；带加强环的JO圈密封。机械密封运转可靠，耗功率小．允许线速度大；但结构复杂，制造成本高。

JO圈密封结构简单，耗功率大，胶圈容易磨损，但更换方便，成本低。磁流体密封是一种密封效果及使用寿命长的动密封型式，功耗小，但成本高。

1、主动轴外伸部分的动密封目前采用较多的是：2、齿轮箱与泵体之间的轴封由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这两部分的真空度与前级泵入口基本相同。所以齿轮箱与泵腔之间的压差较小，通常采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。2、齿轮箱与泵体之间的轴封由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道3、泵体端面的静密封真空耐油橡胶圈密封，不仅可靠而且拆卸方便。采用聚氨酯胶垫进行平面密封，不用加工密封槽，拆卸方便。有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封可靠并且不用加工密封槽。但用户须备有这种材料，否则不能自行拆装修理。3、泵体端面的静密封真空耐油橡胶圈密封，不仅可靠而且拆卸方便6.1.3.4罗茨泵的润滑部位主要有三处：轴封齿轮轴承。6.1.3.4罗茨泵的润滑部位主要有三处：轴封罗茨泵达到的极限压力与前级泵的极限压力有关：用油封机械泵作前级泵时：单级罗茨泵极限全压力：5×10-1~1×10-2Pa极限分压力：5×10-2~5×10-3Pa双级罗茨泵极限全压力：1×10-2~5×10-3Pa极限分压力：1×10-3~5×10-4Pa用水环泵作前级泵时：单级罗茨泵极限分压力：200Pa，双级罗茨泵极限分压力：4Pa。罗茨泵达到的极限压力与前级泵的极限压力有关：用油封机械泵作前6.1.4罗茨泵的转子型线概述6.1.4罗茨泵的转子型线概述6.1.4.1转子型线要求和条件：转子横断面的外廓线称为转子的型线。理论型线：保证转子在旋转过程中，两个转子始终相互啮合。实际型线：由理论型线去掉间隙的部分得来的。它要保证两个转子在运转中间隙永远保持定值。转子的型线必须做成共轭曲线。共轭转子型线可做成各种各样的曲线（只要给出一条曲线，就可以做出一条与之相应的共轭曲线）。6.1.4.1转子型线要求和条件：转子横断面的外廓线称为转子6.1.4.2型线的选择要考虑以下几个条件：1）泵有最好的工作性能（增加抽速和提高压缩比）

a）容积利用系数要尽可能大，即转子在泵腔内占的体积要小；

b）为减少返流，转子之间及转子与泵体间的密封面积应大2）要有良好的几何对称性，保证运转平稳，噪音小，互换性好；3）保证转子齿形有足够的强度，加工工艺性要好，容易获得较高的表面精度。6.1.4.2型线的选择要考虑以下几个条件：1）泵有最好的6.1.4.3常用的型线线形有：

圆弧线、渐开线和摆线。实用上，整个转子的外轮廓型线由：圆弧线、渐开线和摆线组合而成。“圆弧－渐开线－摆线”型转子型线气阻大，改善了泵在低压下的性能，提高了泵的抽气效率，得到较广泛的应用。6.1.4.3常用的型线线形有：圆弧线、渐几种型线的比较容积利用系数：是表征泵腔面积或是体积有效利用程度的系数。对于罗茨泵来说，大的容积利用系数对于提高泵的性能，减小泵的体积是比较有利的。在以上几种型线中，圆弧型转子型线和渐开线转子型线的容积利用系数比较好；而气冷式罗茨泵渐开线转子型线的容积利用系数则比较小。而在强度方面，气冷式罗茨泵渐开线转子比较好，而圆弧型转子则是比较差的，因此在使用此型线时应该校核一下其薄弱腰部的强度。几种型线的比较容积利用系数：是表征泵腔面积或是体积有效利用程6.1.4.4实际型线

6.1.4.4.1工作间隙与装配间隙为了减少气体的返流，要求转子间、转子与泵壳间的工作间隙要尽量小。考虑转子工作时产生热膨胀和受力变形等影响，要求各处的装配间隙不等而且要比工作间隙大。6.1.4.4实际型线

