罗茨真空泵抽气规律的研究

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新的《罗茨真空泵性能测量方法》已于2017年1月实施,并成为中国首个被国际接受的罗茨泵性能检测标准。因此,基于新的测试标准,对罗茨真空泵的抽气规律进行系统的梳理、分析和讨论,成为目前亟待解决的问题。影响罗茨真空泵抽气性能的因素有很多,其中转子的型线设计对罗茨真空泵的影响最为关键。转子型线设计是否合理,将直接影响到罗茨真空泵的运转情况。本文首先从罗茨真空泵一对共轭转子的啮合原理出发,以罗茨真空泵圆头转子型线为例,利用坐标变换和包络条件,演示了共轭啮合曲线的推导过程,并给出其在平面直接坐标系下各段曲线的表达式。随后给出求解转子利用系数的计算方法,并给出理论抽速以及实际抽速的计算公式,还讨论零流量压缩比这一指标如何反映罗茨真空泵的本身的抽气性能。零流量压缩比越大,罗茨泵的泄漏返流越少;而零流量压缩越小,则代表该罗茨泵泄漏返流更大。由此得出零流量压缩比可以作为判断罗茨真空泵抽气性能的重要指标。由于罗茨真空泵不能直排大气,因此需要在罗茨泵前连接一个前级泵,从而形成一个罗茨泵机组。罗茨泵正常启动前工作阶段的抽气特性(如抽气速率、抽气时间等),对设计与使用罗茨泵机组也有重要意义。本文针对罗茨泵机组三种常用的工作方式,依次分析和讨论了罗茨泵机组抽气特性与规律。根据罗茨真空泵需要与前级泵配合工作的特点,分析了罗茨泵启动阶段,使用不同启动方式的工作效果。其中,直接与前级泵串联使用的直通式罗茨泵机组,在工作中抽气速度提升最慢,对指定容器的抽气时间最长;使用旁通管路的罗茨泵机组在抽气速度与抽气时间表现上要优于直通式罗茨泵机组;而变频式罗茨泵机组的抽气速度提升最快,完成指定容器抽真空用时最短。因此在启动阶段,使用变频继电器控制的,随出口压力调节功率的变频式罗茨泵机组比其他两种机组效率更高,抽气效果更好。在罗茨泵的研究与生产实际中有重大的研究价值与良好的使用前景。除上述因素外,工作中的罗茨真空泵将会生成大量的热,并导致转子及泵腔热变形,进而引起抽气性能的变化,因此对泵内气体的热力学研究就显得尤为重要。本文基于罗茨真空泵气体返流理论,在前人工作的基础上,进一步完善和优化了罗茨真空泵热力学理论。以一种最常见的罗茨真空泵——双叶罗茨真空泵为例,通过分析被抽气体在吸气、输运、反冲和排气4个过程中,对应各热力学参数(如压强、容积、温度、质量、内能等)的变化规律,阐明了双叶罗茨真空泵的抽气特性和运行规律,从而为分析双叶罗茨真空的抽气机理提供了热工学方法论,并可作为罗茨泵性能优化的参考依据。
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