梯形齿转子螺杆真空泵级间泄漏与抽速测量方法的研究

梯形齿转子螺杆真空泵级间泄漏与抽速测量方法的研究
目前螺杆真空泵已经被广泛应用于半导体、医药、食品、化工等各个工业领域,其在真空泵市场中占有的地位不断提升。

螺杆转子作为螺杆真空泵的主要部件,它的齿型大多采用的是市场上比较常见的梯形齿,该齿型具有较好的啮合性、连续密封性和稳定性。

随着螺杆泵连续不断的工作,其吸气口处的压力会不断降低并逐渐趋于一定值而排气口处的压力始终是大气压,这样就造成了气体从排气口高压侧向吸气口低压侧的反向泄漏,又由于螺杆真空泵是无油容积式真空泵,所以,级间泄漏是不可避免的。

泄漏量的增加会降低泵的有效抽速,这也直接决定了泵的极限真空度。

本文之所以研究螺杆真空泵的级间泄漏,主要是因为目前可以按照抽速要求理论来设计转子,但是没有理论可以按照真空度要求来设计,而级间泄漏量的计算正好是此设计理论的基础。

本文针对梯形齿转子螺杆真空泵级间泄漏问题,从等螺距转子泄漏通道的结构出发,采用数值计算的方法,研究等螺距梯形齿转子下螺杆真空泵的级间泄漏通道、内部气体流态、泄漏量、各泄漏通道占总泄漏量的比重以及实际测量泄漏量的新方法。

首先,本文对级间泄漏通道的构成进行了分析,提出转子相邻两个吸气容积腔间的泄漏通道主要由四部分构成:齿顶与泵腔内壁间构成的泄漏通道Ll;齿顶与齿根间构成的泄漏通道L2;共轭凹齿面间构成的泄漏通道L3和两斜齿面间构成的泄漏通道L4。

然后,对这四种通道的长度L、深度h和宽度b进行求解,并对泵腔内气体的流态进行了判别。

依据螺杆泵的实际常用工作压力范围,确定本文主要研究粘滞流下的螺杆泵级间泄漏问题。

其次,将L1通道简化成平板通道模型,L2、L3和L4通道简化成
拉瓦尔喷嘴模型,根据简化的物理模型分别推导出了 L1、L2、L3和L4四种通道的泄漏量计算公式;选择一种常见的150型等螺距螺杆真空泵进行算例分析,求出了相邻两级间的压力、温度、密度和泄漏量。

根据计算结果分析得出:L1通道内的流动主要是泊稷叶流动,其所占百分比高达99%以上;L1通道的泄漏量占据了四个通道总泄漏量的大部分,其所占百分比在76%左右;四种通道的泄漏量占总泄漏量的百分比与在泵腔内的位置是无关的,只与通道的长度和面积有关;无论间隙取何值,泄漏量都是越靠近排气口位置越大且增加的速度越来越快,但是随着间隙的增大在进气口附近的泄漏量增加很小,而在排气口附近的泄漏量增加却很大,建议在满足正常运转的前提下选取较小的间隙。

最后,对于泄漏量的大小需要实际测量,提出了一种基于称重原理的滴管式气体流量测量新方法,可以直接测量出泵的有效抽速,根据有效抽速等于理论抽速减去泄漏量,进而可以反推出泄漏量。

本文还利用了实验室中的测试平台对其可行性进行了理论验证,介绍了实验操作步骤,给出了抽速计算公式,对比分析了影响测量结果的误差因素,研究发现:电子秤的测量精度对测量结果几乎没有影响;滴管内油液上升的速度越大,对测量结果的影响就越大;选择较大直径的滴管和贮油杯可以减小测量误差;综合来看,该方法具有较强的可操作性,便于实现自动化测量,避免了原来测量方法中的操作性误差和原理性误差,能够准确地测量出螺杆真空泵的有效抽速。