6.1.4.4.1工作间隙与泵在实际运转中，下列因素会使间隙减小：i）

转子在运转中因升温而产生热膨胀；ii）转子在离心力和排气压力作用下产生变形；iii）随着齿轮传动磨损程度的增加，齿侧间隙增大，由于磨损是不均匀的，所以必然引起转子相对位置发生变化，造成间隙减小；iv）

泵轴的弯曲变形或扭转变形；v）

轴与转子因制造和装配误差而产生不同轴等。泵在实际运转中，下列因素会使间隙减小：i）

转子在运转中因升装配间隙是确定转子实际型线的根据：δ1——转子与泵壳的径向间隙；δ2——转子相互之间的间隙；δ3——轴活端（如齿轮端）的转子侧面与侧盖间的轴向间隙；δ4——轴死端的转子侧面与端盖之间的轴向间隙。装配间隙是确定转子实际型线的根据：δ1——转子与泵壳的径向6.1.4.4.2装配间隙的选取

装配间隙的选取很重要，它将直接影响到泵腔的泄漏量，进而影响泵的极限真空、实际抽速等指标。装配间隙δ的大小与泵的工作压力和泵的冷却方式有关，转子的材料性质（如线性膨胀率、弹性模量、密度）、泵工作时的转子的工作温度都是影响转子表面发生位移的因素，因此在确定转子的装配温度时应该把它们考虑进去。装配间隙在一定程度上衡量了泵的设计和制造水平。6.1.4.4.2装配间隙的选取装配间隙的6.1.5罗茨泵设计中的关键问题1．罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是型线。泵工作时，转子之间的间隙要保持一定，这样转子的型线必须做成共轭曲线。理论型线的选择和实际型线的计算和加工工艺是关键。

2．为了控制泵转子间、转子与泵壳间的间隙，要求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵工作条件的轴承型号。考虑转子轴向热膨胀影响，转子轴应留有活端，以允许轴因热膨胀等因素而产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间的轴向间隙则应选得小一些。6.1.5罗茨泵设计中的关键问题1．罗茨泵的关键零件是转

3．要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的精度常选用5～6级。为使传动平稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整转子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿轮与轴之间采用涨套联接方式。3．要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的6.1.6罗茨泵转子的冷却

罗茨泵在运转过程中，由于转子的高速旋转，与气体产生摩擦搅拌作用及在排气口处对气体的外压缩，使气体及转子的温度升高。而转子的热量较难散发出去。当泵的抽气量较大时（大泵），或入口气体温度较高时，需要对转子进行冷却，以免转子出现过大的热变形现象，使装配间隙过小或消失，致使转子卡死。6.1.6罗茨泵转子的冷却罗茨泵在6.1.6.1转子的空气冷却在泵的排气口处安装冷却器，对出口处的气体进行冷却，当被冷却的气体反冲到泵腔内时，使转子得到冷却。这种方法一般可散出转子80％左右的热量。当排气压力较高时，气体分子密度大，传热效果好，可以保证泵在较高压差下正常工作。6.1.6.1转子的空气冷却在泵的排气口处安装冷却器6.1.6.2气冷式罗茨泵将冷却后的出口气体回流到泵腔内去直接冷却热态的转子，提高了泵的抗热能力，使泵仍可保持较小的转子装配间隙。气冷式罗茨泵适用于长期在高压差下工作或被抽气体的温度比较高的情况下工作。6.1.6.2气冷式罗茨泵将冷却后的出口气体回流到泵腔内去6.1.7罗茨泵的运行过载

6.1.7.1过载分析

由功率计算公式(6-22)可知，泵压缩气体所需的功率与压差成正比：6.1.7罗茨泵的运行过载

6.1.7.1过载分析6.1.7.2防止过载的措施解决泵过载的方法：机械式自动调压旁通阀采用液力联轴器真空电气元件控制泵入口压力6.1.7.2防止过载的措施解决泵过载的方法：6.2油扩散喷射真空泵6.2油扩散喷射真空泵油扩散喷射泵油扩散喷射泵

油扩散喷射泵是油蒸汽流泵的一种，主要油扩散喷嘴、喷射喷嘴等组成，使之在高真空方面有较大的抽速，在低真空方面有足够的临界前级压力。具有结构简单、无机械传动部分、运转可靠、维护方便、使用寿命长等特点。主要配置在高真空系统作为主泵与前级泵的中间级，也可单独作为高真空泵应用于冶金或抽出含有少量水气的工作场合。

油扩散喷射泵是油蒸汽流泵的一种，主要油扩散喷嘴6.2.1概述

油扩散喷射泵是从油扩散泵发展而来的，兼有扩散泵和喷射泵的特点，工作压力范围在（10-10-2）Pa。在此压力区间内，油扩散喷射泵有较大的抽速和较高的最大出口压力，其抽气量是扩散泵的4-20倍，加热功率是扩散泵的2-5倍。由于油扩散喷射泵的工作压力范围正处于油扩散泵和油封机械泵抽气能力下降区域，因此，该泵除可以做主泵外，还常常用于大型油扩散泵和前级机械泵之间，保证真空系统的有效工作，与罗茨泵的作用相似，所以油扩散喷射泵也被称为油增压泵。6.2.1概述油扩散喷射泵是从油扩散泵发展而来6.2.2工作原理和结构特点

6.2.2.1工作原理油扩散喷射泵工作压力范围内的被抽气体流动状态处于粘滞流和分子流之间。在压力较高时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以粘性携带为主。这时要求蒸汽射流具有足够的密度。在压力较低时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以扩散携带为主.这时要求蒸汽射流有一定的稀薄程度。多级喷嘴串联抽气原理6.2.2工作原理和结构特点

6.2.2.1工作原理油扩散喷为了使泵在更宽的压力范围内具有大的抽速，同时又有高的出口压力，在实际应用中都是多级喷嘴串联起来工作的。在多级喷嘴结构中，下一级喷嘴要保证上一级喷嘴的正常工作，因此，每个单级喷嘴的抽气特性应满足：式中：G—泵的抽气量；

S1，S2，….Sn—各级喷嘴的抽速；

P1，P2，…Pn—各级喷嘴的入口压力。

为了使泵在更宽的压力范围内具有大的抽速，同时又有高的出口压力6.2.2.2结构特点右图为双级喷嘴油扩散喷射泵的结构。图8-456.2.2.2结构特点图8-45

1.加热器

因为扩散喷射泵工作压力较高，所以无需对泵油进行分馏。由于扩散喷射泵的加热供率较高，因此其锅炉蒸发面积和加热面积比油扩散泵的大。泵的加热器有裸露式和封闭式两种。锅炉内的蒸汽压力为1-2KPa，个别情况可达4KPa。

2.喷嘴

在油扩散喷射泵中采用伞形喷嘴，伞形喷嘴由下唇a和上帽b组成。蒸汽由与下唇相连的导流管进入喷嘴，改变方向后经喷嘴最小断面处时，蒸汽流达到音速。在之后逐渐扩大的通道内连续膨胀，达到超音速。喷嘴的张角为40o-60o扩张度（出口断面积与最小断面积之比），入口级为20-50，出口级为2-3。

1.加热器

因为扩散喷射泵工作压力较高，所以无需对泵油进行

为了提高泵的最大出口压力，在大型油扩散喷射泵中，出口级往往采用喷射喷嘴。喷射级喷嘴需要的高压力蒸汽由锅炉直接提供。经过对高压力蒸汽进行孔板节流降压后的蒸汽供给其余各级喷嘴，使各级喷嘴的工作蒸汽压力分布更为合理。3.泵体油扩散喷射泵的泵体用碳钢制成，有圆筒形，也有圆锥形。小型泵采用焊在泵壳外壁上的螺旋铜管通冷却，大型泵的冷却采用水套结构。

为了提高泵的最大出口压力，在大型油扩散喷射泵中，出口级6.2.3抽气特性油扩散喷射泵的抽气特性可用泵入口压力与泵抽速之间关系曲线来表示，如下图。从图中可见，在泵工作压力范围内泵的抽速有一个最大值，对应的入口压力与蒸汽射流的状态有关。图8-486.2.3抽气特性油扩散喷射泵的抽气特性可用泵入口压力与泵抽

泵的加热功率对抽气量和最大出口压力也有影响。当泵加热功率变化时，泵抽气量与泵入口压力之间的关系如下图所示。当加热功率变小时，锅炉温度降低，蒸汽射流密度降低，增加了被抽气